串口通信概述

　　串口通信指串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)。

　　常用三種串口通信協(xié)議

　　1、RS-232

　　RS-232（ANSI/EIA-232標準）是IBM-PC及其兼容機上的串行連接標準?？捎糜谠S多用途，比如連接鼠標、打印機或者Modem，同時也可以接工業(yè)儀器儀表。用于驅(qū)動和連線的改進，實際應(yīng)用中RS-232的傳輸長度或者速度常常超過標準的值。RS-232只限于PC串口和設(shè)備間點對點的通信。RS-232串口通信最遠距離是50英尺。

　　從計算機連出的線的截面。

　　RS-232針腳的功能：

　　數(shù)據(jù)：

　　TXD（pin 3）：串口數(shù)據(jù)輸出（Transmit Data）

　　RXD（pin 2）：串口數(shù)據(jù)輸入（Receive Data）

　　握手：

　　RTS（pin 7）：發(fā)送數(shù)據(jù)請求（Request to Send）

　　CTS（pin 8）：清除發(fā)送（Clear to Send）

　　DSR（pin 6）：數(shù)據(jù)發(fā)送就緒（Data Send Ready）

　　DCD（pin 1）：數(shù)據(jù)載波檢測（Data Carrier Detect）

　　DTR（pin 4）：數(shù)據(jù)終端就緒（Data Terminal Ready）

　　地線：

　　GND（pin 5）：地線

　　其它

　　RI（pin 9）：鈴聲指示

　　2、RS-422

　　RS-422（EIA RS-422-AStandard）是Apple的Macintosh計算機的串口連接標準。RS-422使用差分信號，RS-232使用非平衡參考地的信號。差分傳輸使用兩根線發(fā)送和接收信號，對比RS-232，它能更好的抗噪聲和有更遠的傳輸距離。在工業(yè)環(huán)境中更好的抗噪性和更遠的傳輸距離是一個很大的優(yōu)點。

　　3、RS-485

　　RS-485（EIA-485標準）是RS-422的改進，因為它增加了設(shè)備的個數(shù)，從10個增加到32個，同時定義了在最大設(shè)備個數(shù)情況下的電氣特性，以保證足夠的信號電壓。有了多個設(shè)備的能力，你可以使用一個單個RS-485口建立設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。出色抗噪和多設(shè)備能力，在工業(yè)應(yīng)用中建立連向PC機的分布式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)、其他數(shù)據(jù)收集控制器、HMI或者其他操作時，串行連接會選擇RS-485。RS-485是RS-422的超集，因此所有的RS-422設(shè)備可以被RS-485控制。RS-485可以用超過4000英尺的線進行串行通行。

　　串口的基本結(jié)構(gòu)

　　SBUF：51單片機中的特殊寄存器，串行數(shù)據(jù)緩沖器（一個接收一個發(fā)送），兩個其實是共用的一個地址99H，但是兩個在物理上面是分開的。

　　當發(fā)送使用時，就采用SBUF=XXX; （XXX為需要傳送的數(shù)據(jù)）

　　當接收使用時，采用XXX=SBUF；

　　記得因為是串行的所以傳輸都是一位一位進行的。

　　T1溢出率：T1計時器的溢出頻率（就是計時器每次低位計滿向高位進位時間的倒數(shù)）

　　用處：用于計算波特率（每秒傳輸二進制代碼的位數(shù)）

　　串口通信方式

　　并行

　　適合短距離通信，并行通信控制簡單、相對傳輸速度快（8位一起傳輸）。

　　串行

　　只能一位一位的傳送。

　　同步（了解）

　　建立發(fā)送方時鐘對接收方時鐘的直接控制，使雙方達到完全同步。此時，傳輸數(shù)據(jù)的位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍，同時傳送的字符間不留間隙。

　　發(fā)送方對接收方的同步可以通過外同步和自同步

　　異步（常）

　　以字符（構(gòu)成的幀）為單位進行傳輸。數(shù)據(jù)位從低到高傳送。

　　格式：

　　這里的空閑時間是任意的。

　　單片機C語言之串口通信協(xié)議

　　現(xiàn)在我們要做一個實驗，將一個字節(jié)從51單片機發(fā)送到電腦串口調(diào)試助手上。這個實驗的目的是為了掌握串口通信協(xié)議的收發(fā)過程。

　　虛擬串口

　　實驗一、虛擬串口實驗

　　一般單片機都有專門的串口引腳，51里面分別是P3.0和P3.1，這些引腳擁有串口的硬件電路，因此使用它們并不需要設(shè)置信號的發(fā)送停止。為了掌握協(xié)議，我們使用其他的引腳來模擬串口，所以也叫虛擬串口。這里我們選用P1.0，然而注意到我們51單片機要發(fā)送數(shù)據(jù)給電腦，必須經(jīng)過一個串口轉(zhuǎn)USB設(shè)備（即TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平），而限于我們的開發(fā)板只有P3.0與P3.1連接到了串口轉(zhuǎn)USB設(shè)備，所以我們可以將P1.0短接到P3.1 。 下圖是這個串口轉(zhuǎn)USB的原理圖。

