普中51单片机：串口通信原理与应用指南（八）

07-16 405阅读

文章目录

引言
接口及引脚定义
硬件电路
电平标准
常见通信接口比较
51单片机的UART

工作模式
串口参数及时序图

波特率（Baud Rate）
数据位（Data Bits）
校验位（Parity Bit）
串口相关寄存器

串口控制寄存器SCON
电源控制寄存器PCON
串口数据缓冲寄存器SBUF
中断产生流程
如何计算波特率
串口初始化步骤
代码演示——单片机发送数据

效果示例

代码演示——接收数据控制LED

引言

串口是一种应用十分广泛的通讯接口，具有成本低、使用简便、通信线路简单等优点，可以实现两个设备之间的互相通信。51单片机内部自带UART（通用异步收发器），可实现单片机与其他设备的串口通信，从而极大地扩展了单片机的应用范围。

接口及引脚定义

在电脑端和单片机通信时可以使用USB转串口，串口的标准接口是DB9接口，DB9接口通常用于连接计算机设备的串行端口。在计算机的串行端口上使用RS232协议进行数据传输时，需要利用DB9接头来进行连接。

进一步了解串口UART和RS232通信协议：

浅谈串口UART通信原理

RS232与RS485串行通信协议详解

硬件电路

简单双向串口通信只需两根通信线（发送端TXD和接收端RXD），发送端与接收端交叉连接即可。当只需单向的数据传输时，可以直接用一根通信线；当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片。

如果设备1和设备2都有独立电源进行供电，那么只需要三根线即可：TXD、RXD、GND。

电平标准

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如下三种：

TTL电平：+2.4V到+5V表示1，0V到0.8V表示0。
RS232电平：+5V到+15V表示0，-5V到-15V表示1
RS485电平：两线间的电压差为-2V到-6V表示0；两线间的电压差为+2V到+6V表示1（差分信号）。

这里只对电平标准简单描述，上面提供的两个博客链接，提供了详细说明。

常见通信接口比较

名称	引脚定义	通信方式	特点
UART	TXD、RXD	全双工、异步	点对点通信
IIC	SCL、SDA	半双工、同步	可挂在多个设备
SPI	SCLK、MOSI、MISO、CS	全双工、同步	可挂在多个设备
1-Wire	DQ	半双工、异步	可挂在多个设备

此外还有：CAN、USB等。

CAN：一种多主网络通信协议，主要用于汽车和工业环境中，以实现电子控制单元(ECU)之间的通信。它是一个局域网，允许多个设备共享同一通信线路。
USB：一种广泛使用的串行通信协议，主要用于计算机和各种外设之间的连接和数据传输。
51单片机的UART

博主所使用的是STC89C51RC/RD+系列，此单片机内部集成有一个功能很强的全双工串行通信口,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。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。
- 发送缓冲器：用于暂存即将发送数据的存储区域。它允许数据源以自己的速率生成数据，而不必等待接收方立即处理。可以比作是邮局中的包裹分拣中心。当你准备寄送邮件或包裹时，邮局工作人员会先将它们收集起来，暂时存放在分拣中心。这样做的好处是，邮局可以集中处理一大批邮件，然后统一分发，而不是每收到一个包裹就立即发送，这样效率会更高。
- 接收缓冲器：用于暂存已接收但尚未被接收方处理的数据的存储区域。它允许数据接收方以自己的速率处理数据，而不受发送方速率的限制。可以比作是你家里的信箱。当邮件或包裹到达时，它们首先被放入信箱中，你可以随时去取。这样，即使邮递员投递的速度很快，你也不会错过任何邮件，因为你的信箱可以暂时存储它们。
  工作模式
  
  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，以供不同应用场合选用。波特率由内部定时器/计数器产生，用软件设置不同的波特率和选择不同的工作方式。主机可通过查询或中断方式对接收/发送进行程序处理,使用十分灵活。
  1. 模式0：同步移位寄存器。
  2. 模式1：8位UART，波特率可变（常用）。
  3. 模式2：9位UART，波特率固定。
  4. 模式3：9位UART，波特率可变
  STC89C51RC/RD+系列单片机串行口对应的硬件部分对应的管脚是P3.0/RxD和P3.1/TxD。
  
