51单片机学习笔记——串口通信

一、通信传输方式

并行通信与串行通信

通信传输方式可分成串行通信和并行通信：

• 并行通常将数据字节的各位用多条数据线传送。并行通信控制简单，传输速度快；但对传输线路要求高，成本较高，且接收方同时接收存在困难，抗干扰能力差。适合近距离、大量、快速的信息交换。
• 串行通信将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个传送。传输线少，长距离成本低，可利用电话网等现成设备，但数据的传送控制比并行通信复杂，且传送效率低。适合长距离，低速率的通信。

同步通信与异步通信

串行通信可以分为同步通信与异步通信：

• 异步通信是以字符（构成的帧）为单位进行传输，字符与字符之间的间隔是任意的，但是字符之间的位间隔必须固定时间传送。异步通信不要求收发双方时钟严格一致，实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加2-3位起止位，各帧之间有间隔，传输效率不高。
• 同步通信在通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使得双方达到完全同步。此时传输数据的位之间的距离均为位间隔的整数倍，分为外同步和自同步。可以实现点对多点通信，传送效率很高，但实现的软硬件成本较高。

串行通信传输方向

• 单工数据传输仅能沿一个方向，不能实现反向传输。如：电视，广播
• 半双工是指数据传输可以沿两个方向，但要分时进行。如：对讲机
• 全双工是指数据可以同时进行双向传输。如：电话

串行通信的校验

• 奇偶校验
  数据尾随的一位为奇偶校验位，被传输数据中1的个数是奇数或偶数进行校验，采用奇数为奇校验，反之为偶校验。若1的个数不一致，则数据传输过程中出现了差错。
• 代码和校验
  发送方把所发数据块求和（或各字节异或），产生一个字节校验字符，附加到数据块末尾，由接收方校验。
• 循环冗余校验
  通过某种数学运算实现有效信息与校验位之间的循环校验，广泛用于同步通信中。哈希函数的一种。

二、电平转换与波特率

• 电平标准
  TTL电平：+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”。但电平是个电压范围，因此规定标准的TTL输出高电平>2.4V,输出低电平<0.4V；输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V。
  CMOS电平：同样采用+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”。输出高电平>=4.45V，输出低电平<=0.5V；输入高电平>=3.5V，输入低电平<=1.5V。
  同时还有3.3V等低压的LVTTL，LVCMOS电平。
  RS-232C电平：-15V ~ -3V等价于逻辑“1”，+3V ~ +15V等价于逻辑“0”。

• 电平转换
  由于单片机串口采用TTL电平标准，计算机USB接口或RS-232C接口采用RS-232C电平标准，二者在通信时需要进行电平转换。有MAX232，CH340等转接芯片。

• 波特率
  比特率为每秒中传输二进制代码的位，单位：位/秒(bps)。严格上讲波特率与比特率不是一种物理量，不过在串口通信中，二者恰好相等且都可以表示数据的传输速率。波特率与传送距离成反比。在串口通信中，发送方和接收方的必须波特率相同才能正确的传输数据。
  如果想深究波特率和比特率，可以看看这篇博客，解释的很清晰。

三、51单片机的串口通信

概况

51单片机的串行口是全双工类型的，一般RXD引脚为P3.0，TXD引脚为P3.1。RXD为Receive Data,TXD为Transmit Data。

1、寄存器

控制寄存器SCON

• SCON寄存器各位定义如下：

位序号	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
位符号	SM0	SM1	SM2	REN	TB8	RB8	TI	RI

• 其中，SM0,SM1控制串行口的工作方式：

SM0	SM1	方式	功能	波特率
0	0	0	同步移位寄存器方式（通常用于扩展I/O口）	fosc/12
0	1	1	10位异步收发（8位数据），波特率可变	2SMOD/32×T1溢出率
1	0	2	11位异步收发（9位数据），波特率固定	2SMOD/64×fosc
1	1	3	11位异步收发（9位数据），波特率可变	2SMOD/32×T1溢出率

上表中，f_osc为系统晶振频率，SMOD为电源管理寄存器PCON中的一位，用于控制串口通信方式1，2，3的波特率。SMOD=0时，波特率正常，SMOD=1时，波特率加倍。PCON寄存器中仅有SMOD与串口通信有关。T1溢出率为定时器T1溢出的频率，定时器T1溢出一次的时间T的倒数1/T即溢出率。

位符号	解释	功能
SM2	多机通信控制位	主要应用与方式2和3.SM2=1，检测RB8的值决定是否接受数据，SM2=0，无论是什么数据都接收
REN	允许串行接收位	REN=1,允许串行口接收数据；REN=0,禁止串行口接收数据
TB8	方式2,3中的发送数据的第9位	方式2,3中可用作校验位，多机通信时可作为地址帧/数据帧的标志位
RB8	方式2,3中的接收数据的第9位	可作为校验位或地址帧/数据帧标志位，在方式1时，若SM2=0，则RB8接收到的是停止位
TI	发送中断标志位	在方式0中，当串行发送第8位结束时，或其他方式串行发送停止位开始时，硬件使TI置1，向CPU发出中断申请
RI	接收中断标志位	在方式0中，当串行发送第8位结束时，或其他方式串行接收停止位中间时，硬件使TI置1，向CPU发出中断申请

数据缓冲寄存器SBUF

SBUF是串行口中的两个缓冲寄存器，一个是发送寄存器，一个是接收寄存器，在物理结构上是完全独立的，但地址是重叠的。它们都是字节寻址的寄存器，字节地址均为99H。

2、方式1时序图

方式1是最常用的串口通信方式。

• 输入时序图

• 输出时序图
  
• 方式1的串口通信初始化步骤

步骤	解释
1	确定定时器T1的工作方式（编程TMOD寄存器）
2	计算定时器T1的初值，装载TH1,TL1
3	启动定时器T1（编程TCON中的TR1位）
4	确定串口的工作方式（编程SCON寄存器）
5	在进入串口中断后，要进行中断设置（编程IE,IP寄存器）

