4.3 串口通信

2024-03-06 18:21:26

4.3 串口通信

4.3.1 通信的概念

通信一词按照传统的理解就是信息的传输与交换。

对于单片机来说，通信则与传感器、存储芯片、外围控制芯片等技术紧密结合，成为整个单片机系统的“神经中枢”；没有通信，单片机所实现的功能仅仅局限于单片机本身，就无法通过其它设备获得有用信息，也无法将自己产生的信息告诉其它设备。如果单片机通信没处理好的话，它和外围器件的合作程度就受到限制，最终整个系统也无法完成强大的功能，由此可见单片机通信技术的重要性。

 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，即通用异步收发器）串行通信是单片机最常用的一种通信技术，通常用于单片机和电脑之间以及单片机和单片机之间的通信。

4.3.2 串口通信介绍

串口通信是按照位（bit）发送和接收，串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据；这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，但其传输速度比并行传输低。

串口是计算机上一种非常通用的设备通信协议，大多数计算机（不包括笔记本电脑，主要是台式主机）包含两个基于RS-232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议。

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图4-3-1 标准RS232串口

上面图中的串行接口叫做 RS232 接口，由于现在笔记本电脑都不带这种 9 针串口了，所以和单片机通信越来越趋向于使用USB协议虚拟的串口(就是使用USB转串口协议芯片，实现串口与USB协议互转，比如：CH340)。 标准的RS232接口里，2号引脚是接收数据口RXD，3号引脚是发送数据TXD，对于 RS232 标准来说，它的TXD 和 RXD 的电压， -3V～-15V 电压代表是 1， +3～+15V 电压代表是 0。 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，单片机上的电压是TTL标准，TTL电平信号规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”。

STC90C51RC/RD+系列单片机串口通信对应的专用管脚是P3.0/RxD和P3.1/TxD，由它们组成的通信接口就叫做串行接口，简称串口。

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图4-3-1 两个单片机之间串口通信示意图

图中， GND 表示单片机系统电源的参考地， TXD 是串行发送引脚， RXD 是串行接收引脚。两个单片机之间要通信，首先电源基准得一样，所以要把两个单片机的 GND 相互连接起来，然后单片机1的TXD引脚接到单片机2 的 RXD 引脚上，即此路为单片机 1 发送而单片机 2 接收的通道，单片机 1 的 RXD 引脚接到单片机 2 的 TXD 引脚上，即此路为单片机 2 发送而单片机 1 接收的通道。这个示意图就体现了两个单片机相互收发信息的过程。

当单片机 1 想给单片机 2 发送数据时，比如发送一个 0xE4 这个数据，用二进制形式表示就是 0b11100100，在 UART 通信过程中，是低位先发，高位后发的原则，那么就让 TXD首先拉低电平，持续一段时间，发送一位 0，然后继续拉低，再持续一段时间，又发送了一位 0，然后拉高电平，持续一段时间，发了一位 1……一直到把 8 位二进制数字 0b11100100全部发送完毕。

这里就涉及到了一个问题，就是持续的这“一段时间”到底是多久？由此便引入了通信中的一个重要概念——波特率，也叫做比特率。

波特率就是发送二进制数据位的速率，习惯上用 baud 表示，即发送一位二进制数据的持续时间=1/baud。在通信之前，单片机 1 和单片机 2 首先都要明确的约定好它们之间的通信波特率，必须保持一致，收发双方才能正常实现通信。

约定好速度后，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？不管是提前接收还是延迟接收，数据都会接收错误。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，当要发送数据之前，先发一位 0 表示起始位，然后发送 8 位数据位，数据位是先低后高的顺序，数据位发完后再发一位 1 表示停止位。这样本来要发送一个字节的 8 位数据，而实际上一共发送了 10 位，多出来的两位其中一位起始位，一位停止位。而接收方，原本一直保持的高电平，一旦检测到了一位低平，那就知道了要开始准备接收数据了，接收到 8 位数据位后，然后检测到停止位，再准备下一个数据的接收。

下面图片展示了一个完整的串口数据发送接收过程:

4.3 串口通信

图4-3-2 串口数据发送示意图

4.3.3 51单片机的串口寄存器介绍

STC90C51RC/RD+系列单片机内部集成有一个功能很强的全双工串行通信口（P3.0/RxD和P3.1/TxD），与传统8051单片机的串口完全兼容。设有2个互相独立的接收、发送缓冲器，可以同时发送和接收数据。

串行通信设有4种工作方式，其中两种方式的波特率是可变的，另两种是固定的，波特率由内部定时器/计数器产生。

4种工作模式，可通过软件编程对SCON中的SM0、 SM1的设置进行选择。其中模式1、模式2和模式3为异步通信，每个发送和接收的字符都带有1个起始位和1个停止位。