　　代碼如下：

　　#include “reg51.h”

　　/*

　　將P1.0虛擬成串口發(fā)送腳TX

　　以9600bit/s的比特率向外發(fā)送數(shù)據(jù)

　　因為波特率是 9600bit/s

　　所以me發(fā)送一位的時間是 t=1000000us/9600=104us

　　*/

　　sbit TX=P3^1; //P1^0 output TTL signal， need to transferred to rs232 signal， can be connected to P3^1

　　#define u16 unsigned int //宏定義

　　#define u8 unsigned char

　　u8 sbuf;

　　bit ti=0;

　　void delay（u16 x）

　　{

　　while（x--）;

　　}

　　void Timer0_Init（）

　　{

　　TMOD |= 0x01;

　　TH0=65440/256;

　　TH0=65440%256;

　　TR0=0;

　　}

　　void Isr_Init（）

　　{

　　EA=1;

　　ET0=1;

　　}

　　void Send_Byte（u8 dat）

　　{

　　sbuf=dat;//通過引入全局變量sbuf，可以保存形參dat

　　TX=0; //A 起始位

　　TR0=1;

　　while（ti==0）; //等待發(fā)送完成

　　ti=0; //清除發(fā)送完成標志

　　}

　　void TF0_isr（） interrupt 1 //每104us進入一次中斷

　　{

　　static u8 i; //記錄進入中斷的次數(shù)

　　TH0=65440/256;

　　TL0=65440%256;

　　i++;

　　if（i》=1 && i《=8）

　　{

　　if（（sbuf&（1《《（i-1）））==0） // （sbuf&（1《《（i-1）））表示取出i-1位

　　{

　　TX=0;

　　}

　　else

　　{

　　TX=1;

　　}

　　}

　　if（i==9） //停止位

　　{

　　TX=1;

　　}

　　if（i==10）

　　{

　　TR0=0;

　　i=0;

　　ti=1; //發(fā)送完成

　　}

　　}

　　void main（）

　　{

　　TX=1; //使TX處于空閑狀態(tài)

　　Timer0_Init（）;

　　Isr_Init（）;

　　while（1）

　　{

　　Send_Byte（65）; //0x41

　　delay（60000）;

　　}

　　}

　　實驗引入了定時器0來控制發(fā)送線上的各個位的保持時間。首先main函數(shù)進入，TX置1則使發(fā)送線處于空閑，這時候發(fā)送方和接受方都處于空閑。接下來初始化定時器0，TR0置0表示還不要啟動定時器0。接著中斷系統(tǒng)初始化，此時中斷系統(tǒng)已經(jīng)開啟。進入while循環(huán)，先進Send_Byte（）函數(shù)，將65傳給形參dat，dat再將65賦值給sbuf，到這里準備工作就做好了。接著TX置0，這個是起始位，要保持這個起始位104us。于是就啟動定時器TR0置1，計時器開始計數(shù)。當?shù)谝淮我绯龅臅r候，也就是過了104us，進入中斷，同時接收方也偵測到了這個突然被拉低的信號，于是迅速啟動自己的定時器。進入中斷子函數(shù)后，先是重裝定時器初值，然后i加1，也就是當i＝1時，就應(yīng)該發(fā)送數(shù)據(jù)的最低位了，總共有8位數(shù)據(jù)，所以使用條件語句if（i》=1 && i《=8）來判斷是否發(fā)送完數(shù)據(jù)位。然后再通過if（i==9） 來發(fā)送停止位，最后當i=10時，也就是發(fā)送完了，這時候要關(guān)閉定時器（那么程序也就），同時i置0，ti置1（才能跳出while（ti==0）循環(huán)），最后將ti置0，保證下次要發(fā)送字節(jié)時讓程序停留在while（ti==0）。

　　片上串口

　　以上說的是虛擬串口，上文中談到與串口相關(guān)的引腳P3.0與P3.1，事實上51單片機自帶片上串口，那這個串口又該怎么使用呢？

　　片上串口支持同步模式與異步模式。簡單來說同步模式就是指有時鐘線，而異步模式無時鐘線。這里的時鐘線是指在同步通信時，用一根線專門傳輸時鐘信號，這個信號用來與要發(fā)送的每一位保持同步，這樣就避免了例如異步通信中因為采用定時器而引入的時間誤差。

　　片上串口還支持8位模式和9位模式。如下圖所示

　　其中D0-D7是一個字節(jié)的8個位。9位模式只是多了一個位TB8，這個TB8的作用是奇偶校驗或多機通信。奇偶校驗原理這不加分析。多機通信時比如主機只發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡(luò)中的一臺地址為0x02的設(shè)備，這時候先讓TB8為1，前面的D0-D7則為地址即0x02，之后再讓TB8為0，前面的D0-D7則為數(shù)據(jù)了。

