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標題: 深入理解51單片機串口通信 [打印本頁]

作者: 蓮蓬16 時間: 2018-9-16 20:53
標題: 深入理解51單片機串口通信
通信分為并行通信和串行通信，并行通信時的數據各個位同時傳送，可以實現字節為單位通信，但通信線多占用資源，成本高。以前用到的的P1=0x55,一次給P1口的8個管腳分別賦值，同時進行信號輸出，類似于8個車道可以過去8輛車，這樣的形式是并行的，一般稱P0,P1,P2,P3為51單片機的4組并行總線。
串行通信，就是一個車道，一個只能通過一輛車，如果一個0x55這樣一個字節的數據要傳輸過去的話，假如低位在前，高位在后的話，那發送方式是：0-1-0-1-0-1-0-1，一位一位的進行傳輸，要發送8次才能發送完一個字節
STC89C52有兩個引腳是專門用來做串口通信的，一個是P3.0（RXD），一個是P3.1（TXD），他們組成的通信接口就是串行接口，簡稱串口。用于兩個單片機進行UART通信。兩單片機通信接口連接方式：RXD——TXD，TXD——RXD。
單片機1的TXD發送通道接到單片機2的RXD接收通道，單片機的1的RXD接收通道接到單片機2的TXD發送通道，從而實現相互通信。
當單片機1想給單片機2發送數據，比如發送了0xCE，用二進制表示就是11001110，在串口通信過程中，是低位先發，高位后發的原則，那么就是讓TXD首先拉低電平，持續一段時間，發送一位0，然后拉高電平，持續一段時間，發送一位1，繼續拉高，在持續一段時間，發送一位1，一直把8位二進制數11001110全部發送完畢，這里涉及到一個問題，就是持續的一個時間段時間“到底是多少”。因而便引入通信中非常重要的一個概念波特率，也叫做比特率。

波特率

波特率就是發送二進制數據位的速率，習慣用baud表示，即我們發送一位二進制數據持續的時間=1/baud。在通信之前，單片機1和單片機2首先都要明確約定好他們之間的通信波特率，必須保持一致，收發雙方才能正常通信。
約定好速度之后，我們還要考慮第二個問題，數據什么時候是起始，什么時候是結束？提前和延遲結束都會接收錯誤。在uart通信的時候，一個字節是8位，規定當沒有通信信號發生時，通信線路保持高電平，當數據發送前，先發一位0表示起始位，然后發送8位數據位，數據位是先低再高，數位位發送完后才呢個后再發送一位1表示停止位，這樣我們要發送的8位數據，實際上我們發送了10位，多出來兩位其中一個是起始位，一個是停止位。而接受方一直保持的高電平，一旦檢測到一位低電平，準備開始接受數據，接受8位數據后，然后檢測停止位，再準備下一個數據接收。串口數據發送示意圖，實際上是一個時域示意圖，就是信號隨著時間變化的對應關系。比如在單片機的發送引腳上，左邊的是先發生的，右邊的是后發生的，數據位的切換時間就是波特率分之一秒，如果能夠理解時域的概念，后邊很多通信的時序圖就很容易理解了。

