十一、51单片机之串口通信

1、通信的关键

(1)事先约定。通信之前规定好的，如通信速率，起始信号，结束信号等。

(2)通信传输的基本信息单元。

(3)信息的编码、传输、解码。

2、通信相关的概念

2.1、同步和异步

(1)同步通信要求接收端时钟频率与发送端时钟频率一致，发送端发送连续比特流；

(2)异步通信时，接收端时钟和发送端时钟不需要同步。发送端发送一个字节后，下一个字节可以在任何长时间内发送。

2.2、单工、半双工、全双工

(1)单工即数据传输只在一个方向上传输，方向是固定的，不能实现双向通信。

(2)半双工传输方向可以切换，允许数据在两个方向上传输。但是某个时刻，只允许数据在一个方向上传输，可以基本双向通信。像RS485属于半双工通讯。

(3)全双工允许数据同时在两个方向传输，发送和接收完全独立，在发送的同时可以接收信号，或者在接收的同时可以发送。它要求发送和接收设备都要有独立的发送和接收能力。

比如RS232、RS422就属于全双工通讯。

2.3、并行和串行

(1)并行通信：同一时刻，可以传输多个bit位的信号，有多少个信号位就需要多少根信号线。

(2)串行通讯：同一时刻，只能传输一个bit位的信号，只需要一根信号线。

2.4、电平信号和差分信号

(1)电平信号的传输线中有一个参考电平线(一般是GND)，然后信号线上的信号值是由信号线电平和参考电平线的电压差决定。

(2)差分信号的传输线中没有参考电平线，所有都是信号线，然后1和0的表达靠信号线之间的电压差。

(3)电平信号的2根通信线之间的电平差异容易受到干扰，传输容易失败；差分信号不容易受到干扰，因此传输质量比较稳定。现代通信一般都使用差分信号，电平信号几乎没有了。

3、串口通信

3.1、串口通信基础

(1)一种特定的通信协议

(2)别名：串行通信、串口通信、UART、USART。

(3)特点：异步、串行、全双工。

3.2、串口通信主要用途

(1)早期：计算机之间的短距离通信(15米内)，早期是一种完备的通信机制。

(2)现在：CPU之间的近距离通信、调试信息的输出，单片机串口与外围元件之间的通信。单片机上的串口一般是非完备通信机制。

3.3、串口通信的工作方式

(1)一般是四根线，VCC、GND、RxD(接收线)、TxD(发送线)。receive接收、transmit发送。

(2)发送方有发送移位寄存器，接收方有接收移位寄存器。

(3)数据在发送方和接收方的CPU中都以字节为单位整字节处理。

(4)数据在通信线上以位(bit)为单位传输。

3.4、串行通信的主要概念

(1)数据帧：用于表示一段完整的数据信息。串口中一帧数据包括：起始位、数据位、校验位、停止位。

(2)波特率：指一个单位时间内传输符号的个数。发送方和接收方必须波特率设置为一样。

4、串口发送接收的软硬件协作方式

(1)查询方式。例如发送:

硬件在发送完一帧数据后会将一个标志位置位（标志位本来是0），软件需要不断读取这个标志位的值来判断硬件是否完成了发送，如果读出来是0就表示硬件没有完成发送，所以我们就不能认为硬件发完了，所以就不能给硬件安排下一帧数据的发送；如果读出来的是1则说明硬件已经发完了上一帧数据，这时候软件就应该给硬件再给一帧数据去发送。

(2)中断方式。

查询方式处理的劣势是CPU必须一直守着串口发送，在串口发送完所有字节之前CPU不能离开去做别的事情，这对CPU来说是极大的浪费（因此CPU的速度比串口发送的速度快多了）。因此用中断方式来处理串口发送接收是非常合适的，可以提升CPU使用率。

