单片机之串口通信

串行通信按信息的格式又可以分为异步通信和同步通信两种方式。

小白菜00

4000人浏览 · 2024-03-28 08:50:11

小白菜00 · 2024-03-28 08:50:11 发布

串口介绍

串口是一种应用十分广泛的通信接口，串口成本低，容易使用，通信线路简单，可实现两个设备的互相通信。
单片机的串口可以使单片机与单片机、单片机与电脑、单片机与各式各样的模块的相互通信，极大的拓展了单片机的应用范围，增强了单片机系统的硬实力
51单片机内部自带UART（通用异步收发器）可实现单片机的串口通信

通信的基本概念

含义：通信就是两个设备之间进行的数据传输。

并行通信和串行通信

并行通信：在同一时刻，可以传输多个bit位的信号，有多少信号位就需要多少根信号线。
串行通信：同一时刻只能传输一个bit位的信号，只需要一根信号线。

注意：

并行通信的传输速率比串行通信块，但是稳定性不如串行通信好。
并行传输要传输8位数据需要8根线，串行传输仅需要1根
并行结合传输快的特点多用于板子内部，串行多用于板子外部

同步通信和异步通信

前言：串行通信按信息的格式又可以分为异步通信和同步通信两种方式。

串行异步通信方式

理解：异步通信是指数据传送按位发送，基本以一个字符为单位，字符与字符之间的传送是完全异步的，一个字符中位与位之间的传送基本上是同步的。

注意：异步通信要求双方要有相同的传输速度（波特率）才可以通信。

串行同步通信方式

理解：同步通信是指数据传送以数据块（一组字符）为单位，字符与字符之间，字符内部的位与位之间都同步。（时钟同步）

注意：同步通信过程中双方都要有时钟引脚，双方的2个时钟clk引脚是连在一起的，通信时由主机传送时钟信号提供同步脉冲，双方要根据这个时钟信号来确定发送或接收每个位，确保数据传输时完全同步。

通信协议

前言：沟通的双方需要遵守一套既定的规则，这就是通信的协议。

硬件层协议：硬件层面是指设备的物理结构和接口，包括了连接线、接口类型、信号电平等。这些因素决定了设备之间如何进行物理连接，以及如何传输和接收数据。
软件层协议：软件层面是指设备上的操作系统和应用程序规范，它们负责管理和控制设备的硬件资源，以及实现与其他设备的通信。

注意：

硬件层协议和软件协议之间要相互配合工作；比如要使用Motobus RTU协议，那硬件接口就要使用RS232或者485等。
单片机与计算机两边设备通信协议不统一，一边是USB，另一边UART；这样就不能直接对接因此需要加上CH340芯片进行翻译
CH340的作用就是把计算机传到USB口的数据信号通过一定的转换传到单片机UART串口的TXD和RXD引脚；如此单片机的CPU就能解读计算机传过来的数据了

单片机常见通信接口

注意：

此外还有CAN、USB等接口。
同步传输的都带有时钟信号线，SCL、SCLK

串行通信三种模式

单工通信：在一个信道内信号只能往一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传输方向
半双工：在一个信道内信号可以双向传输，但必须是交替进行，同一个时间只能往一个方向传输
全双工：一个信道同一时间允许双向进行数据的传输

注意：MCS-51单片机具有一个异步全双工UART串口，可以同时发送、接受数据，发送，接收数据可通过查询或中断方式处理，使用十分灵活。

串口参数

波特率：串口通信的速度（发送和接收各数据位的间隔时间）
检验位：用于数据验证
停止位：用于数据帧间隔

注意：

9位数据格式中，最后一位为校检位。
串口通信为串行通信，也就是数据位是一个个的发出去，先发低位后发高位（若有校验位也会发校检位），最后跟个停止位

传输速度

波特率：单位时间内传输了多少码元；单片机中采用二进制码元，因此码元就是0或1，所以可以理解——波特率是指串行通信中，单位时间内传输了多少二进制位数，单位bps。
比特率：每秒传输了多少二进制位数
码元：数据传输过程中等时出现的符号
在单片机中，波特率和比特率代表的意义相同，但在其他领域不一定相同。