RS232

在我們電腦上，一般都會有一個9針的串行接口，這個串行接口叫做RS232接口，它和UART通信有關聯，但是由于現在筆記本電腦不帶9針串口，所以和單片機通信越來越趨于使用USB虛擬串口。
九針串口分工頭和母頭
公頭上5下4，上5從左到右為1.2.3.4.5；下4從左到右為6.7.8.9；
母頭上5下4，上5從左到右為5.4.3.2.1；下4從左到右為9.8.7.6；
RS232接口一共有9個引腳，分別定義是：1、載波檢測DCD；2、接收數據RXD；3、發送數據TXD；4、數據終端準備好DTR；5、信號地線SG；6、數據準備好DSR；7、請求發送RTS；8、清除發送CTS；9、振鈴提示RI。我們要讓這個串口和我們單片機進行通信，我們只需要關心其中的2腳RXD、3腳TXD和5腳GND即可
雖然這三個引腳的名字和我們單片機上的串口名字一樣，但是卻不能直接和單片機對連通信，這是為什么呢？隨著我們了解的內容越來越多，我們得慢慢知道，不是所有的電路都是5V代表高電平而0V代表低電平的。對于RS232標準來說，它是個反邏輯，也叫做負邏輯。為何叫負邏輯？它的TXD和RXD的電壓，-3V～-15V電壓代表是1，+3～+15V電壓代表是0。低電平代表的是1，而高電平代表的是0，所以稱之為負邏輯。因此電腦的9針RS232串口是不能和單片機直接連接的，需要用一個電平轉換芯片MAX232來完成
這個芯片就可以實現把標準RS232串口電平轉換成我們單片機能夠識別和承受的UART 0V/5V電平。從這里大家似乎慢慢有點明白了，其實RS232串口和UART串口，它們的協議類型是一樣的，只是電平標準不同而已，而MAX232這個芯片起到的就是中間人的作用，它把UART電平轉換成RS232電平，也把RS232電平轉換成UART電平，從而實現標準RS232接口和單片機UART之間的通信連接。

USB轉串口通信

隨著技術的發展，工業上還有RS232串口通信的大量使用，但是商業技術的應用上，已經慢慢的使用USB轉UART技術取代了RS232串口，絕大多數筆記本電腦已經沒有串口這個東西了，那我們要實現單片機和電腦之間的通信該怎么辦呢？
們只需要在電路上添加一個USB轉串口芯片，就可以成功實現USB通信協議和標準UART串行通信協議的轉換，在我們的開發板上，我們使用的是CH340T這個芯片
我們需要用跳線帽把中間和下邊的針短接在一起。右側的CH340T這個電路很簡單，把電源、晶振接好后，6腳和7腳的DP和DM分別接USB口的2個數據引腳上去，3腳和4腳通過跳線接到了我們單片機的TXD和RXD上去。
CH340T的電路里3腳位置加了個4148的二極管，是一個小技巧。因為STC89C52這個單片機下載程序時需要冷啟動，就是先點下載后上電，上電瞬間單片機會先檢測需要不需要下載程序。雖然單片機的VCC是由開關來控制，但是由于CH340T的3腳是輸出引腳，如果沒有此二極管，開關后級單片機在斷電的情況下，CH340T的3腳和單片機的P3.0（即RXD）引腳連在一起，有電流會通過這個引腳流入后級電路并且給后級的電容充電，造成后級有一定幅度的電壓，這個電壓值雖然只有兩三伏左右，但是可能會影響到正常的冷啟動。加了二極管后，一方面不影響通信，另外一個方面還可以消除這種不良影響。這個地方可以暫時作為了解，大家如果自己做這類電路，可以參考一下。

