目錄
1，串口通訊基礎
1.1，同步和異步
1.2，并行和串行?
1.3，單工、半雙工與全雙工通信?
1.4，通信速率?
2，單片機串口通訊
2.1，接口標準?
2.2，通訊協議?
2.3，串口內部結構?
3，串口相關寄存器?
4，波特率計算?
5，串口初始化?
6，開發(fā)板硬件設計?
7，串口發(fā)送和接收程序
8，串口調試總結
9，RS485?
1，串口通訊基礎
什么是通信:
(1)人和人之間的通信：說話、寫信、狼煙、手勢等；
(2)人和計算機之間的通信：按鍵、顯示器、鼠標、觸摸屏等；
(3)計算機和計算機之間的通信；
通信的關鍵：
(1)事先約定；
(2)基本信息單元；
(3)有效信息的編碼、傳輸和解碼?；
通信的專業(yè)性概念：
(1)同步和異步；
(2)單工、半雙工、全雙工；
(3)并行和串行；
(4)電平信號和差分信號?；
1.1，同步和異步
異步通信是指通信的發(fā)送與接收設備使用各自的時鐘控制數據的發(fā)送和接收過程。為使雙方的收發(fā)協調，要求發(fā)送和接收設備的時鐘盡可能一致。
異步通信是以字符（構成的幀）為單位進行傳輸，字符與字符之間的間隙（時間間隔）是任意的，但每個字符中的各位是以固定的時間傳送的，即字符之間不一定有“位間隔”的整數倍的關系，但同一字符內的各位之間的距離均為“ 位間隔”的整數倍。如下圖所示：
異步通信的特點：不要求收發(fā)雙方時鐘的嚴格一致，實現容易，設備開銷較小，但每個字符要附加2～3 位用于起止位，各幀之間還有間隔，因此傳輸效率不高。?
同步通信時要建立發(fā)送方時鐘對接收方時鐘的直接控制，使雙方達到完全同步。此時，傳輸數據的位之間的距離均為“位間隔”的整數倍，同時傳送的字符間不留間隙，即保持位同步關系，也保持字符同步關系。發(fā)送方對接收方的同步可以通過兩種方法實現。如下圖所示：?
1.2，并行和串行?
串行通訊：
串行通信是指使用一條數據線，將數據一位一位地依次傳輸，每一位數據占據一個固定的時間長度。其只需要少數幾條線就可以在系統(tǒng)間交換信息，特別適用于計算機與計算機、計算機與外設之間的遠距離通信。如下圖所示：?
串行通信的特點：傳輸線少，長距離傳送時成本低，且可以利用電話網等現成的設備，但數據的傳送控制比并行通信復雜。?
并行通訊：?
并行通信通常是將數據字節(jié)的各位用多條數據線同時進行傳送，通常是8位、16 位、32 位等數據一起傳輸。如下圖所示：?
并行通信的特點：控制簡單、傳輸速度快；由于傳輸線較多，長距離傳送時成本高且接收方的各位同時接收存在困難，抗干擾能力差。
串口通信基礎：
(1)一種特定的通信協議；
(2)也叫串行通信、串口通信、UART、USART；
(3)異步、串行、全雙工；
1.3，單工、半雙工與全雙工通信?
單工是指數據傳輸僅能沿一個方向，不能實現反向傳輸。如下圖所示：?
半雙工是指數據傳輸可以沿兩個方向，但需要分時進行。如下圖所示：?
全雙工是指數據可以同時進行雙向傳輸。如下圖所示：?
串行通信的主要用途：
(1)早期：計算機之間短距離通信（15米），完備通信機制
(2)現在：CPU之間近距離通信、調試信息輸入輸出，非完備通信?
串行通信的工作方式：
(1)3根線（GND、RxD、TxD）或者9根線；
(2)發(fā)送方有發(fā)送移位寄存器，接收方有接收移位寄存器；
(3)數據在發(fā)送方和接收方的CPU中都以字節(jié)為單位整字節(jié)處理；
(4)數據在通信線上以位為單位逐個bit的傳輸；?
串行通信的主要概念：
(1)起始位、數據位、奇偶校驗位、停止位（幀），一幀數據里各位的定義，例如數據位有幾位；
(2)波特率：一秒鐘傳輸多少個bit位，發(fā)送方和接收方必須波特率設置為一樣，例如9600代表1秒鐘發(fā)送了9600各bit位；
(3)流控：速率協商，現在一般都要禁用掉?；
串口調試助手的串口設置里有對應的波特率，數據位長度，停止位長度的選擇，RTS和DTR代表表速率協商的流控選擇，不勾選。?
