深入理解51单片机串口通信 -

标题: 深入理解51单片机串口通信 [打印本页]

作者: 莲蓬16 时间: 2018-9-16 20:53
标题: 深入理解51单片机串口通信
通信分为并行通信和串行通信，并行通信时的数据各个位同时传送，可以实现字节为单位通信，但通信线多占用资源，成本高。以前用到的的P1=0x55,一次给P1口的8个管脚分别赋值，同时进行信号输出，类似于8个车道可以过去8辆车，这样的形式是并行的，一般称P0,P1,P2,P3为51单片机的4组并行总线。
串行通信，就是一个车道，一个只能通过一辆车，如果一个0x55这样一个字节的数据要传输过去的话，假如低位在前，高位在后的话，那发送方式是：0-1-0-1-0-1-0-1，一位一位的进行传输，要发送8次才能发送完一个字节
STC89C52有两个引脚是专门用来做串口通信的，一个是P3.0（RXD），一个是P3.1（TXD），他们组成的通信接口就是串行接口，简称串口。用于两个单片机进行UART通信。两单片机通信接口连接方式：RXD——TXD，TXD——RXD。
单片机1的TXD发送通道接到单片机2的RXD接收通道，单片机的1的RXD接收通道接到单片机2的TXD发送通道，从而实现相互通信。
当单片机1想给单片机2发送数据，比如发送了0xCE，用二进制表示就是11001110，在串口通信过程中，是低位先发，高位后发的原则，那么就是让TXD首先拉低电平，持续一段时间，发送一位0，然后拉高电平，持续一段时间，发送一位1，继续拉高，在持续一段时间，发送一位1，一直把8位二进制数11001110全部发送完毕，这里涉及到一个问题，就是持续的一个时间段时间“到底是多少”。因而便引入通信中非常重要的一个概念波特率，也叫做比特率。

波特率

波特率就是发送二进制数据位的速率，习惯用baud表示，即我们发送一位二进制数据持续的时间=1/baud。在通信之前，单片机1和单片机2首先都要明确约定好他们之间的通信波特率，必须保持一致，收发双方才能正常通信。
约定好速度之后，我们还要考虑第二个问题，数据什么时候是起始，什么时候是结束？提前和延迟结束都会接收错误。在uart通信的时候，一个字节是8位，规定当没有通信信号发生时，通信线路保持高电平，当数据发送前，先发一位0表示起始位，然后发送8位数据位，数据位是先低再高，数位位发送完后才呢个后再发送一位1表示停止位，这样我们要发送的8位数据，实际上我们发送了10位，多出来两位其中一个是起始位，一个是停止位。而接受方一直保持的高电平，一旦检测到一位低电平，准备开始接受数据，接受8位数据后，然后检测停止位，再准备下一个数据接收。串口数据发送示意图，实际上是一个时域示意图，就是信号随着时间变化的对应关系。比如在单片机的发送引脚上，左边的是先发生的，右边的是后发生的，数据位的切换时间就是波特率分之一秒，如果能够理解时域的概念，后边很多通信的时序图就很容易理解了。