IO口模擬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口模擬UART串行通信程序是一個簡單的演示程序，我們使用串口調試助手下發一個數據，數據加1后，再自動返回。
串口調試助手，這里我們直接使用STC-ISP軟件自帶的串口調試助手，先把串口調試助手的使用給大家說一下，如圖11-6所示。第一步要選擇串口助手菜單，第二步選擇十六進制顯示，第三步選擇十六進制發送，第四步選擇COM口，這個COM口要和自己電腦設備管理器里的那個COM口一致，波特率按我們程序設定好的選擇，我們程序中讓一個數據位持續時間是1/9600秒，那這個地方選擇波特率就是選9600，校驗位選N，數據位8，停止位1。
串口調試助手的實質就是利用電腦上的UART通信接口，發送數據給我們的單片機，也可以把我們的單片機發送的數據接收到這個調試助手界面上。
因為初次接觸通信方面的技術，所以我把后面的IO模擬串口通信程序進行一下解釋，大家可以邊看我的解釋邊看程序，把底層原理先徹底弄懂。
變量定義部分就不用說了，直接看main主函數。首先是對通信的波特率的設定，在這里我們配置的波特率是9600，那么串口調試助手也得是9600。配置波特率的時候，我們用的是定時器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在進行計數，當TL0溢出后，不僅僅會讓TF0變1，而且還會將TH0中的內容重新自動裝到TL0中。這樣有一個好處，就是我們可以把想要的定時器初值提前存在TH0中，當TL0溢出后，TH0自動把初值就重新送入TL0了，全自動的，不需要程序中再給TL0重新賦值了，配置方式很簡單，大家可以自己看下程序并且計算一下初值。
波特率設置好以后，打開中斷，然后等待接收串口調試助手下發的數據。接收數據的時候，首先要進行低電平檢測while (PIN_RXD)，若沒有低電平則說明沒有數據，一旦檢測到低電平，就進入啟動接收函數StartRXD()。接收函數最開始啟動半個波特率周期，初學可能這里不是很明白。大家回頭看一下我們的圖11-2里邊的串口數據示意圖，如果在數據位電平變化的時候去讀取，因為時序上的誤差以及信號穩定性的問題很容易讀錯數據，所以我們希望在信號最穩定的時候去讀數據。除了信號變化的那個沿的位置外，其它位置都很穩定，那么我們現在就約定在信號中間位置去讀取電平狀態，這樣能夠保證我們讀的一定是正確的。
一旦讀到了起始信號，我們就把當前狀態設定成接收狀態，并且打開定時器中斷，第一次是半個周期進入中斷后，對起始位進行二次判斷一下，確認一下起始位是低電平，而不是一個干擾信號。以后每經過1/9600秒進入一次中斷，并且把這個引腳的狀態讀到RxdBuf里邊。等待接收完畢之后，我們再把這個RxdBuf加1，再通過TXD引腳發送出去，同樣需要先發一位起始位，然后發8個數據位，再發結束位，發送完畢后，程序運行到while (PIN_RXD)，等待第二輪信號接收的開始。

串口通信基本應用通信的三種基本類型

常見的通信傳輸方式可以分為單工通信、半雙工通信、全雙工通信。
單工通信就是只允許一個方向向另外一個方向傳送信息，而另外一方不能回傳消息。比如：電視遙控器、收音基等
半雙工通信是指數據可以在雙方之間相互傳播，但是同一時刻只能呢個其中一方發給另一方，比如：對講機
全雙工通信是指發送數據同時也能接收數據，兩者同步進行，就如同我們的電話一樣，我們說的同時也可以聽到對方的聲音。

