RS232与UART串口通信

通信，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。

通信按照基本类型可以分为并行通信和串行通信。并行通信时数据的各个位同时传送，可以实现字节为单位通信，但是通信线多占用资源多，成本高。比如我们前边用到的 P0 = 0xFE;一次给 P0 的 8 个 IO 口分别赋值，同时进行信号输出，类似于有 8 个车道同时可以过去 8 辆车一样，这种形式就是并行的，我们习惯上还称 P0、P1、P2 和 P3 为 51 单片机的 4 组并行总线。

而串行通信，就如同一条车道，一次只能一辆车过去，如果一个 0xFE 这样一个字节的数据要传输过去的话，假如低位在前高位在后的话，那发送方式就是 0-1-1-1-1-1-1-1-1，一位一位的发送出去的，要发送 8 次才能发送完一个字节。

STC89C52 有两个引脚是专门用来做 UART 串行通信的，一个是 P3.0 一个是 P3.1，它们还分别有另外的名字叫做 RXD 和 TXD，由它们组成的通信接口就叫做串行接口，简称串口。用两个单片机进行 UART 串口通信，基本的演示图如图 11-1 所示。

图 11-1  单片机之间 UART 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，所以我们要把两个单片机的 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，即我们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，这一点大家一定要记清楚。

约定好速度后，我们还要考虑第二个问题，数据什么时候是起始，什么时候是结束呢？

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，而实际上我们一共发送了 10 位，多出来的两位其中一位起始位，一位停止位。而接收方呢，原本一直保持的高电平，一旦检测到了一位低电平，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。我们图示看一下，如图 11-2 所示。

图 11-2  串口数据发送示意图

图 11-2 串口数据发送示意图，实际上是一个时域示意图，就是信号随着时间变化的对应关系。比如在单片机的发送引脚上，左边的是先发生的，右边的是后发生的，数据位的切换时间就是波特率分之一秒，如果能够理解时域的概念，后边很多通信的时序图就很容易理解了。

在我们的台式电脑上，一般都会有一个 9 针的串行接口，这个串行接口叫做 RS232 接口，它和 UART 通信有关联，但是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 虚拟的串口，因此这一节的内容作为了解内容，大家知道有这么回事就行了。

我们先来认识一下这个标准串口，在物理结构上分为 9 针的和 9 孔的，习惯上我们也称之为公头和母头，如图 11-3 所示。

图 11-3  RS232 通信接口

RS232 接口一共有 9 个引脚，分别定义是：1、载波检测 DCD；2、接收数据 RXD；3、发送数据 TXD；4、数据终端准备好 DTR；5、信号地线 SG；6、数据准备好 DSR；7、请求发送 RTS；8、清除发送 CTS；9、振铃提示 RI。我们要让这个串口和我们单片机进行通信，我们只需要关心其中的 2 脚 RXD、3 脚 TXD 和 5 脚 GND 即可。

虽然这三个引脚的名字和我们单片机上的串口名字一样，但是却不能直接和单片机对连通信，这是为什么呢？随着我们了解的内容越来越多，我们得慢慢知道，不是所有的电路都是 5V 代表高电平而 0V 代表低电平的。对于 RS232 标准来说，它是个反逻辑，也叫做负逻辑。为何叫负逻辑？它的 TXD 和 RXD 的电压，-3V～-15V 电压代表是 1，+3～+15V 电压代表是 0。低电平代表的是 1，而高电平代表的是 0，所以称之为负逻辑。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，如图 11-4 所示。

图 11-4  MAX232 转接图

这个芯片就可以实现把标准 RS232 串口电平转换成我们单片机能够识别和承受的 UART 0V/5V 电平。从这里大家似乎慢慢有点明白了，其实 RS232 串口和 UART 串口，它们的协议类型是一样的，只是电平标准不同而已，而 MAX232 这个芯片起到的就是中间人的作用，它把 UART 电平转换成 RS232 电平，也把 RS232 电平转换成 UART 电平，从而实现标准 RS232接口和单片机 UART 之间的通信连接。

随着技术的发展，工业上还有 RS232 串口通信的大量使用，但是商业技术的应用上，已经慢慢的使用 USB 转 UART 技术取代了 RS232 串口，绝大多数笔记本电脑已经没有串口这个东西了，那我们要实现单片机和电脑之间的通信该怎么办呢？

我们只需要在电路上添加一个 USB 转串口芯片，就可以成功实现 USB 通信协议和标准UART 串行通信协议的转换，在我们的开发板上，我们使用的是 CH340T 这个芯片，如图 11-5所示。

图 11-5  USB 转串口电路

图中左下方 J1 和 J2 是两个跳线的组合，大家可以在我们板子左下方的位置找到，我们需要用跳线帽把中间和下边的针短接在一起。右侧的 CH340T 这个电路很简单，把电源、晶振接好后，6 脚和 7 脚的 DP 和 DM 分别接 USB 口的 2 个数据引脚上去，3 脚和 4 脚通过跳线接到了我们单片机的 TXD 和 RXD 上去。