RS232

在我们电脑上，一般都会有一个9针的串行接口，这个串行接口叫做RS232接口，它和UART通信有关联，但是由于现在笔记本电脑不带9针串口，所以和单片机通信越来越趋于使用USB虚拟串口。
九针串口分工头和母头
公头上5下4，上5从左到右为1.2.3.4.5；下4从左到右为6.7.8.9；
母头上5下4，上5从左到右为5.4.3.2.1；下4从左到右为9.8.7.6；
RS232接口一共有9个引脚，分别定义是：1、载波检测DCD；2、接收数据RXD；3、发送数据TXD；4、数据终端准备好DTR；5、信号地线SG；6、数据准备好DSR；7、请求发送RTS；8、清除发送CTS；9、振铃提示RI。我们要让这个串口和我们单片机进行通信，我们只需要关心其中的2脚RXD、3脚TXD和5脚GND即可
虽然这三个引脚的名字和我们单片机上的串口名字一样，但是却不能直接和单片机对连通信，这是为什么呢？随着我们了解的内容越来越多，我们得慢慢知道，不是所有的电路都是5V代表高电平而0V代表低电平的。对于RS232标准来说，它是个反逻辑，也叫做负逻辑。为何叫负逻辑？它的TXD和RXD的电压，-3V～-15V电压代表是1，+3～+15V电压代表是0。低电平代表的是1，而高电平代表的是0，所以称之为负逻辑。因此电脑的9针RS232串口是不能和单片机直接连接的，需要用一个电平转换芯片MAX232来完成
这个芯片就可以实现把标准RS232串口电平转换成我们单片机能够识别和承受的UART 0V/5V电平。从这里大家似乎慢慢有点明白了，其实RS232串口和UART串口，它们的协议类型是一样的，只是电平标准不同而已，而MAX232这个芯片起到的就是中间人的作用，它把UART电平转换成RS232电平，也把RS232电平转换成UART电平，从而实现标准RS232接口和单片机UART之间的通信连接。

USB转串口通信

随着技术的发展，工业上还有RS232串口通信的大量使用，但是商业技术的应用上，已经慢慢的使用USB转UART技术取代了RS232串口，绝大多数笔记本电脑已经没有串口这个东西了，那我们要实现单片机和电脑之间的通信该怎么办呢？
们只需要在电路上添加一个USB转串口芯片，就可以成功实现USB通信协议和标准UART串行通信协议的转换，在我们的开发板上，我们使用的是CH340T这个芯片
我们需要用跳线帽把中间和下边的针短接在一起。右侧的CH340T这个电路很简单，把电源、晶振接好后，6脚和7脚的DP和DM分别接USB口的2个数据引脚上去，3脚和4脚通过跳线接到了我们单片机的TXD和RXD上去。
CH340T的电路里3脚位置加了个4148的二极管，是一个小技巧。因为STC89C52这个单片机下载程序时需要冷启动，就是先点下载后上电，上电瞬间单片机会先检测需要不需要下载程序。虽然单片机的VCC是由开关来控制，但是由于CH340T的3脚是输出引脚，如果没有此二极管，开关后级单片机在断电的情况下，CH340T的3脚和单片机的P3.0（即RXD）引脚连在一起，有电流会通过这个引脚流入后级电路并且给后级的电容充电，造成后级有一定幅度的电压，这个电压值虽然只有两三伏左右，但是可能会影响到正常的冷启动。加了二极管后，一方面不影响通信，另外一个方面还可以消除这种不良影响。这个地方可以暂时作为了解，大家如果自己做这类电路，可以参考一下。

