深入理解51單片機(jī)串口通信
串口通信的基本認(rèn)識(shí)
通信分為并行通信和串行通信，并行通信時(shí)的數(shù)據(jù)各個(gè)位同時(shí)傳送，可以實(shí)現(xiàn)字節(jié)為單位通信，但通信線多占用資源，成本高。以前用到的的P1=0x55,一次給P1口的8個(gè)管腳分別賦值，同時(shí)進(jìn)行信號(hào)輸出，類似于8個(gè)車道可以過去8輛車，這樣的形式是并行的，一般稱P0,P1,P2,P3為51單片機(jī)的4組并行總線。
串行通信，就是一個(gè)車道，一個(gè)只能通過一輛車，如果一個(gè)0x55這樣一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)要傳輸過去的話，假如低位在前，高位在后的話，那發(fā)送方式是：0-1-0-1-0-1-0-1，一位一位的進(jìn)行傳輸，要發(fā)送8次才能發(fā)送完一個(gè)字節(jié)
STC89C52有兩個(gè)引腳是專門用來做串口通信的，一個(gè)是P3.0(RXD)，一個(gè)是P3.1(TXD)，他們組成的通信接口就是串行接口，簡稱串口。用于兩個(gè)單片機(jī)進(jìn)行UART通信。兩單片機(jī)通信接口連接方式：RXD——TXD，TXD——RXD。
單片機(jī)1的TXD發(fā)送通道接到單片機(jī)2的RXD接收通道，單片機(jī)的1的RXD接收通道接到單片機(jī)2的TXD發(fā)送通道，從而實(shí)現(xiàn)相互通信。
當(dāng)單片機(jī)1想給單片機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)，比如發(fā)送了0xCE，用二進(jìn)制表示就是11001110，在串口通信過程中，是低位先發(fā)，高位后發(fā)的原則，那么就是讓TXD首先拉低電平，持續(xù)一段時(shí)間，發(fā)送一位0，然后拉高電平，持續(xù)一段時(shí)間，發(fā)送一位1，繼續(xù)拉高，在持續(xù)一段時(shí)間，發(fā)送一位1，一直把8位二進(jìn)制數(shù)11001110全部發(fā)送完畢，這里涉及到一個(gè)問題，就是持續(xù)的一個(gè)時(shí)間段時(shí)間“到底是多少”。因而便引入通信中非常重要的一個(gè)概念波特率，也叫做比特率。
波特率
波特率就是發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)位的速率，習(xí)慣用baud表示，即我們發(fā)送一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)持續(xù)的時(shí)間=1/baud。在通信之前，單片機(jī)1和單片機(jī)2首先都要明確約定好他們之間的通信波特率，必須保持一致，收發(fā)雙方才能正常通信。
約定好速度之后，我們還要考慮第二個(gè)問題，數(shù)據(jù)什么時(shí)候是起始，什么時(shí)候是結(jié)束?提前和延遲結(jié)束都會(huì)接收錯(cuò)誤。在uart通信的時(shí)候，一個(gè)字節(jié)是8位，規(guī)定當(dāng)沒有通信信號(hào)發(fā)生時(shí)，通信線路保持高電平，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送前，先發(fā)一位0表示起始位，然后發(fā)送8位數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)位是先低再高，數(shù)位位發(fā)送完后才呢個(gè)后再發(fā)送一位1表示停止位，這樣我們要發(fā)送的8位數(shù)據(jù)，實(shí)際上我們發(fā)送了10位，多出來兩位其中一個(gè)是起始位，一個(gè)是停止位。而接受方一直保持的高電平，一旦檢測到一位低電平，準(zhǔn)備開始接受數(shù)據(jù)，接受8位數(shù)據(jù)后，然后檢測停止位，再準(zhǔn)備下一個(gè)數(shù)據(jù)接收。
串口數(shù)據(jù)發(fā)送示意圖，實(shí)際上是一個(gè)時(shí)域示意圖，就是信號(hào)隨著時(shí)間變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。比如在單片機(jī)的發(fā)送引腳上，左邊的是先發(fā)生的，右邊的是后發(fā)生的，數(shù)據(jù)位的切換時(shí)間就是波特率分之一秒，如果能夠理解時(shí)域的概念，后邊很多通信的時(shí)序圖就很容易理解了。
RS232