CH340T 的电路里 3 脚位置加了个 4148 的二极管，是一个小技巧。因为 STC89C52 这个单片机下载程序时需要冷启动，就是先点下载后上电，上电瞬间单片机会先检测需要不需要下载程序。虽然单片机的 VCC 是由开关来控制，但是由于 CH340T 的 3 脚是输出引脚，如果没有此二极管，开关后级单片机在断电的情况下，CH340T 的 3 脚和单片机的 P3.0（即 RXD）引脚连在一起，有电流会通过这个引脚流入后级电路并且给后级的电容充电，造成后级有一定幅度的电压，这个电压值虽然只有两三伏左右，但是可能会影响到正常的冷启动。加了二极管后，一方面不影响通信，另外一个方面还可以消除这种不良影响。这个地方可以暂时作为了解，大家如果自己做这类电路，可以参考一下。

通信的三种基本类型

常用的通信从传输方向上可以分为单工通信、半双工通信、全双工通信三类。

单工通信就是指只允许一方向另外一方传送信息，而另一方不能回传信息。比如电视遥控器、收音机广播等，都是单工通信技术。

半双工通信是指数据可以在双方之间相互传播，但是同一时刻只能其中一方发给另外一方，比如我们的对讲机就是典型的半双工。

全双工通信就发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行，就如同我们的电话一样，我们说话的同时也可以听到对方的声音。

UART 模块介绍

IO 口模拟串口通信，让大家了解了串口通信的本质，但是我们的单片机程序却需要不停的检测扫描单片机 IO 口收到的数据，大量占用了单片机的运行时间。这时候就会有聪明人想了，其实我们并不是很关心通信的过程，我们只需要一个通信的结果，最终得到接收到的数据就行了。这样我们可以在单片机内部做一个硬件模块，让它自动接收数据，接收完了，通知我们一下就可以了，我们的 51 单片机内部就存在这样一个 UART 模块，要正确使用它，当然还得先把对应的特殊功能寄存器配置好。

51 单片机的 UART 串口的结构由串行口控制寄存器 SCON、发送和接收电路三部分构成，先来了解一下串口控制寄存器 SCON。如表 11-1 表 11-2 所示。

表 11-1 SCON——串行控制寄存器的位分配（地址 0x98、可位寻址）

位	7	6	5	4	3	2	1	0
符号	SM0	SM1	SM2	REN	TB8	RB8	TI	RI
复位值	0	0	0	0	0	0	0	0

表 11-2  SCON——串行控制寄存器的位描述

位	符号	描述
7	SM0	这两位共同决定了串口通信的模式 0～模式 3 共 4 种模式。我们最常用的 就是模式 1，也就是 SM0=0，SM1=1，下边我们重点就讲模式 1，其它模 式从略。
6	SM1
5	SM2	多机通信控制位（极少用），模式 1 直接清零。
4	REN	使能串行接收。由软件置位使能接收，软件清零则禁止接收。
3	TB8	模式 2 和 3 中要发送的第 9 位数据（很少用）。
2	RB8	模式 2 和 3 中接收到的第 9 位数据（很少用），模式 1 用来接收停止位。
1	TI	发送中断标志位，当发送电路发送到停止位的中间位置时，TI 由硬件置 1， 必须通过软件清零。
0	RI	接收中断标志位，当接收电路接收到停止位的中间位置时，RI 由硬件置 1， 必须通过软件清零。

前边学了那么多寄存器的配置，相信 SCON 这个地方，对于大多数同学来说已经不是难点了，应该能看懂并且可以自己配置了。对于串口的四种模式，模式 1 是最常用的，就是我们前边提到的 1 位起始位，8 位数据位和 1 位停止位。下面我们就详细介绍模式 1 的工作细节和使用方法，至于其它 3 种模式与此也是大同小异，真正遇到需要使用的时候大家再去查阅相关资料就行了。

在我们使用 IO 口模拟串口通信的时候，串口的波特率是使用定时器 T0 的中断体现出来的。在硬件串口模块中，有一个专门的波特率发生器用来控制发送和接收数据的速度。对于STC89C52 单片机来讲，这个波特率发生器只能由定时器 T1 或定时器 T2 产生，而不能由定时器 T0 产生，这和我们模拟的通信是完全不同的概念。

如果用定时器 2，需要配置额外的寄存器，默认是使用定时器 1 的，我们本章内容主要就使用定时器 T1 作为波特率发生器来讲解，方式 1 下的波特率发生器必须使用定时器 T1 的模式 2，也就是自动重装载模式，定时器的重载值计算公式为：
    TH1 = TL1 = 256 - 晶振值/12 /2/16 /波特率
和波特率有关的还有一个寄存器，是一个电源管理寄存器 PCON，他的最高位可以把波特率提高一倍，也就是如果写 PCON |= 0x80 以后，计算公式就成了：
    TH1 = TL1 = 256 - 晶振值/12 /16 /波特率
公式中数字的含义这里解释一下，256 是 8 位定时器的溢出值，也就是 TL1 的溢出值，晶振值在我们的开发板上就是 11059200，12 是说 1 个机器周期等于 12 个时钟周期，值得关注的是这个 16，我们来重点说明。在 IO 口模拟串口通信接收数据的时候，采集的是这一位数据的中间位置，而实际上串口模块比我们模拟的要复杂和精确一些。他采取的方式是把一位信号采集 16 次，其中第 7、8、9 次取出来，这三次中其中两次如果是高电平，那么就认定这一位数据是 1，如果两次是低电平，那么就认定这一位是 0，这样一旦受到意外干扰读错一次数据，也依然可以保证最终数据的正确性。