IO口模拟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口模拟UART串行通信程序是一个简单的演示程序，我们使用串口调试助手下发一个数据，数据加1后，再自动返回。
串口调试助手，这里我们直接使用STC-ISP软件自带的串口调试助手，先把串口调试助手的使用给大家说一下，如图11-6所示。第一步要选择串口助手菜单，第二步选择十六进制显示，第三步选择十六进制发送，第四步选择COM口，这个COM口要和自己电脑设备管理器里的那个COM口一致，波特率按我们程序设定好的选择，我们程序中让一个数据位持续时间是1/9600秒，那这个地方选择波特率就是选9600，校验位选N，数据位8，停止位1。
串口调试助手的实质就是利用电脑上的UART通信接口，发送数据给我们的单片机，也可以把我们的单片机发送的数据接收到这个调试助手界面上。
因为初次接触通信方面的技术，所以我把后面的IO模拟串口通信程序进行一下解释，大家可以边看我的解释边看程序，把底层原理先彻底弄懂。
变量定义部分就不用说了，直接看main主函数。首先是对通信的波特率的设定，在这里我们配置的波特率是9600，那么串口调试助手也得是9600。配置波特率的时候，我们用的是定时器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在进行计数，当TL0溢出后，不仅仅会让TF0变1，而且还会将TH0中的内容重新自动装到TL0中。这样有一个好处，就是我们可以把想要的定时器初值提前存在TH0中，当TL0溢出后，TH0自动把初值就重新送入TL0了，全自动的，不需要程序中再给TL0重新赋值了，配置方式很简单，大家可以自己看下程序并且计算一下初值。
波特率设置好以后，打开中断，然后等待接收串口调试助手下发的数据。接收数据的时候，首先要进行低电平检测while (PIN_RXD)，若没有低电平则说明没有数据，一旦检测到低电平，就进入启动接收函数StartRXD()。接收函数最开始启动半个波特率周期，初学可能这里不是很明白。大家回头看一下我们的图11-2里边的串口数据示意图，如果在数据位电平变化的时候去读取，因为时序上的误差以及信号稳定性的问题很容易读错数据，所以我们希望在信号最稳定的时候去读数据。除了信号变化的那个沿的位置外，其它位置都很稳定，那么我们现在就约定在信号中间位置去读取电平状态，这样能够保证我们读的一定是正确的。
一旦读到了起始信号，我们就把当前状态设定成接收状态，并且打开定时器中断，第一次是半个周期进入中断后，对起始位进行二次判断一下，确认一下起始位是低电平，而不是一个干扰信号。以后每经过1/9600秒进入一次中断，并且把这个引脚的状态读到RxdBuf里边。等待接收完毕之后，我们再把这个RxdBuf加1，再通过TXD引脚发送出去，同样需要先发一位起始位，然后发8个数据位，再发结束位，发送完毕后，程序运行到while (PIN_RXD)，等待第二轮信号接收的开始。

串口通信基本应用通信的三种基本类型

常见的通信传输方式可以分为单工通信、半双工通信、全双工通信。
单工通信就是只允许一个方向向另外一个方向传送信息，而另外一方不能回传消息。比如：电视遥控器、收音基等
半双工通信是指数据可以在双方之间相互传播，但是同一时刻只能呢个其中一方发给另一方，比如：对讲机
全双工通信是指发送数据同时也能接收数据，两者同步进行，就如同我们的电话一样，我们说的同时也可以听到对方的声音。