在我們電腦上，一般都會(huì)有一個(gè)9針的串行接口，這個(gè)串行接口叫做RS232接口，它和UART通信有關(guān)聯(lián)，但是由于現(xiàn)在筆記本電腦不帶9針串口，所以和單片機(jī)通信越來越趨于使用USB虛擬串口。
九針串口分工頭和母頭
公頭上5下4，上5從左到右為1.2.3.4.5;下4從左到右為6.7.8.9;
母頭上5下4，上5從左到右為5.4.3.2.1;下4從左到右為9.8.7.6;
RS232接口一共有9個(gè)引腳，分別定義是：1、載波檢測DCD;2、接收數(shù)據(jù)RXD;3、發(fā)送數(shù)據(jù)TXD;4、數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好DTR;5、信號(hào)地線SG;6、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好DSR;7、請(qǐng)求發(fā)送RTS;8、清除發(fā)送CTS;9、振鈴提示RI。我們要讓這個(gè)串口和我們單片機(jī)進(jìn)行通信，我們只需要關(guān)心其中的2腳RXD、3腳TXD和5腳GND即可。
雖然這三個(gè)引腳的名字和我們單片機(jī)上的串口名字一樣，但是卻不能直接和單片機(jī)對(duì)連通信，這是為什么呢?隨著我們了解的內(nèi)容越來越多，我們得慢慢知道，不是所有的電路都是5V代表高電平而0V代表低電平的。對(duì)于RS232標(biāo)準(zhǔn)來說，它是個(gè)反邏輯，也叫做負(fù)邏輯。為何叫負(fù)邏輯?它的TXD和RXD的電壓，-3V～-15V電壓代表是1，+3～+15V電壓代表是0。低電平代表的是1，而高電平代表的是0，所以稱之為負(fù)邏輯。因此電腦的9針RS232串口是不能和單片機(jī)直接連接的，需要用一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232來完成。
這個(gè)芯片就可以實(shí)現(xiàn)把標(biāo)準(zhǔn)RS232串口電平轉(zhuǎn)換成我們單片機(jī)能夠識(shí)別和承受的UART 0V/5V電平。從這里大家似乎慢慢有點(diǎn)明白了，其實(shí)RS232串口和UART串口，它們的協(xié)議類型是一樣的，只是電平標(biāo)準(zhǔn)不同而已，而MAX232這個(gè)芯片起到的就是中間人的作用，它把UART電平轉(zhuǎn)換成RS232電平，也把RS232電平轉(zhuǎn)換成UART電平，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)RS232接口和單片機(jī)UART之間的通信連接。
USB轉(zhuǎn)串口通信
隨著技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)上還有RS232串口通信的大量使用，但是商業(yè)技術(shù)的應(yīng)用上，已經(jīng)慢慢的使用USB轉(zhuǎn)UART技術(shù)取代了RS232串口，絕大多數(shù)筆記本電腦已經(jīng)沒有串口這個(gè)東西了，那我們要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和電腦之間的通信該怎么辦呢?
我們只需要在電路上添加一個(gè)USB轉(zhuǎn)串口芯片，就可以成功實(shí)現(xiàn)USB通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)UART串行通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，在我們的開發(fā)板上，我們使用的是CH340T這個(gè)芯片。
我們需要用跳線帽把中間和下邊的針短接在一起。右側(cè)的CH340T這個(gè)電路很簡單，把電源、晶振接好后，6腳和7腳的DP和DM分別接USB口的2個(gè)數(shù)據(jù)引腳上去，3腳和4腳通過跳線接到了我們單片機(jī)的TXD和RXD上去。
CH340T的電路里3腳位置加了個(gè)4148的二極管，是一個(gè)小技巧。因?yàn)镾TC89C52這個(gè)單片機(jī)下載程序時(shí)需要冷啟動(dòng)，就是先點(diǎn)下載后上電，上電瞬間單片機(jī)會(huì)先檢測需要不需要下載程序。雖然單片機(jī)的VCC是由開關(guān)來控制，但是由于CH340T的3腳是輸出引腳，如果沒有此二極管，開關(guān)后級(jí)單片機(jī)在斷電的情況下，CH340T的3腳和單片機(jī)的P3.0(即RXD)引腳連在一起，有電流會(huì)通過這個(gè)引腳流入后級(jí)電路并且給后級(jí)的電容充電，造成后級(jí)有一定幅度的電壓，這個(gè)電壓值雖然只有兩三伏左右，但是可能會(huì)影響到正常的冷啟動(dòng)。加了二極管后，一方面不影響通信，另外一個(gè)方面還可以消除這種不良影響。這個(gè)地方可以暫時(shí)作為了解，大家如果自己做這類電路，可以參考一下。