  STC89C51RC/RD+系列单片机的串行通信口，除用于数据通信外，还可方便地构成一个或多个并行VO口，或作串一并转换,或用于扩展串行外设等。
  
  串口参数及时序图
  
  串口通信参数包括波特率、校验位、停止位等，这些参数需要在通信双方之间匹配，以确保数据的正确传输。
  
  波特率（Baud Rate）
  
  波特率是串口通信中数据传输的速率，通常以比特每秒（bps）为单位。常见的波特率有9600、19200、38400、57600、115200等。波特率越高，数据传输速度越快，但同时也可能增加通信错误的概率。
  
  数据位（Data Bits）
  
  数据位是每次传输中包含的位数，常见的数据位有7位和8位。数据位越多，每次传输的信息量越大，但数据传输的速率会降低。
  
  校验位（Parity Bit）
  
  校验位用于错误检测。在数据位之后添加一个校验位，使得数据位加上校验位的总和为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。这可以帮助检测数据在传输过程中是否发生了错误。如果没有错误检测的需求，可以选择无校验位。
  
  注意：9位数据格式相比8位数据格式多了一位校验位；数据传输时先发送低位，再发送高位。
  
  串口相关寄存器
  
  串口控制寄存器SCON
  
  串口控制器寄存器SCON用于选择串口通信的工作方式和某些控制功能。
  RB8与SM2相关联，当SM2为1时候，RB8控制的是是否读取数据，为1读取，为0不读取；当SM2为0时候，不管RB8是0还是1，均可以使用收到的数据进入数据缓冲寄存器SBUF。
  
  电源控制寄存器PCON
  
  用于设置方式1、方式2、方式3的波特率是否加倍。
  该寄存器有八位，主要用到高位SMOD（第七位）。当用软件置位当SMOD位设置为1时，外部机器周期（机器周期是CPU执行指令所需的时间）的时间加倍。这意味着单片机的外部操作速度减半，但内部操作速度保持不变。这种配置允许单片机在较低频率的时钟下运行，同时保持内部操作的效率。这通常用于降低功耗或适应外部设备的低速要求。当SMOD位设置为0时，外部机器周期保持正常，不加倍。这是单片机的默认状态，此时单片机按照其标称的时钟频率运行。
  
  串口数据缓冲寄存器SBUF
  
  物理上是两个独立的寄存器，但占用相同的地址（99H）。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。由于接收通道内设有输入移位寄存器和SBUF缓冲器，从而能使一帧接收完将数据由移位寄存器装入SBUF后，可立即开始接收下一帧信息，主机应在该帧接收结束前从SBUF缓冲器中将数据取走，否则前一帧数据将丢失。SBUF以并行方式送往内部数据总线。
  
  中断产生流程
  
  串行通信的中断请求：当一帧发送完成，内部硬件自动置位T，即TI=1，请求中断处理；当接收完一帧信息时，内部硬件自动置位RI，即RI=1，请求中断处理。由于TI和RI以“或逻辑”关系向主机请求中断，所以主机响应中断时事先并不知道是TI还是RI请求的中断，必须在中断服务程序中查询T和RI进行判别，然后分别处理。因此，两个中断请求标志位均不能由硬件自动置位，必须通过软件清0，否则将出现一次请求多次响应的错误。关于中断详解在此博客链接：普中51单片机：中断系统与寄存器解析（六）
  
  如何计算波特率
  
  方式0和方式2的波特率是固定的，方式1和方式3是可变的。
  计算波特率通常需要以下步骤：
  1. 确定时钟频率：首先，你需要知道单片机的时钟频率（F），通常以赫兹（Hz）为单位。
  2. 确定机器周期：然后，你需要知道单片机的机器周期（T），它等于时钟周期的倒数（1/F）。
  3. 考虑SMOD位的影响：如果SMOD位设置为1，机器周期将加倍，因此需要将计算出的机器周期乘以2。
  4. 计算波特率：波特率（Baud Rate）是串口通信中数据传输的速率，通常以比特每秒（bps）为单位。波特率可以通过以下公式计算：
    波特率 = 波特率= 波特率= 时钟频率机器周期 \frac{时钟频率}{机器周期} 机器周期时钟频率 × \times × 数据位数据位数据位其中，数据位通常为8位或9位（如果包括校验位和停止位）
  例如，如果单片机的时钟频率为12MHz，SMOD位设置为0，那么波特率的计算将是：
  波特率 = 波特率= 波特率= 12 , 000 , 000 H z 1 / 12 , 000 , 000 s \frac{12,000,000Hz}{1/12,000,000s} 1/12,000,000s12,000,000Hz × \times × 96 , 000 b p s 96,000bps 96,000bps
  如果SMOD位设置为1，机器周期加倍，波特率将减半，变为48,000bps。
  