发送缓冲器只能写入而不能读出，接收缓冲器只能读出而不能写入，因而两个缓冲器可以共用一个地址码（99H）。两个缓冲器统称串行通信特殊功能寄存器SBUF。

串口相关的配置寄存器如下:

4.3 串口通信

图4-3-3

完成基本串口通信主要使用的寄存器有4个：

SCON: 串行控制寄存器 (可位寻址)

PCON: 电源控制寄存器 (不可位寻址)

IE : 中断允许寄存器 (可位寻址)

SBUF: 发送/接收缓冲区(双向的)

4.3.3 串行控制寄存器SCON

串行控制寄存器SCON用于选择串行通信的工作方式和某些控制功能，其格式如下：

4.3 串口通信

图4-3-4

TI: 数据发送完成中断请求标志位，由内部硬件自动置位(TI=1)，必须用软件复位(TI=0)。

RI: 数据接收完成中断请求志位，由内部硬件置位，即RI=1，必须由软件复位，即RI=0。

SCON的所有位在复位之后全部为"0"。

REN：允许/禁止串行接收控制位。 由软件置位REN，即REN=1为允许串行接收状态，可启动串行接收器RxD，开始接收信息。软件复位REN，即REN=0，则禁止接收。

SM0/FE：当PCON寄存器中的SMOD0/PCON.6位为0时，该位和SM1一起指定串行通信的工作方式，如下表所示。

4.3 串口通信

图4-3-3

SCON寄存器主要配置串口的工作方式，启动串口的接收功能，常用的工作模式是方式1(8位UART)。

串口工作在方式1时，波特率是可变的，可变的波特由定时器/计数器1或独立波特率发生器产生。

示例:

SCON=0x50;          //设置为工作方式1,允许串口接收

4.3.3 电源控制寄存器PCON

电源控制寄存器PCON格式如下：

4.3 串口通信

图4-3-4

SMOD: 波特率选择位。当SMOD=1，则使串行通信方式1、 2、 3的波特率加倍；复位时SMOD=0。

SMOD0: 帧错误检测有效控制位，当SMOD0=0时，与SCON寄存器中的SM0/FE位一起指定串行口的工作方式。复位时SMOD0=0。

配置示例:

PCON=0x80;          //波特率加倍

4.3.4 串行口数据缓冲寄存器SBUF

STC90C51RC/RD+系列单片机的串行口缓冲寄存器(SBUF)的地址是99H，实际是2个缓冲器，写SBUF的操作完成待发送数据的加载，读SBUF的操作可获得已接收到的数据。两个操作分别对应两个不同的寄存器，1个是只写寄存器，1个是只读寄存器。

示例:

u8 Rx_Byte;
Rx_Byte = SBUF;  //接收到的数据保存到变量中
SBUF = Rx_Byte; //将变量保存的数据发送出去

4.3.5 波特率设置

4.3 串口通信

图4-3-5

4.3 串口通信

图4-3-6 

4.3 串口通信

图4-3-7 常见的波特率设置

4.3.6 配置串口实现数据收发示例(波特率不加倍)

下面代码配置串口的波特率为9600，波特率不加倍，当前运行代码的单片机晶振是: 11.059200MHZ。

单片机工作在12T模式下(在12T架构下一个机器周期是12个时钟周期，也就是 12/11059200 秒)

主函数里1秒钟向串口发送一个字符串，串口开启了接收中断，如果收到数据就原样将数据再发送出去。

波特率的配置方法，在STC芯片参考手册的串口章节有示例代码(P199)，可以参考修改。

(硬件平台说明：CPU是STC90C516RD 、晶振频率12MHZ 、工作在12T模式下、一个机器周期为1us时间)

示例代码:

#include <reg51.h>
/*串口初始化函数*/
void UART_Init(void)
{
    PCON=0x00;    //波特率不加倍
    SCON=0x50;    //配置串口工作在模式1(8位数据模式)
    EA=1;         //打开总中断
    ES=1;         //打开接收中断
    TMOD&=0x0F;   //清零T1的控制位
    TMOD|=0x20;   //配置T1为模式2 (8位自动重装载)
    TL1=TH1=256-(11059200/12/32/9600); //计算 T1 重载值 28800
    //TH1= TL1=256-(FOSC/12/32/BAUD);  //计算公式  FOSC表示晶振频率  BAUD表示波特率
    TR1=1;        //启动 T1
}
/*串口接收中断*/
void UART_IRQHandler(void) interrupt 4
{
    u8 Rx_Byte;
    if(RI)  //接收到字节
    {
        RI=0;//手动清零接收中断标志位
        Rx_Byte=SBUF;  //接收到的数据保存到变量中
        UART_SendOneByte(Rx_Byte); //再发回给电脑端
    }
}
/*发送一个字符*/
void UART_SendOneByte(u8 c)
{
    SBUF = c;
    while(TI==0){}
    TI = 0;
}
/*发送字符串*/
void UART_SendString(u8 *p)
{
    while(*p++!='\0')
    {
        UART_SendOneByte(*p);
    }
}
int main()
{
    UART_Init();
    while(1)
    {
        UART_SendString("12345欢迎学习51单片机开发.\r\n");
        DelayMs(1000);
    }
}