IO口模擬UART串口通信
UART串口波特率，常用的值是300、600、1200、2400、4800、9600、14400、19200、28800、38400、57600、115200等速率。IO口模擬UART串行通信程序是一個(gè)簡單的演示程序，我們使用串口調(diào)試助手下發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)加1后，再自動(dòng)返回。
串口調(diào)試助手，這里我們直接使用STC-ISP軟件自帶的串口調(diào)試助手，先把串口調(diào)試助手的使用給大家說一下，如圖11-6所示。第一步要選擇串口助手菜單，第二步選擇十六進(jìn)制顯示，第三步選擇十六進(jìn)制發(fā)送，第四步選擇COM口，這個(gè)COM口要和自己電腦設(shè)備管理器里的那個(gè)COM口一致，波特率按我們程序設(shè)定好的選擇，我們程序中讓一個(gè)數(shù)據(jù)位持續(xù)時(shí)間是1/9600秒，那這個(gè)地方選擇波特率就是選9600，校驗(yàn)位選N，數(shù)據(jù)位8，停止位1。
串口調(diào)試助手的實(shí)質(zhì)就是利用電腦上的UART通信接口，發(fā)送數(shù)據(jù)給我們的單片機(jī)，也可以把我們的單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)接收到這個(gè)調(diào)試助手界面上。
因?yàn)槌醮谓佑|通信方面的技術(shù)，所以我把后面的IO模擬串口通信程序進(jìn)行一下解釋，大家可以邊看我的解釋邊看程序，把底層原理先徹底弄懂。
變量定義部分就不用說了，直接看main主函數(shù)。首先是對(duì)通信的波特率的設(shè)定，在這里我們配置的波特率是9600，那么串口調(diào)試助手也得是9600。配置波特率的時(shí)候，我們用的是定時(shí)器T0的模式2。模式2中，不再是TH0代表高8位，TL0代表低8位了，而只有TL0在進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)TL0溢出后，不僅僅會(huì)讓TF0變1，而且還會(huì)將TH0中的內(nèi)容重新自動(dòng)裝到TL0中。這樣有一個(gè)好處，就是我們可以把想要的定時(shí)器初值提前存在TH0中，當(dāng)TL0溢出后，TH0自動(dòng)把初值就重新送入TL0了，全自動(dòng)的，不需要程序中再給TL0重新賦值了，配置方式很簡單，大家可以自己看下程序并且計(jì)算一下初值。
波特率設(shè)置好以后，打開中斷，然后等待接收串口調(diào)試助手下發(fā)的數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，首先要進(jìn)行低電平檢測while (PIN_RXD)，若沒有低電平則說明沒有數(shù)據(jù)，一旦檢測到低電平，就進(jìn)入啟動(dòng)接收函數(shù)StartRXD()。接收函數(shù)最開始啟動(dòng)半個(gè)波特率周期，初學(xué)可能這里不是很明白。大家回頭看一下我們的圖11-2里邊的串口數(shù)據(jù)示意圖，如果在數(shù)據(jù)位電平變化的時(shí)候去讀取，因?yàn)闀r(shí)序上的誤差以及信號(hào)穩(wěn)定性的問題很容易讀錯(cuò)數(shù)據(jù)，所以我們希望在信號(hào)最穩(wěn)定的時(shí)候去讀數(shù)據(jù)。除了信號(hào)變化的那個(gè)沿的位置外，其它位置都很穩(wěn)定，那么我們現(xiàn)在就約定在信號(hào)中間位置去讀取電平狀態(tài)，這樣能夠保證我們讀的一定是正確的。
一旦讀到了起始信號(hào)，我們就把當(dāng)前狀態(tài)設(shè)定成接收狀態(tài)，并且打開定時(shí)器中斷，第一次是半個(gè)周期進(jìn)入中斷后，對(duì)起始位進(jìn)行二次判斷一下，確認(rèn)一下起始位是低電平，而不是一個(gè)干擾信號(hào)。以后每經(jīng)過1/9600秒進(jìn)入一次中斷，并且把這個(gè)引腳的狀態(tài)讀到RxdBuf里邊。等待接收完畢之后，我們?cè)侔堰@個(gè)RxdBuf加1，再通過TXD引腳發(fā)送出去，同樣需要先發(fā)一位起始位，然后發(fā)8個(gè)數(shù)據(jù)位，再發(fā)結(jié)束位，發(fā)送完畢后，程序運(yùn)行到while (PIN_RXD)，等待第二輪信號(hào)接收的開始。