注：TMOD寄存器，IE寄存器，IP寄存器的具体操作在之前中断的笔记中有记录。

3、例程：计算机与单片机的串口通信

#include "reg52.h"	
typedef unsigned int u16;	  
typedef unsigned char u8;

/*串口初始化函数*/
void UsartInit()
{
	TMOD=0X20;			//设置定时器工作方式2
	TH1=0XF4;			//定时器初始值设置
	TL1=0XF4;			//晶振11.0592，波特率初值设置为2400
	PCON=0X80;			//直接操作PCON寄存器，使得SMOD=1,波特率加倍.为4800
	TR1=1;				//打开计数器
	SCON=0X50;			//设置为工作方式1
	ES=1;				//打开接收中断
	EA=1;				//打开总中断
}

void main()
{	
	UsartInit();  		//串口初始化
	while(1);		
}

void Usart() interrupt 4
{
	u8 receiveData;		
	receiveData=SBUF;	//储存接收到的数据
	RI = 0;				//清除接收中断标志位
	SBUF=receiveData;	//将接收到的数据放入到发送寄存器
	while(!TI);			//等待发送数据完成
	TI=0;				//清除发送完成标志位
}

4、例程：printf实现串口输出

先看一下stdio.h中putchar的部分源码，putchar函数的功能是将参数写入输出流，51单片机的输出流为寄存器SBUF。

char putchar (char c){
	if (c == '\n')
	{			
		if (RI)
		{
			if (SBUF == XOFF)
			{
				do
				{
					RI = 0;
					while (!RI);
				}
				while (SBUF != XON);
				RI = 0; 
			}
		}
		while (!TI);			//必须先将TI置1，否则会在这里死循环
		TI = 0;
		SBUF = 0x0d;           //打印回车
	}
	if (RI)
	{
		if (SBUF == XOFF)
		{
			do
			{
				RI = 0;
				while (!RI);
			}
			while (SBUF != XON);
			RI = 0; 
		}
	}
	while (!TI);			//必须先将TI置1，否则会在这里死循环
	TI = 0;
	return (SBUF = c);
}

可以看到，在putchar函数中，通过while(!TI)来检测中断标志，所以在使用putchar函数之前，要将TI置1。而printf(),puts()等函数都是调用putchar实现的，所以调用之前也要使TI=1。而在写入SBUF后，TI会硬件置1，因此不必再反复操作TI。
下面是使用printf输出Hello world!的例程：

#include "reg52.h"	
#include 
typedef unsigned int u16;	  
typedef unsigned char u8;


void UsartInit()		//串口初始化函数 
{
	TMOD=0X20;			//设置定时器工作方式2
	TH1=0XF4;			//定时器初始值设置
	TL1=0XF4;			//晶振11.0592，波特率初值设置为2400
	PCON=0X80;			//直接操作PCON寄存器，使得SMOD=1,波特率加倍.为4800
	TR1=1;				//打开计数器
	SCON=0X50;			//设置为工作方式1
	ES=1;				//打开接收中断
	TI=1;				//必须设置中断标记位
	EA=1;				//打开总中断
}

void delay(u16 ms)		//延时函数
{
	u16 i,j;
	for(i=ms;i>0;i--)
		for(j=110;j>0;j--);
}


void main()
{	
	UsartInit();  	//串口初始化
	while(1)
	{
		delay(500);
		printf("Hello world!\n");
	}
}

四、串行通信接口标准

单片机与单片机之间也可以通过串行通信进行数据传输。
前面的电平转换部分简要介绍了集中串口通信标准中的电平标准，但实际上还规定了引脚信号等其他内容。

• TTL通信
  采用TTL电平通信，只需将单片机A的TXD端与单片机B的RXD端相连；单片机A的RXD端与单片机B的TXD端相连即可。
• RS-232通信
  RS-232通信标准是美国工业电子协会制定的通信标准。曾经采用25针接口（左）通信，后简化为9针的接口（右）。
  
  是不是感觉和显卡的VGA接口有点像？但VGA接口有15针。二者并不是一个东西。
  
  上图中左为RS-232C（母），右为VGA（母）。
  采用RS-232C标准传输，传输距离远，但传输速率低，有电平偏移，抗干扰能力差。
• RS-422通信
  与RS-232不同的是，采用了差分传输方式，有较高的抗干扰性能,而且提高了通信速率和传输距离。与RS-232采用了相同的9针接口，但引脚意义不同。
• RS-485通信
  RS-485同样采用差分传输方式，与RS-422不同的是，能支持多个分节点进行信息传输。可以实现多机通信。

五、单片机多机通信

• 主从式结构

单片机构成的多机通信系统中常采用总线型主从式结构。所谓主从式，就是在多个单片机组成的系统中，只能有一个主机，其他的都是从机，从机要服从主机的控制，这就是总线型主从式结构。

• 从机状态字

位序号	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
位符号	ERR	–	–	–	–	–	TRDY	RRDY

主机与其他从机通信时，在总线上发送数据和地址联络信号，从机确定地址后才能接收数据。确认地址后通过更改从机状态字来控制从机的数据传输。
若ERR=1，从机接收到非法命令。
若TRDY=1，从机发送准备就绪。
若RRDY=1，从机接收准备就绪。

在51单片机中，多机串口通信采用方式2或方式3。