(3)一般情况下，发送采用查询方式，接收采用中断方式。

发送查询：虽然采用中断可以提高效率，但比较麻烦。

中断接收：因为不知道发送端会什么时候发送数据，因此只能采用中断接收。

5、串行通信相关的寄存器

详情参考数据手册，采用单片机为STC89C516。

(1)SCON，串行口控制寄存器。

(2)SBUF，串行口数据缓冲寄存器。

(3)PCON，电源控制寄存器。

(4)IE，中断允许寄存器。

(5)IPH，中断优先级控制寄存器高

(6)IP，中断优先级控制寄存器。

(7)SADER，从机地址掩模寄存器。

(8)SADDR，从机地址寄存器。

6、串口通信硬件接线

6.1、接线分析

(1)将电脑与51单片机通过串口线连接起来。

(2)现在的电脑上一般没有串口，所以电脑需要安装USB转串口驱动。

常见的USB转串口驱动：CH340、CP210x。

(3)51单片机使用TTL电平。

6.2、接线方法

(1)使用TTL接口的USB转串口线：USB端接电脑，另一端接单片机的TxD、RxD、GND。

(2)使用板载CH340：单片机程序下载USB口与电脑USB口相连。

7、串口调试软件简介

(1)RTS、DTR为流控相关，现在已经用不到，不用勾选。

(2)数据位(Data bits)一般选择8位，停止位(Stop bits)选择1位，奇偶校验(Parity)无，流控制(Flow control)无。

(3)一个串口号只能被一个串口软件打开。

8、示例代码

(1)单片机为STC89C516.

(2)代码可参考STC-ISP软件。

(3)代码

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>


/*函数声明*/
void Delay500ms();                   		 //@12.000MH
void UartInit(void);                     //串口初始化函数
void UartSendByte(unsigned char Dat);    //通过串口发送一个字节数据     
void UartSendString(unsigned char *str); //通过串口发送字符串


void main(void)
{
	UartInit();		                        //串口初始化
	while(1)
	{
		//UartSendByte('D');
		UartSendString("Hello World\r\n");   //编译器会自动在字符串末尾添加'\0',英文是ASCALL码,一个字符8bit
		//UartSendString("知行统一\r\n");     //发送中文和串口无关，编译器会转换成相应编码，一个中文16bit
		//Delay500ms();
	}
}


void Delay500ms()		//@12.000MHz
{
	unsigned char i, j, k;

	_nop_();
	i = 4;
	j = 205;
	k = 187;
	do
	{
		do
		{
			while (--k);
		} while (--j);
	} while (--i);
}


/*
 *功能:串口初始化函数,8数据位，1停止位，无校验位，波特率4800
 *参数:无
 *返回值:无
 */
void UartInit(void)
{
	SCON = 0x50;  //串口工作在模式1，8位数据位，允许串行接收
	PCON = 0x80;  //波特率加倍
	TMOD = 0x20;  //设置T1为模式2 
	TH1 = 243;    //波特率4800	,TH1 = 晶振频率/12/32/波特率
	TL1 = 243;    //8位自动重装，意识是TH1用完了之后下一个周期TL1会自动重装到TH1去。
	TR1 = 1;      //开启定时器1
	ES = 1;       //打开串口中断
	EA = 1;       //打开总中断
}


/*
 *功能:通过串口发送一个字节数据
 *参数:需要发送的内容
 *返回值:无
 */
void UartSendByte(unsigned char Dat)
{
	SBUF = Dat;      //准备好需要发送的一个字节
	while(TI == 0);  //确认串口发送没有再忙，while循环需要加超时判断
	TI = 0;			 //软件复位TI标志位
}


/*
 *功能:通过串口发送字符串
 *参数:待发送的字符串
 *返回值:无
 */
void UartSendString(unsigned char *str)
{
	while(*str != '\0')      //等待字符串发完*/
	{
		UartSendByte(*str);  //发送一个字符
		str++;               //指针指向下一个字符
	}
}


/*
 *功能:串口中断接收函数
 *参数:无
 *返回值:无
 *注意:中断函数通过中断编号识别，中断编号可通过查数据手册得到
 */
void Uart_Isr() interrupt 4 
{
	unsigned char ReceiveBit;
	if(RI == 1)
	{
		ReceiveBit = SBUF;		      //读取SBUF,读取串口接收到的一个字节
		RI = 0;
	}
	UartSendByte(ReceiveBit);		  //接收到的内容原封不动发回去
}