　　上面設(shè)置了片上串口的模式，另外還要設(shè)置串口的波特率。

　　片上串口的波特率等于定時器1工作在方式2時溢出率的32分頻。如果要定時器1工作在方式2，那么TMOD＝0x20。另外要保證為32分頻，我們還必須設(shè)置計數(shù)器初值。設(shè)晶振為11.0592Mhz，則定時器的計數(shù)脈沖為F＝f/12，則定時器每計一個脈沖的時間為T＝12/f。又令計數(shù)器的起點為x，則溢出一次要計的脈沖數(shù)為（256－x）。所以在計數(shù)起點為x時，溢出一次的時間為t＝12/f*（256－x）。則對應(yīng)的溢出率為1/t＝f/（12*（256－x））。對應(yīng)的波特率就為b＝f/（384*（256－x））。

　　x＝256－f/（384*b）

　　其中f為晶振頻率，b為希望的波特率，x為定時器的計數(shù)起點TH1的值。

　　例如當晶振為11.0592M，希望波特率為9600bit/s，則TH1＝253。題外話，我們同樣可以演算出在其他常用波特率情況下，TH1始終為一個整數(shù)。這里也就解釋了為什么51里面選用了11.0592M的晶振而不是12M，這樣就保證了串口的時序更加準確，雖然犧牲了定時器的準確度。

　　實驗二，片外串口發(fā)送一個字節(jié)。

　　好了現(xiàn)在開始我們的實驗之旅。直接看代碼吧。

　　#include “reg51.h”

　　#define u16 unsigned int

　　#define u8 unsigned char

　　void delay（u16 x）

　　{

　　while（x--）;

　　}

　　void Uart_Init（） //串口初始化

　　{

　　SCON=0x50; //8位異步模式

　　TMOD|=0x20; //定時器1工作方式2

　　TH1=253;//9600bit/s

　　TR1=1;

　　}

　　void Send_Byte（u8 dat）

　　{

　　SBUF=dat; //啟動發(fā)送，只需要把發(fā)送內(nèi)容給SBUF這個寄存器

　　while（TI==0）; //等待發(fā)送完成，因為TI為1時表示在發(fā)送停止位

　　TI=0;

　　}

　　void main（）

　　{

　　Uart_Init（）;

　　while（1）

　　{

　　Send_Byte（‘m’）;

　　delay（60000）;

　　}

　　}

　　實驗二較之實驗一，代碼減少了很多，而且不用考慮繁瑣的位發(fā)送時序。只需要明白各個寄存器SCON，TMOD，TCON，SBUF的用法。TI是SCON中的第一位，為發(fā)送中斷請求標志位。在本方式中，在停止位開始發(fā)送時由內(nèi)部硬件置位，響應(yīng)中斷后TI必須又軟件清零。

　　實驗三、片上串口發(fā)送一個字符串

　　上面介紹了如何發(fā)送一個字節(jié)，那如何發(fā)送一個字符串甚至文本呢？這里我們首先介紹下字符串的概念。

　　字符串：從存儲器的某個地址開始，連續(xù)存放多個字符的ASCII碼，并且在最后一個字符的后面存放一個0，這段連續(xù)的內(nèi)存空間就叫字符串，最后的0叫字符串的結(jié)束符。注意這里的0和加單引號的0不是一個概念，加單引號的0是指0的ASCII碼。

　　數(shù)組與字符串的關(guān)系：字符串是數(shù)組的一種特殊情況，數(shù)組在特定條件下可當做字符串用。C語言用雙引號描述一個字符串，如“abcd”。

　　下面我們通過一個實驗來展示如何發(fā)送字符串。我們實驗的目標是打印字符串“Hello World ！ 第一！”到打印機。直接上代碼。

　　#include “reg51.h”

　　#define u16 unsigned int

　　#define u8 unsigned char

　　void delay（u16 x）

　　{

　　while（x--）;

　　}

　　void Uart_Init（） //串口初始化

　　{

　　SCON=0x50; //8位異步模式

　　TMOD|=0x20; //定時器1工作方式2

　　TH1=253;//9600bit/s

　　TR1=1;

　　}

　　void Send_Byte（u8 dat） //串口發(fā)送一個字節(jié)

　　{

　　SBUF=dat; //啟動發(fā)送，只需要把發(fā)送內(nèi)容給SBUF這個寄存器

　　while（TI==0）; //等待發(fā)送完成，因為TI為1時表示在發(fā)送停止位

　　TI=0;

　　}

　　void Send_String（u8 *str） //發(fā)送一個字符串 *str為字符串第一個字符的地址

　　{

　　abc： //標號

　　if（*str ！= 0）

　　{

　　Send_Byte（*str）;

　　str++;

　　goto abc;

　　}

　　}

　　void main（）

　　{

　　Uart_Init（）;

　　while（1）

　　{

　　Send_String（“Hello World！ 第一！”）;

　　Send_Byte（10）;

　　delay（60000）;

　　delay（60000）;

　　}

　　}

　　實驗效果