uart模塊介紹
IO口模擬串口通信，讓大家了解了串口通信的本質，但是我們的單片機程序卻需要不停的檢測掃描單片機IO口收到的數據，大量占用了單片機的運行時間。這時候就會有聰明人想了，其實我們并不是很關心通信的過程，我們只需要一個通信的結果，最終得到接收到的數據就行了。這樣我們可以在單片機內部做一個硬件模塊，讓它自動接收數據，接收完了，通知我們一下就可以了，我們的51單片機內部就存在這樣一個UART模塊，要正確使用它，當然還得先把對應的特殊功能寄存器配置好。
51單片機的UART串口的結構由串行口控制寄存器SCON、發送和接收電路三部分構成，先來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：符號：復位值： 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:接收中斷標志位，當接收電路接收到停止位的中間位置時，RI由硬件置1，必須通過軟件清零
1位TI：發送中斷標志位，當發送電路發送到停止位的中間位置時，TI由硬件置1，必須通過軟件清零。
2位RB8：模式2和3中接收到的第9位數據（很少用），模式1用來接收停止位。
3位TB8：模式2和3中要發送的第9位數據（很少用）。
4位REN：使能串行接收。由軟件置位使能接收，軟件清零則禁止接收。
5位SM2：多機通信控制位（極少用），模式1直接清零。
6位SM1和7位SM0：
這兩位共同決定了串口通信的模式0～模式3共4種模式。我們最常用的就是模式1，也就是SM0=0，SM1=1，下邊我們重點就講模式1，其它模式從略。
對于串口的四種模式，模式1是最常用的，就是我們前邊提到的1位起始位，8位數據位和1位停止位。下面我們就詳細介紹模式1的工作細節和使用方法，至于其它3種模式與此也是大同小異，真正遇到需要使用的時候大家再去查閱相關資料就行了。
在我們使用IO口模擬串口通信的時候，串口的波特率是使用定時器T0的中斷體現出來的。在硬件串口模塊中，有一個專門的波特率發生器用來控制發送和接收數據的速度。對于STC89C52單片機來講，這個波特率發生器只能由定時器T1或定時器T2產生，而不能由定時器T0產生，這和我們模擬的通信是完全不同的概念。
如果用定時器2，需要配置額外的寄存器，默認是使用定時器1的，我們本章內容主要就使用定時器T1作為波特率發生器來講解，方式1下的波特率發生器必須使用定時器T1的模式2，也就是自動重裝載模式，定時器的重載值計算公式為：
TH1 = TL1 = 256 - 晶振值/12 /2/16 /波特率
和波特率有關的還有一個寄存器，是一個電源管理寄存器PCON，他的最高位可以把波特率提高一倍，也就是如果寫PCON |= 0x80以后，計算公式就成了：
TH1 = TL1 = 256 - 晶振值/12 /16 /波特率
公式中數字的含義這里解釋一下，256是8位定時器的溢出值，也就是TL1的溢出值，晶振值在我們的開發板上就是11059200，12是說1個機器周期等于12個時鐘周期，值得關注的是這個16，我們來重點說明。在IO口模擬串口通信接收數據的時候，采集的是這一位數據的中間位置，而實際上串口模塊比我們模擬的要復雜和精確一些。他采取的方式是把一位信號采集16次，其中第7、8、9次取出來，這三次中其中兩次如果是高電平，那么就認定這一位數據是1，如果兩次是低電平，那么就認定這一位是0，這樣一旦受到意外干擾讀錯一次數據，也依然可以保證最終數據的正確性。
串口通信的發送和接收電路在物理上有2個名字相同的SBUF寄存器，它們的地址也都是0x99，但是一個用來做發送緩沖，一個用來做接收緩沖。意思就是說，有2個房間，兩個房間的門牌號是一樣的，其中一個只出人不進人，另外一個只進人不出人，這樣的話，我們就可以實現UART的全雙工通信，相互之間不會產生干擾。但是在邏輯上呢，我們每次只操作SBUF，單片機會自動根據對它執行的是“讀”還是“寫”操作來選擇是接收SBUF還是發送SBUF，后邊通過程序，我們就會徹底了解這個問題。
##UART串口程序
一般情況下，我們編寫串口通信程序的基本步驟如下所示：
1、配置串口為模式1。
2、配置定時器T1為模式2，即自動重裝模式。
3、根據波特率計算TH1和TL1的初值，如果有需要可以使用PCON進行波特率加倍。
4、打開定時器控制寄存器TR1，讓定時器跑起來。
這里還要特別注意一下，就是在使用T1做波特率發生器的時候，千萬不要再使能T1的中斷了。
我們先來看一下由IO口模擬串口通信直接改為使用硬件UART模塊時的程序代碼，看看程序是不是簡單了很多，因為大部分的工作硬件模塊都替我們做了。程序功能和IO口模擬的是完全一樣的。

通信實例與ASCLL碼
先拋開我們使用的漢字不談，那么我們常用的字符就包含了0~9的數字、A~Z/a~z的字母、還有各種標點符號等。那么在單片機系統里面我們怎么來表示它們呢？ASCII碼（American Standard Code for Information Interchange，即美國信息互換標準代碼）可以完成這個使命：我們知道，在單片機中一個字節的數據可以有0～255共256個值，我們取其中的0～127共128個值賦予了它另外一層涵義
我們用字符格式發送一個小寫的a，返回一個十六進制的0x61，數碼管上顯示的也是61，ASCII碼表里字符a對應十進制是97，等于十六進制的0x61；我們再用字符格式發送一個數字1，返回一個十六進制的0x31，數碼管上顯示的也是31，ASCII表里字符1對應的十進制是49，等于十六進制的0x31。這下大家就該清楚了：所謂的十六進制發送和十六進制接收，都是按字節數據的真實值進行的；而字符格式發送和字符格式接收，是按ASCII碼表中字符形式進行的，但它實際上最終傳輸的還是一個字節數據。這個表格，當然不需要大家去記住，理解它，用的時候過來查就行了。

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