学习modbus（四）——UART串口通信的基本应用

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。