串口通信基本應(yīng)用
通信的三種基本類型
常見的通信傳輸方式可以分為單工通信、半雙工通信、全雙工通信。
單工通信就是只允許一個(gè)方向向另外一個(gè)方向傳送信息，而另外一方不能回傳消息。比如：電視遙控器、收音基等
半雙工通信是指數(shù)據(jù)可以在雙方之間相互傳播，但是同一時(shí)刻只能呢個(gè)其中一方發(fā)給另一方，比如：對(duì)講機(jī)
全雙工通信是指發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)也能接收數(shù)據(jù)，兩者同步進(jìn)行，就如同我們的電話一樣，我們說的同時(shí)也可以聽到對(duì)方的聲音。
uart模塊介紹
IO口模擬串口通信，讓大家了解了串口通信的本質(zhì)，但是我們的單片機(jī)程序卻需要不停的檢測掃描單片機(jī)IO口收到的數(shù)據(jù)，大量占用了單片機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。這時(shí)候就會(huì)有聰明人想了，其實(shí)我們并不是很關(guān)心通信的過程，我們只需要一個(gè)通信的結(jié)果，最終得到接收到的數(shù)據(jù)就行了。這樣我們可以在單片機(jī)內(nèi)部做一個(gè)硬件模塊，讓它自動(dòng)接收數(shù)據(jù)，接收完了，通知我們一下就可以了，我們的51單片機(jī)內(nèi)部就存在這樣一個(gè)UART模塊，要正確使用它，當(dāng)然還得先把對(duì)應(yīng)的特殊功能寄存器配置好。
51單片機(jī)的UART串口的結(jié)構(gòu)由串行口控制寄存器SCON、發(fā)送和接收電路三部分構(gòu)成，先來了解一下串口控制寄存器SCON。
SCON串行控制器的位分配(地址：0x98)
位：符號(hào)：復(fù)位值： 0：RI：0;1：TI：0;2:RB8:0;3:TB8:0;4:REN:0;5:SM2:0;6:SM1:0;7:SM0:0;
0位RI:接收中斷標(biāo)志位，當(dāng)接收電路接收到停止位的中間位置時(shí)，RI由硬件置1，必須通過軟件清零
1位TI：發(fā)送中斷標(biāo)志位，當(dāng)發(fā)送電路發(fā)送到停止位的中間位置時(shí)，TI由硬件置1，必須通過軟件清零。
2位RB8：模式2和3中接收到的第9位數(shù)據(jù)(很少用)，模式1用來接收停止位。
3位TB8：模式2和3中要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)(很少用)。
4位REN：使能串行接收。由軟件置位使能接收，軟件清零則禁止接收。
5位SM2：多機(jī)通信控制位(極少用)，模式1直接清零。
6位SM1和7位SM0：
這兩位共同決定了串口通信的模式0～模式3共4種模式。我們最常用的就是模式1，也就是SM0=0，SM1=1，下邊我們重點(diǎn)就講模式1，其它模式從略。
對(duì)于串口的四種模式，模式1是最常用的，就是我們前邊提到的1位起始位，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。下面我們就詳細(xì)介紹模式1的工作細(xì)節(jié)和使用方法，至于其它3種模式與此也是大同小異，真正遇到需要使用的時(shí)候大家再去查閱相關(guān)資料就行了。
在我們使用IO口模擬串口通信的時(shí)候，串口的波特率是使用定時(shí)器T0的中斷體現(xiàn)出來的。在硬件串口模塊中，有一個(gè)專門的波特率發(fā)生器用來控制發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的速度。對(duì)于STC89C52單片機(jī)來講，這個(gè)波特率發(fā)生器只能由定時(shí)器T1或定時(shí)器T2產(chǎn)生，而不能由定時(shí)器T0產(chǎn)生，這和我們模擬的通信是完全不同的概念。
如果用定時(shí)器2，需要配置額外的寄存器，默認(rèn)是使用定時(shí)器1的，我們本章內(nèi)容主要就使用定時(shí)器T1作為波特率發(fā)生器來講解，方式1下的波特率發(fā)生器必須使用定時(shí)器T1的模式2，也就是自動(dòng)重裝載模式，定時(shí)器的重載值計(jì)算公式為：
TH1 = TL1 = 256 - 晶振值/12 /2/16 /波特率
和波特率有關(guān)的還有一個(gè)寄存器，是一個(gè)電源管理寄存器PCON，他的最高位可以把波特率提高一倍，也就是如果寫PCON |= 0x80以后，計(jì)算公式就成了：
