51 串口通信

51 串口通信

串口是一种应用广泛的通讯接口，成本低、易使用，可用于实现两个设备之间的互相通信

单片机可以用其带有的串口与另一单片机、计算机、其它硬件模块等通信

硬件电路

（图源：B站江协科技视频截图）

TXD（Transmit Exchange Data）

RXD（receive external data）

交叉连接是因为TXD->RXD，延长线不需要交叉

如果两个设备各自都有供电，可以不接VCC

电平标准

电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系，串口常用的电平标准有如下三种：

1. TTL（Transistor-Transistor Logic晶体管晶体管逻辑电路，就是单片机使用的电平）电平：+5V表示1，0V表示0（单片机用的）

2. RS232电平：-3_{-15V表示1，+3}+15V表示0（一般用在电脑等高电压的传输）

3. RS485电平：两线压差+2_{+6V表示1，-2}-6V表示0（差分信号）

RS485的两线压差是指两根线之前的电压差，而不是对地（传输距离远，更稳定，不使用差分信号的在10m之后就容易产生错误）

常见通信接口

名称	引脚定义	通信方式	特点	常见用途
UART	TXD、RXD	全双工、异步	点对点通信	51单片机所用通信方式
I²C	SCL、SDA	半双工、同步	可挂载多个设备	单片机开发板上的24C02用于存储数据，单片机通过I²C的通信接口实现读取和写入
SPI	SCLK、MOSI、MISO、CS	全双工、同步	可挂载多个设备	DS1302等用到
1-Wire	DQ	半双工、异步	可挂载多个设备	温度传感器等用到
CAN、USB等				CAN常用于汽车等，连接多个传感器，使用差分信号

通信方式

方式	特点
全双工	通信双方可以在同一时刻互相传输数据（有两数据线相互连接）
半双工	通信双方可以互相传输数据，但必须分时复用一根数据线（只有一根线）
单工	通信只能由一方发送到另一方，不能反向传输
同步	通信双方通信速率相同
异步	通信双方各自约定通信速率

通信速率：相当于在读取高低电平时采样的速率，速率正确才能接收到正确数据

同步：通信双方靠一根时钟线（比如上面提到的SCL、SCLK）来约定通信速率（不会导致收发错误）

总线：连接各个设备的数据传输线路（类似于一条马路，把路边各住户连接起来，使住户可以相互交流）

（eg：I²C总线、SPI总线、1-Wire总线（满足总线的特点））

UART

51单片机上的UART

STC89C52RC有1个UART

有四种工作模式：

​ 模式0：同步移位寄存器

​ 模式1：8位UART，波特率可变（常用）

​ 模式2：9位UART，波特率固定

​ 模式3：9位UART，波特率可变

（图源：普中科技开发手册）

串口通信的接口和P30P31复用，操作P3的寄存器时则为IO，操作串口寄存器即为串口，不用单独区分

（STC89C52RC开发板上的USB转TTL下载模块）

串口参数

波特率：串口通信的速率（发送和接收各数据位的间隔时间）

波特率（Baud Rate）是指在串行通信中，单位时间内传输的符号（symbol）数量。它用于衡量串行数据传输速率或通信信号的变化速度。波特率通常以每秒传输的波特数来表示，单位为波特（baud）或者波特/秒（baud/s）。

---

在串行通信中，每个符号可以代表一个或多个比特（bits）。因此，波特率并不直接等同于比特率。比特率是指传输的比特数量，而波特率是指传输的符号数量。如果每个符号表示一个比特，则波特率和比特率相等；如果每个符号表示多个比特，则波特率高于比特率。

比特率与波特率_百度百科 (baidu.com)

检验位：用于数据验证（9位数据格式的最后一位，可用于奇偶校验等）

停止位：用于数据帧间隔

（图源：B站江协科技视频截图）

串口模式

（图源：B站江协科技视频截图）

数据通过总线传输，波特率由定时器T1控制，即在使用串口时需要配置定时器（经过2分频加16分频或者直接16分频）

发送时，先把8位的数据写入缓存，然后再发出去

接收时，先将数据接收到移位寄存器，然后移到缓存中

TI和RI表示发送中断和接收中断

（图源：普中科技开发手册）

TI和RI用的是同一个中断通道，通过一个或门

串口相关寄存器

（图源：普中科技开发手册）

注：PCON中只有SMOD和SMOD0是控制串口的，其余都是控制电源的

（图源：普中科技开发手册）

串口用的计时器1是“8位自动重装”模式：把两个计数器分开，一个中断后另一个自动重装（即两个计数器的一个用于计数，另一个用于保存一个固定数据，每次重置即为将保存的数值复制到计数所用计数器），只能计0~255，不用手动复位，可以减少运行时间