波特率（bps）=一个字符的二进制位数*字符个数/秒

总结：

每秒传送200个字符，每个字符1位起始位，8个数据位，1个校检位和1个停止位。则波特率为2200bps。
波特率越大，传输速度越快；但是每个芯片都有它能运行的最大波特率，超过了则反应不过来。所以对于同一个芯片，其波特率越大传输速度越快，但是也使得传错率增大。

串口的连接

简单双向串口通信有两根通信线（发送端TXD和接收端RXD）
TXD和RXD要交叉连接
当只需要单向数据传输时，可以直接一根通信线
当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片

注意：我们的电脑与单片机的通信就是通过串口，UTX为电脑的发送串口，应连接到单片机的RXD串口（P3.0）；URX微电脑的接收串口，应连接在单片机的TXD串口（P3.1）

电平标准

含义：电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系，串口常用的电平标准有以下三种。

TTL电平：+5V表示1，0V表示0；（单片机使用）
RS232电平：-3—— -15V表示1，+3——+15V表示0；
RS485电平：两线压差+2——+6V表示1，-2—— -6V表示0（差分信号）

串行口的组成

MCS-51单片机串行口主要由发送数据寄存器、发送控制器、输出控制门、接收数据寄存器、接收控制器、输入移位寄存器组成。
从用户使用的角度，它由三个特殊功能寄存器组成：发送数据寄存器和接收数据寄存器合起用一个特殊功能寄存器SBUF（串行口数据寄存器）串行口控制寄存器SCON和电源控制寄存器PCON

串口数据缓冲寄存器

SBUF：物理上是两个独立的8位寄存器（读和写有各自的缓冲寄存器），但是占用相同的地址。写操作时，写入的是发送寄存器，读操作时，读出的是接收寄存器（两者不会冲突）。

串行口控制寄存器

SM0和SM1：串行口工作方式选择位，用于选择4种工作方式。
SM2：用于多机通信，当需要多机通信时，该标志位置一
REN：是否允许单片机进行接收，当需要单片机进行接收时，该位置1否则置0
TB8和RB8分别表示发送和接受的第九位，当我们配置方式2和方式3的这种工作方式时，我们需要配置该位
TI和RI为发送和接受的中断标志位，TI为发送标志位，RI为接收标志位（这两位不会自动清零，需要我们手动清零）

串口工作方式

方式0：称为同步移位寄存器方式，一般用于外接移位寄存器芯片扩展IO接口
方式1：8位异步通信方式，通常用于双机通信
方式2和方式3：9位的异步通信方式，通常用于多机通信

电源控制寄存器

注意：当SMOD位为1时，波特率加倍。

单片机内部串口模式图

理解：单片机与电脑发送异步串口数据的时候，需要规定发送和接受的速度，也就是波特率，电脑可以通过串口助手设定波特率，而单片机设定波特率就需要设定T1；相对于单片机来说，它发送数据首先要将数据写入SBUF中，当发送完成后TI会置1，引发串口中断进而执行对应的操作；当单片机接收外部发送的数据，那么就会先将外部数据缓存至SBUF中，当接收完成后RI位会置1引发接收中断，进而我们可以在接收中断函数中读取SBUF的接收内容。

注意：

TI：表示发送是否完成标志位，当TI=1时表示发送完成，TI=0时表示还未发送
RI：表示接收是否完成标志位，当RI=1时表示接收完成，RI=0时表示还未接收
当发送或接收完成后，若中断允许标志位打开，则会发送串口中断请求进入中断服务
TI和RI这两个标志位需要手动清零

波特率发生器

前言：异步通信没有统一的时钟信号保证同步，那么为了确保数据传输正确；要求通信双方的波特率（传输速度）设置必须相同。计算机的串口调试助手可以很简单的设置波特率，但是单片机也需要用相同的波特率进而保证数据传输的正确。