  SMOD=1：当SMOD位设置为1时，外部机器周期的时间加倍。这意味着如果单片机的时钟频率是12MHz，那么在没有设置SMOD的情况下，机器周期是1/12MHz = 约83.33ns。当SMOD设置为1时，机器周期变为2倍，即166.67ns。这对于降低功耗非常有用，因为可以在较低的频率下运行单片机，同时保持内部操作速度不变。SMOD=0：当SMOD位设置为0时，外部机器周期的时间是单倍，即单片机的时钟周期。这是SMOD位的默认状态，通常用于需要最高性能的场合。
  
  串口初始化步骤
  1. 确定定时器寄存器TMOD的工作方式（用于产生波特率）。
  2. 确定串口工作方式（SCON寄存器）。
  3. 计算T1的初值（设定波特率），装载TH1、TL1。
  4. 启动T1（TCON中的TR1位）。
  5. 如果使用中断，则需要开启串口中断控制位（IE寄存器）。
  串口通信的波特率（即每秒传输的比特数）可以通过定时器来控制。定时器设置为波特率对应的时间间隔，从而控制数据位的发送和接收。波特率是串口通信中每秒传输的比特数。例如，9600波特率意味着每秒传输9600个比特。
  
  计算可以使用软件进行计算，无需在不必要的地方浪费时间。
  
  代码演示——单片机发送数据
  
  这里使用软件计算的是波特率4800，程序运行之后，单片机间隔一段时间向PC发送0x66数据。波特率发生器采用的是定时器1（8位自动重载）。
```
#include 
void DelayXms(unsigned int xms)	//@12.000MHz
{
	unsigned char data i, j;
	
	while(xms)
	{
		i = 2;
		j = 239;
		do
		{
			while (--j);
		} while (--i);
		xms--;
	}
}
void Uart1_Init(void)	//4800bps@12.000MHz
{
	PCON |= 0x80;		//使能波特率倍速位SMOD
	SCON = 0x40;		//8位数据,可变波特率
	TMOD &= 0x0F;		//设置定时器模式
	TMOD |= 0x20;		//设置定时器模式
	TL1 = 0xF3;			//设置定时初始值
	TH1 = 0xF3;			//设置定时重载值
	ET1 = 0;			//禁止定时器中断
	TR1 = 1;			//定时器1开始计时
}
void Uart_Send(unsigned char byte)
{
	SBUF = byte;
	while(TI == 0);//发送标志位为1的时候发送完成
	TI = 0;
}
void main()
{
	Uart1_Init();
	while(1)
	{
		Uart_Send(0x66);
		DelayXms(1000);
	}
}
```
  效果示例
  
  
  
  代码演示——接收数据控制LED
  
  串口接收数据，通过接收的16进制数据，控制LED灯。开发板实物图：LED八个灯连接P2引脚。
```
#include 
void DelayXms(unsigned int xms)	//@12.000MHz
{
	unsigned char data i, j;
	
	while(xms)
	{
		i = 2;
		j = 239;
		do
		{
			while (--j);
		} while (--i);
		xms--;
	}
}
void Uart1_Init(void)	//4800bps@12.000MHz
{
	PCON |= 0x80;		//使能波特率倍速位SMOD
	SCON = 0x40;		//8位数据,可变波特率
	TMOD &= 0x0F;		//设置定时器模式
	TMOD |= 0x20;		//设置定时器模式
	TL1 = 0xF3;			//设置定时初始值
	TH1 = 0xF3;			//设置定时重载值
	REN = 1;			//开启串口接收
	ET1 = 0;			//禁止定时器中断
	TR1 = 1;			//定时器1开始计时
	ES = 1;				//打开串口中断
	EA = 1;				//打开总中断
}
void Uart_Send(unsigned char byte)
{
	SBUF = byte;
	while(TI == 0);//发送标志位为1的时候发送完成
	TI = 0;
}
unsigned char Uart_Reception()
{
	unsigned char reception_value = SBUF;
	while(RI == 0);//接收标志位为1，表示接收成功，软件清0
	RI = 0;
	return reception_value;
}
void Uart_ISR(void) interrupt 4
{
    // 中断处理代码
	if(RI == 1)
	{
		P2 = Uart_Reception();//这个函数对RI进行处理了
		Uart_Send(0x66);//0x66表示操作成功
	}
}
void main()
{
	Uart1_Init();
	while(1)
	{
	}
}
```