串口配置

通过stc-isp自动配置

11.0592MHz的系统频率是没有误差的，可以选择较高的波特率，12MHZ的系统频率会有误差，波特率越高误差越大

12MHZ的波特率需要加倍，不加倍的话分频后时钟会变慢（时钟分频后可能无法得到准确的波特率）

波特率计算

在以下条件下：
@9600bps
TL1 = 0xFD;//253
TH1 = 0xFD; 

256-253=3（每次溢出需要的脉冲次数）

3*1.085（每个时间周期对应的时间（us）） = 3.255

T1溢出率（每秒溢出的次数）= 1s / 3.255us = 307,219.6620 = 0.3072196620MHz

0.3072196620MHz / 2 / 16 = 0.0096006144375MHz = 9600.61Hz

通过近似计算得到的结果并非整数，以下为通过计算器计算得出的结果

对波特率倍速降低误差率的分析

（不一定对）

当晶振为12MHz时，选择4800bps，在波特率倍速的情况下，其实际波特率为2400bps，计数器初始化为243，计数13为1次溢出

即每13ns溢出一次，溢出率为76,923.0769

4,807.6923076923076923076923076923

此时误差为0.16%

---

当不使用波特率倍速，计数器初始化为249，计数7次，溢出率为142,857.1428

4,464.285714285714

此时误差为6.99%

由此可知，当系统频率为12MHz时，1秒内的溢出次数（即溢出率）不为整数导致产生误差，而波特率倍速就是将溢出所需时间加长，从而降低每秒溢出的次数，即降低溢出率，通过这种方式可以使溢出率更加接近整数，从而降低误差。

#include 
#include "Delay.h"

void UART_inti()//[email protected]
//初始化寄存器
{
    SCON = 0x40;
    //0100 0000
    PCON = 0;
    //此处不需要配置中断

    //配置定时器1
    TMOD &= 0x0F;       //TMOD高四位置0
    TMOD |= 0x20;       //串口需要用“8位自动重装”模式
    TL1 = 0xFA;         //设置定时初始值
    TH1 = 0xFA;         //设置定时重载值
    ET1 = 0;            //禁止定时器中断
    TR1 = 1;            //定时器1开始计时
}

void UART_SendByte(unsigned int Byte)
//发送数据
{
    SBUF = Byte;
    //将数据写入SBUF
    while(TI == 0);
    //当发送未完成，保持在函数内

    TI = 0;
    //重置TI
}

unsigned char sec = 0;

void main()
{
    UART_inti();
    while(1)
    {
        UART_SendByte(sec);
        sec++;
        Delay(1000);
    }
}

通信工具配置

选择相应的波特率

HEX模式/十六进制模式/二进制模式：以原始数据的形式显示

文本模式/字符模式：以原始数据编码（ASCII美国信息交换标准代码）后的形式显示

当发送数据的函数直接放在while并且没有任何延时时，打开串口接收的数据可能有错误，复位单片机即可（或者加一个延时，但是这样获得的第一个数据还是错误的）

模块化串口配置

#include 

void Uart1_Init(void)   //[email protected]
{
    PCON &= 0x7F;       //波特率不倍速
    SCON = 0x50;        //8位数据,可变波特率
    AUXR &= 0xBF;       //定时器时钟12T模式
    AUXR &= 0xFE;       //串口1选择定时器1为波特率发生器
    TMOD &= 0x0F;       //设置定时器模式
    TMOD |= 0x20;       //设置定时器模式
    TL1 = 0xFD;         //设置定时初始值
    TH1 = 0xFD;         //设置定时重载值
    ET1 = 0;            //禁止定时器中断
    TR1 = 1;            //定时器1开始计时
}


void UART_SendByte(unsigned int Byte)
//发送数据
{
    SBUF = Byte;
    //将数据写入SBUF
    //这里SBUF不用特地判断，写入时为发送端SBUF，读取时为接收端SBUF
    while(TI == 0);
    //当发送未完成，保持在函数内

    TI = 0;
    //重置TI
}

实例：根据接收的数据以二进制形式点亮LED

//在初始化函数中添加
EA = 1;//启动所有中断
ES = 1;//启动串口中断

#include 
#include "Delay.h"
#include "Uart.h"

unsigned char sec = 0;

void main()
{
    Uart_Init();
    while(1)
    {

    }
}


void Uart_Routine() interrupt 4
//出发接收中断后的操作
{
    if(RI == 1)
    //防止发送中断导致操作进行
    {
        P2 = SBUF;
        //读取数据
        Uart_SendByte(SBUF);
        //发送接收到的数据
        RI = 0;
        //清零
    }
}