了解了串口采集模式，在这里要给大家留一个思考题。“晶振值/12/2/16/波特率”这个地方计算的时候，出现不能除尽，或者出现小数怎么办，允许出现多大的偏差？把这部分理解了，也就理解了我们的晶振为何使用 11.0592M 了。

串口通信的发送和接收电路在物理上有 2 个名字相同的 SBUF 寄存器，它们的地址也都是 0x99，但是一个用来做发送缓冲，一个用来做接收缓冲。意思就是说，有 2 个房间，两个房间的门牌号是一样的，其中一个只出人不进人，另外一个只进人不出人，这样的话，我们就可以实现 UART 的全双工通信，相互之间不会产生干扰。但是在逻辑上呢，我们每次只操作 SBUF，单片机会自动根据对它执行的是“读”还是“写”操作来选择是接收 SBUF 还是发送 SBUF，后边通过程序，我们就会彻底了解这个问题。

UART 串口程序

一般情况下，我们编写串口通信程序的基本步骤如下所示：

1. 配置串口为模式 1。
2. 配置定时器 T1 为模式 2，即自动重装模式。
3. 根据波特率计算 TH1 和 TL1 的初值，如果有需要可以使用 PCON 进行波特率加倍。
4. 打开定时器控制寄存器 TR1，让定时器跑起来。

这里还要特别注意一下，就是在使用 T1 做波特率发生器的时候，千万不要再使能 T1 的中断了。

我们先来看一下由 IO 口模拟串口通信直接改为使用硬件 UART 模块时的程序代码，看看程序是不是简单了很多，因为大部分的工作硬件模块都替我们做了。程序功能和 IO 口模拟的是完全一样的。

1. #include
2. void ConfigUART(unsigned int baud);
3. void main(){
4. ConfigUART(9600); //配置波特率为 9600
5. while (1){
6. while (!RI); //等待接收完成
7. RI = 0; //清零接收中断标志位
8. SBUF = SBUF + 1; //接收到的数据+1 后，发送回去
9. while (!TI); //等待发送完成
10. TI = 0; //清零发送中断标志位
11. }
12. }
13. /* 串口配置函数，baud-通信波特率 */
14. void ConfigUART(unsigned int baud){
15. SCON = 0x50; //配置串口为模式 1
16. TMOD &= 0x0F; //清零 T1 的控制位
17. TMOD |= 0x20; //配置 T1 为模式 2
18. TH1 = 256 - (11059200/12/32)/baud; //计算 T1 重载值
19. TL1 = TH1; //初值等于重载值
20. ET1 = 0; //禁止 T1 中断
21. TR1 = 1; //启动 T1
22. }

当然了，这个程序还是用在主循环里等待接收中断标志位和发送中断标志位的方法来编写的，而实际工程开发中，当然就不能这么干了，我们也只是为了用直观的对比来告诉同学们硬件模块可以大大简化程序代码，那么实际使用串口的时候就用到串口中断了，来看一下用中断实现的程序。请注意一点，因为接收和发送触发的是同一个串口中断，所以在串口中断函数中就必须先判断是哪种中断，然后再作出相应的处理。

1. #include
2. void ConfigUART(unsigned int baud);
3. void main(){
4. EA = 1; //使能总中断
5. ConfigUART(9600); //配置波特率为 9600
6. while (1);
7. }
8. /* 串口配置函数，baud-通信波特率 */
9. void ConfigUART(unsigned int baud){
10. SCON = 0x50; //配置串口为模式 1
11. TMOD &= 0x0F; //清零 T1 的控制位
12. TMOD |= 0x20; //配置 T1 为模式 2
13. TH1 = 256 - (11059200/12/32)/baud; //计算 T1 重载值
14. TL1 = TH1; //初值等于重载值
15. ET1 = 0; //禁止 T1 中断
16. ES = 1; //使能串口中断
17. TR1 = 1; //启动 T1
18. }
19. /* UART 中断服务函数 */
20. void InterruptUART() interrupt 4{
21. if (RI){ //接收到字节
22. RI = 0; //手动清零接收中断标志位
23. SBUF = SBUF + 1; //接收的数据+1 后发回，左边是发送 SBUF，右边是接收 SBUF
24. }
25. if (TI){ //字节发送完毕
26. TI = 0; //手动清零发送中断标志位
27. }
28. }

大家可以试验一下，看看是不是和前边用 IO 口模拟通信实现的效果一致，而主循环却 完全空出来了，我们就可以随意添加其它功能代码进去。