4.3.7 配置51单片机的串口支持printf函数

下面代码中重写了putchar函数支持了标准的printf函数，因为printf函数底层会调用putchar函数进行字节发送。Keil软件上不需要做任何其他设置。putchar函数原型在stdio.h文件中有原型声明。

如果要支持scanf函数，重写getchar函数即可。

(硬件平台说明：CPU是STC90C516RD 、晶振频率12MHZ 、工作在12T模式下、一个机器周期为1us时间)

示例代码:

#include <reg51.h>
/*串口初始化函数*/
void UART_Init(void)
{
    PCON=0x00;    //波特率不加倍
    SCON=0x50;    //配置串口工作在模式1(8位数据模式)
    //EA=1;       //打开总中断
    //ES=1;       //打开接收中断
    TMOD&=0x0F;   //清零T1的控制位
    TMOD|=0x20;   //配置T1为模式2 (8位自动重装载)
    TL1=TH1=256-(11059200/12/32/9600); //计算 T1 重载值  11956000
    //TH1= TL1=256-(FOSC/12/32/BAUD);  //计算公式  FOSC表示晶振频率  BAUD表示波特率
    TR1=1;        //启动 T1
}
/*发送一个字符*/
void UART_SendOneByte(u8 c)
{
    SBUF = c;
    while(TI==0){}
    TI = 0;
}
/*重写putchar函数为了支持printf函数*/
char putchar(char c)
{
    UART_SendOneByte(c);
    return c;
}
int main()
{
    u8 str[]="我是字符串";
    u32 data1=123456;
    float data2=123.356;
    int data3=0x12345;
    UART_Init();
    while(1)
    {
        printf("字符串:%s\r\n",str);
        printf("data1:%ld\r\n",data1); //这里的u32是typedef unsigned long u32;
        printf("data2:%f\r\n",data2);
        printf("十六进制:%#x\r\n",(int)data3);
        DelayMs(1000);
    }
}

4.3.8 配置串口实现数据收发(12M晶振、波特率加倍)

下面代码配置串口的波特率为4800，单片机晶振的频率为12MHZ。

(硬件平台说明：CPU是STC90C516RD 、晶振频率12MHZ 、工作在12T模式下、一个机器周期为1us时间)

示例代码:

#include <reg51.h>
int main()
{
    u8 key;
    UART_Init();
    while(1)
    {
        key=Array_Scan();
        if(key)
        {
            UART_SendString("12345欢迎学习51单片机开发.\r\n");
        }
    }
}
/*
串口初始化函数
单片机采用了12M的晶振
*/
void UART_Init(void)
{
    PCON=0x80;    //波特率加倍
    SCON=0x50;    //配置串口工作在模式1(8位数据模式)
    EA=1;         //打开总中断
    ES=1;         //打开接收中断
    TMOD&=0x0F;   //清零T1的控制位
    TMOD|=0x20;   //配置T1为模式2 (8位自动重装载)
    TL1=TH1=0xF3;
    //TH1=TL1=256-(FOSC/12/32/BAUD);  //计算公式  FOSC表示晶振频率  BAUD表示波特率
    TR1=1;        //启动 T1
}

/*
串口接收中断
*/
void UART_IRQHandler(void) interrupt 4
{
    u8 Rx_Byte;
    if(RI)  //接收到字节
    {
        RI=0;//手动清零接收中断标志位
        Rx_Byte=SBUF;  //接收到的数据保存到变量中
        UART_SendOneByte(Rx_Byte); //再发回给电脑端
    }
}

/*
发送一个字符
*/
void UART_SendOneByte(u8 c)
{
    SBUF = c;
    while(TI==0){}
    TI = 0;
}
/*
发送字符串
*/
void UART_SendString(u8 *p)
{
    while(*p++!='\0')
    {
        UART_SendOneByte(*p);
    }
}

/*
重写putchar函数为了支持printf函数
*/
char putchar(char c)
{
    UART_SendOneByte(c);
    return c;
}
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