uart模块介绍
IO口模拟串口通信，让大家了解了串口通信的本质，但是我们的单片机程序却需要不停的检测扫描单片机IO口收到的数据，大量占用了单片机的运行时间。这时候就会有聪明人想了，其实我们并不是很关心通信的过程，我们只需要一个通信的结果，最终得到接收到的数据就行了。这样我们可以在单片机内部做一个硬件模块，让它自动接收数据，接收完了，通知我们一下就可以了，我们的51单片机内部就存在这样一个UART模块，要正确使用它，当然还得先把对应的特殊功能寄存器配置好。
51单片机的UART串口的结构由串行口控制寄存器SCON、发送和接收电路三部分构成，先来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：符号：复位值： 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:接收中断标志位，当接收电路接收到停止位的中间位置时，RI由硬件置1，必须通过软件清零
1位TI：发送中断标志位，当发送电路发送到停止位的中间位置时，TI由硬件置1，必须通过软件清零。
2位RB8：模式2和3中接收到的第9位数据（很少用），模式1用来接收停止位。
3位TB8：模式2和3中要发送的第9位数据（很少用）。
4位REN：使能串行接收。由软件置位使能接收，软件清零则禁止接收。
5位SM2：多机通信控制位（极少用），模式1直接清零。
6位SM1和7位SM0：
这两位共同决定了串口通信的模式0～模式3共4种模式。我们最常用的就是模式1，也就是SM0=0，SM1=1，下边我们重点就讲模式1，其它模式从略。
对于串口的四种模式，模式1是最常用的，就是我们前边提到的1位起始位，8位数据位和1位停止位。下面我们就详细介绍模式1的工作细节和使用方法，至于其它3种模式与此也是大同小异，真正遇到需要使用的时候大家再去查阅相关资料就行了。
在我们使用IO口模拟串口通信的时候，串口的波特率是使用定时器T0的中断体现出来的。在硬件串口模块中，有一个专门的波特率发生器用来控制发送和接收数据的速度。对于STC89C52单片机来讲，这个波特率发生器只能由定时器T1或定时器T2产生，而不能由定时器T0产生，这和我们模拟的通信是完全不同的概念。
如果用定时器2，需要配置额外的寄存器，默认是使用定时器1的，我们本章内容主要就使用定时器T1作为波特率发生器来讲解，方式1下的波特率发生器必须使用定时器T1的模式2，也就是自动重装载模式，定时器的重载值计算公式为：
TH1 = TL1 = 256 - 晶振值/12 /2/16 /波特率
和波特率有关的还有一个寄存器，是一个电源管理寄存器PCON，他的最高位可以把波特率提高一倍，也就是如果写PCON |= 0x80以后，计算公式就成了：
TH1 = TL1 = 256 - 晶振值/12 /16 /波特率
公式中数字的含义这里解释一下，256是8位定时器的溢出值，也就是TL1的溢出值，晶振值在我们的开发板上就是11059200，12是说1个机器周期等于12个时钟周期，值得关注的是这个16，我们来重点说明。在IO口模拟串口通信接收数据的时候，采集的是这一位数据的中间位置，而实际上串口模块比我们模拟的要复杂和精确一些。他采取的方式是把一位信号采集16次，其中第7、8、9次取出来，这三次中其中两次如果是高电平，那么就认定这一位数据是1，如果两次是低电平，那么就认定这一位是0，这样一旦受到意外干扰读错一次数据，也依然可以保证最终数据的正确性。
串口通信的发送和接收电路在物理上有2个名字相同的SBUF寄存器，它们的地址也都是0x99，但是一个用来做发送缓冲，一个用来做接收缓冲。意思就是说，有2个房间，两个房间的门牌号是一样的，其中一个只出人不进人，另外一个只进人不出人，这样的话，我们就可以实现UART的全双工通信，相互之间不会产生干扰。但是在逻辑上呢，我们每次只操作SBUF，单片机会自动根据对它执行的是“读”还是“写”操作来选择是接收SBUF还是发送SBUF，后边通过程序，我们就会彻底了解这个问题。
##UART串口程序
一般情况下，我们编写串口通信程序的基本步骤如下所示：
1、配置串口为模式1。
2、配置定时器T1为模式2，即自动重装模式。
3、根据波特率计算TH1和TL1的初值，如果有需要可以使用PCON进行波特率加倍。
4、打开定时器控制寄存器TR1，让定时器跑起来。
这里还要特别注意一下，就是在使用T1做波特率发生器的时候，千万不要再使能T1的中断了。
我们先来看一下由IO口模拟串口通信直接改为使用硬件UART模块时的程序代码，看看程序是不是简单了很多，因为大部分的工作硬件模块都替我们做了。程序功能和IO口模拟的是完全一样的。

通信实例与ASCLL码
先抛开我们使用的汉字不谈，那么我们常用的字符就包含了0~9的数字、A~Z/a~z的字母、还有各种标点符号等。那么在单片机系统里面我们怎么来表示它们呢？ASCII码（American Standard Code for Information Interchange，即美国信息互换标准代码）可以完成这个使命：我们知道，在单片机中一个字节的数据可以有0～255共256个值，我们取其中的0～127共128个值赋予了它另外一层涵义
我们用字符格式发送一个小写的a，返回一个十六进制的0x61，数码管上显示的也是61，ASCII码表里字符a对应十进制是97，等于十六进制的0x61；我们再用字符格式发送一个数字1，返回一个十六进制的0x31，数码管上显示的也是31，ASCII表里字符1对应的十进制是49，等于十六进制的0x31。这下大家就该清楚了：所谓的十六进制发送和十六进制接收，都是按字节数据的真实值进行的；而字符格式发送和字符格式接收，是按ASCII码表中字符形式进行的，但它实际上最终传输的还是一个字节数据。这个表格，当然不需要大家去记住，理解它，用的时候过来查就行了。

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