51提供了一个专门的波特率发生器——T1；我们想要使用9600的波特率就是想串口在传输数据的时候每1/9600s能接收或发送一位二进制数；因此只需要每1/9600s告诉串口一下要接收或发送数据；波特率发生器就可以根据我们设置的时间进行提示；我们进而可以根据1/9600s来设置T1的初值；然后启动TR1按照定时器的工作原理，他将在每次定时时间到的时候溢出进而实现了波特率发生器的功能。

注意：

51默认的波特率发生器就是定时器T1，而且必须使用工作方式2（因为其具有重置初值的功能，给T1赋予了波特率发生器的功能，那么他就具有了溢出后通知串口的功能，且能自动清除溢出标志位）
编程时不能开启T1的中断，也不用编写T1的中断服务程序（需要开启串口中断，编写串口中断程序）

T1初值的设定

若我们想要使用9600的波特率，首先我们看UART结构图，我们想要使用的波特率他还会进行分频（/2和/16）因此我们想要使用9600波特率，我们需要以9600*2*16的波特率（307200）来算，那么我们就希望每1/307200s初值寄存器溢出一次；因为我们必须用T1的方式2，所以初值为256-1000000/307200/（12/fosc）

fosc采用11.0592MHz的原因

总结：由此我们可以看到，若11.0592MHz频率的晶振可以获得比较精确的9600波特率；而12MHz频率的晶振就有偏差；因此计算机用9600波特率和单片机串口通信就会有传错率。

晶振频率和波特率初值对照表

串行口的初始化编程

串行口控制寄存器SCON位的确定

根据工作方式确定SM0、SM1位
方式2和方式3确定SM2位
若是接收端，则置允许接收位REN为1
方式2和方式3发送数据，则应将发送数据的第九位写入TB8中

设置波特率

方式0：不需要对波特率进行设置
方式2：设置波特率仅需对PCON中的SMOD位进行设置
方式1和方式3，设置初值

开启中断以及波特率发生器

执行中断程序

串口通信案例

前言：

需求：利用串口助手发送数据的方式，控制P2各个LED灯的亮灭，同时在串口助手展示向单片机发送的数据。
显示接收和发送两个部分，接收采用接收中断的行式来接收数据，当接收到数据以后我们将接收到的数据发回到上位机。
电脑和单片机的波特率调成9600MHz，选对对应的串口，当进行调试时打开串口。
因为SBUF是8位寄存器所以一次只能发送一个字节，若要发送多个字节那么只需要逐个发送即可

keil文件

#include <regx52.h>
unsigned char dat=0,flag=0;
void initscon(){
	SCON=0x50; //8位异步通信方式，允许接收数据
	TMOD=0x20; //配置波特率发生器T1，工作方式为2
	TH1=0xFD; //重置TL1
	TL1=0xFD; //设置初值（晶振：12MHz；波特率：9600bps）
	ES=1;	//开启串口中断
	EA=1;	//开启总中断
	TR1=1;	//打开波特率发生器T1
}
void main(){
	initscon();
	while(1){
	if(flag){
		SBUF=dat; //向串口助手发送数据
		flag=0;
	}
	}
}
void scon_isr() interrupt 4
{
	if(TI){
		TI=0; //数据发送完清TI
	}
	if(RI){
		RI=0;
		dat=SBUF;	//接收串口助手发送的值
		switch(dat){
			case 1:P2_0=~P2_0;break;
			case 2:P2_1=~P2_1;break;
			case 3:P2_2=~P2_2;break;
			case 4:P2_3=~P2_3;break;
			case 5:P2_4=~P2_4;break;
			case 6:P2_5=~P2_5;break;
			case 7:P2_6=~P2_6;break;
			case 8:P2_7=~P2_7;break;
			default:P2=0xff;
		}
		flag=1;
	}
}