TH1 = TL1 = 256 - 晶振值/12 /16 /波特率
公式中數(shù)字的含義這里解釋一下，256是8位定時(shí)器的溢出值，也就是TL1的溢出值，晶振值在我們的開發(fā)板上就是11059200，12是說1個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)時(shí)鐘周期，值得關(guān)注的是這個(gè)16，我們來重點(diǎn)說明。在IO口模擬串口通信接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，采集的是這一位數(shù)據(jù)的中間位置，而實(shí)際上串口模塊比我們模擬的要復(fù)雜和精確一些。他采取的方式是把一位信號(hào)采集16次，其中第7、8、9次取出來，這三次中其中兩次如果是高電平，那么就認(rèn)定這一位數(shù)據(jù)是1，如果兩次是低電平，那么就認(rèn)定這一位是0，這樣一旦受到意外干擾讀錯(cuò)一次數(shù)據(jù)，也依然可以保證最終數(shù)據(jù)的正確性。
串口通信的發(fā)送和接收電路在物理上有2個(gè)名字相同的SBUF寄存器，它們的地址也都是0x99，但是一個(gè)用來做發(fā)送緩沖，一個(gè)用來做接收緩沖。意思就是說，有2個(gè)房間，兩個(gè)房間的門牌號(hào)是一樣的，其中一個(gè)只出人不進(jìn)人，另外一個(gè)只進(jìn)人不出人，這樣的話，我們就可以實(shí)現(xiàn)UART的全雙工通信，相互之間不會(huì)產(chǎn)生干擾。但是在邏輯上呢，我們每次只操作SBUF，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)根據(jù)對(duì)它執(zhí)行的是“讀”還是“寫”操作來選擇是接收SBUF還是發(fā)送SBUF，后邊通過程序，我們就會(huì)徹底了解這個(gè)問題。
##UART串口程序
一般情況下，我們編寫串口通信程序的基本步驟如下所示：
1、配置串口為模式1。
2、配置定時(shí)器T1為模式2，即自動(dòng)重裝模式。
3、根據(jù)波特率計(jì)算TH1和TL1的初值，如果有需要可以使用PCON進(jìn)行波特率加倍。
4、打開定時(shí)器控制寄存器TR1，讓定時(shí)器跑起來。
這里還要特別注意一下，就是在使用T1做波特率發(fā)生器的時(shí)候，千萬不要再使能T1的中斷了。
我們先來看一下由IO口模擬串口通信直接改為使用硬件UART模塊時(shí)的程序代碼，看看程序是不是簡單了很多，因?yàn)榇蟛糠值墓ぷ饔布K都替我們做了。程序功能和IO口模擬的是完全一樣的。
通信實(shí)例與ASCLL碼
先拋開我們使用的漢字不談，那么我們常用的字符就包含了0~9的數(shù)字、A~Z/a~z的字母、還有各種標(biāo)點(diǎn)符號(hào)等。那么在單片機(jī)系統(tǒng)里面我們?cè)趺磥肀硎舅鼈兡?ASCII碼(American Standard Code for Information Interchange，即美國信息互換標(biāo)準(zhǔn)代碼)可以完成這個(gè)使命：我們知道，在單片機(jī)中一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)可以有0～255共256個(gè)值，我們?nèi)∑渲械?～127共128個(gè)值賦予了它另外一層涵義
我們用字符格式發(fā)送一個(gè)小寫的a，返回一個(gè)十六進(jìn)制的0x61，數(shù)碼管上顯示的也是61，ASCII碼表里字符a對(duì)應(yīng)十進(jìn)制是97，等于十六進(jìn)制的0x61;我們?cè)儆米址袷桨l(fā)送一個(gè)數(shù)字1，返回一個(gè)十六進(jìn)制的0x31，數(shù)碼管上顯示的也是31，ASCII表里字符1對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制是49，等于十六進(jìn)制的0x31。這下大家就該清楚了：所謂的十六進(jìn)制發(fā)送和十六進(jìn)制接收，都是按字節(jié)數(shù)據(jù)的真實(shí)值進(jìn)行的;而字符格式發(fā)送和字符格式接收，是按ASCII碼表中字符形式進(jìn)行的，但它實(shí)際上最終傳輸?shù)倪是一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。這個(gè)表格，當(dāng)然不需要大家去記住，理解它，用的時(shí)候過來查就行了。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-05-19
