51单片机 | 串口通信实验

  这一节我们就来学习 51 单片机的串口通信。开发板上集成了 1 个串口通信电路，是 USB 转串口模块，它既可下载程序也可实现串口通信功能。本节要实现的功能是： 51 单片机通过串口（ UART）实现与 PC 机对话， 51 单片机的串口收到 PC 机发来的数据后原封不动的返回给 PC 机显示。

一、通信的基本概念

  我们知道 51 单片机不仅可以实现串口通信，还可以通过 IO 口模拟实现多种其他通信，比如 SPI、IIC 等，学习这些通信前，我们很有必要了解下通信的基本概念。通信的方式可以分为多种，按照数据传送方式可分为串行通信和并行通信。按照通信的数据同步方式，可分为异步通信和同步通信。按照数据的传输方向又可分为单工、半双工和全双工通信。下面我们就来简单介绍这几种通信方式。

1.串行通信与并行通信

1. 串行通信
     串行通信是指使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。如下图所示：
   
     串行通信的特点：传输线少，长距离传送时成本低，且可以利用电话网等现成的设备，但数据的传送控制比并行通信复杂。

2. 并行通信
     并行通信通常是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送，通常是 8位、16 位、32 位等数据一起传输。如下图所示：
   
     并行通信的特点：控制简单、传输速度快；由于传输线较多，长距离传送时成本高且接收方的各位同时接收存在困难，抗干扰能力差。

2. 异步通信与同步通信

1. 异步通信
     异步通信是指通信的发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。为使双方的收发协调，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致。
     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隙（时间间隔）是任意的，但每个字符中的各位是以固定的时间传送的，即字符之间不一定有“位间隔”的整数倍的关系，但同一字符内的各位之间的距离均为“ 位间隔”的整数倍。如下图所示：
   
   
     异步通信的特点：不要求收发双方时钟的严格一致，实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加 2～3 位用于起止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。

2. 同步通信
     同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使双方达到完全同步。此时，传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍，同时传送的字符间不留间隙，即保持位同步关系，也保持字符同步关系。发送方对接收方的同步可以通过两种方法实现。如下图所示：
   

3.单工、半双工与全双工通信

1. 单工通信
   单工是指数据传输仅能沿一个方向，不能实现反向传输。如下图所示：
   
2. 半双工通信
   半双工是指数据传输可以沿两个方向，但需要分时进行。如下图所示：
   
3. 全双工通信
   全双工是指数据可以同时进行双向传输。如下图所示：
   

4.通信速率

  衡量通信性能的一个非常重要的参数就是通信速率，通常以比特率(Bitrate)来表示。比特率是每秒钟传输二进制代码的位数，单位是：位／秒（ bps）。如每秒钟传送 240 个字符，而每个字符格式包含 10 位(1 个起始位、1 个停止位、8 个数据位)，这时的比特率为：
$$10位\times 240个/秒=2400bps$$
  在后面会遇到一个“波特率”的概念，它表示每秒钟传输了多少个码元。而码元是通信信号调制的概念，通信中常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的信号称为码元。如常见的通信传输中，用 0V 表示数字 0，5V 表示数字 1，那么一个码元可以表示两种状态 0 和 1，所以一个码元等于一个二进制比特位，此时波特率的大小与比特率一致；如果在通信传输中，有 0V、 2V、4V 以及 6V 分别表示二进制数 00、 01、 10、 11，那么每个码元可以表示四种状态，即两个二进制比特位，所以码元数是二进制比特位数的一半，这个时候的波特率为比特率的一半。由于很多常见的通信中一个码元都是表示两种状态，所以我们常常直接以波特率来表示比特率。

二、51单片机串口介绍

1.串口通信介绍

  串口通信(Serial Communication)，是指外设和计算机间通过数据信号线、地线等按位进行传输数据的一种通信方式，属于串行通信方式。串口是一种接口标准，它规定了接口的电气标准，没有规定接口插件电缆以及使用的协议。

1. 接口标准
     串口通信的接口标准有很多，有 RS-232C、 RS-232、 RS-422A、 RS-485 等。常用的是 RS-232 和 RS-485。RS-232 其实是 RS-232C 的改进，原理是一样的。这里我们就以 RS-232C 接口进行讲解。
     RS-232C 是 EIA（美国电子工业协会）1969 年修订 RS-232C 标准。RS-232C定义了数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的物理接口标准。
     RS-232C 接口规定使用 25 针连接器，简称 DB25，连接器的尺寸及每个插针的排列位置都有明确的定义，如下图所示：
   
     RS-232C 还有一种 9 针的非标准连接器接口，简称 DB9。串口通信使用的大多都是 DB9 接口。DB25 和 DB9 接头有公头和母头之分，其中带针状的接头是公头，而带孔状的接头是母头。9 针串口线的外观图如下图所示：
   
     从上图中可以看到公头和母头的管脚定义顺序是不一样，这一点需要特别注意。这些管脚都有什么作用呢？ 9 针串口和 25 针串口常用管脚的功能说明如下图所示（带括号的是DB9的插针序号，不带括号的是DB25的插针序号）：
   
     在串口通信中，通常我们只使用 2、3、5 三个管脚，即 TXD、RXD、SGND，其他管脚功能大家看不明白也没关系。
     RS-232C 对逻辑电平也做了规定，如下：

   在 TXD 和 RXD 数据线上：

   • 逻辑 1 为-3~-15V 的电压
   • 逻辑 0 为 3~15V 的电压

   在 RTS、CTS、DSR、DTR