1.4，通信速率?
衡量通信性能的一個非常重要的參數就是通信速率，通常以比特率(Bitrate)來表示。比特率是每秒鐘傳輸二進制代碼的位數，單位是：位／秒（ bps）。如每秒鐘傳送240 個字符，而每個字符格式包含10 位(1 個起始位、1 個停止位、8 個數據位)，這時的比特率為：10 位×240 個/秒= 2400 bps?。
在后面會遇到一個“波特率”的概念，它表示每秒鐘傳輸了多少個碼元。而碼元是通信信號調制的概念，通信中常用時間間隔相同的符號來表示一個二進制數字，這樣的信號稱為碼元。如常見的通信傳輸中，用0V 表示數字0，5V 表示數字1，那么一個碼元可以表示兩種狀態(tài)0 和1，所以一個碼元等于一個二進制比特位，此時波特率的大小與比特率一致；如果在通信傳輸中，有0V、2V、4V 以及6V 分別表示二進制數00、01、10、11，那么每個碼元可以表示四種狀態(tài)，即兩個二進制比特位，所以碼元數是二進制比特位數的一半，這個時候的波特率為比特率的一半。由于很多常見的通信中一個碼元都是表示兩種狀態(tài)，所以我們常常直接以波特率來表示比特率。?
先搞清楚以下問題：
(1)串行通信功能是SoC的一個（內部）外設提供的，與CPU本身無關；
(2)各種不同SoC的串行通信大同小異；
(3)串行通信經常作為主控SoC與其他外部芯片之間的通信接口；
2，單片機串口通訊
2.1，接口標準?
串口通信(Serial Communication)，是指外設和計算機間通過數據信號線、地線等按位進行傳輸數據的一種通信方式，屬于串行通信方式。串口是一種接口標準，它規(guī)定了接口的電氣標準，沒有規(guī)定接口插件電纜以及使用的協議。?
串口通信的接口標準有很多，有RS-232C、RS-232、RS-422A、RS-485 等。常用的是RS-232 和RS-485。RS-232 其實是RS-232C 的改進，原理是一樣的。這里我們就以RS-232C 接口進行解。
RS-232C 是EIA（美國電子工業(yè)協會）1969 年修訂RS-232C 標準。RS-232C定義了數據終端設備（DTE）與數據通信設備（DCE）之間的物理接口標準。RS-232C 接口規(guī)定使用25 針連接器，簡稱DB25，連接器的尺寸及每個插針的排列位置都有明確的定義，如下圖所示：?
RS-232C 還有一種9 針的非標準連接器接口，簡稱DB9。串口通信使用的大多都是DB9 接口。DB25 和DB9 接頭有公頭和母頭之分，其中帶針狀的接頭是公頭，而帶孔狀的接頭是母頭。9 針串口線的外觀圖如下圖所示：?
從上圖中可以看到公頭和母頭的管腳定義順序是不一樣，這一點需要特別注意。這些管腳都有什么作用呢？ 9 針串口和25 針串口常用管腳的功能說明如下圖所示：?
在串口通信中，通常我們只使用2、3、5 三個管腳，即TXD、RXD、SGND，其他管腳功能大家看不明白也沒關系。
RS-232C 對邏輯電平也做了規(guī)定，如下：
在TXD 和RXD 數據線上：
1.邏輯1 為-3~-15V 的電壓 ；2.邏輯0 為3~15V 的電壓
在RTS、CTS、DSR、DTR 和DCD 等控制線上：
1.信號有效（ ON 狀態(tài)） 為3~15V 的電壓
2.信號無效（ OFF 狀態(tài)） 為-3~-15V 的電壓
由此可見，RS-232C 是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與晶體管-晶體管邏輯集成電路（TTL）以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定正好相反。而我們51 單片機使用的就是TTL 電平，所以要實現51 單片機與計算機的串口通信，需要進行TTL與RS-232C 電平轉換，通常使用的電平轉換芯片是MAX232。?
在串口通信中通常PC 機的DB9 為公頭，單片機上使用的串口DB9 為母頭，通過一根直通串口線進行相連。在9 針串口線實物圖即為直通型串口線，串口線（COM）母頭連接計算機DB9 的公頭，串口線公頭連接單片機上使用的DB9 母頭，這樣就是將2、3、5 管腳直接相連。如果你要實現兩臺計算機串口通信，那么就需要一根交叉串口線，將2 對3、3 對2、5 對5 連接，交叉串口線一般兩頭都是母頭。?
串口通信中還需要注意的是，串口數據收發(fā)線要交叉連接，計算機的TXD要對應單片機的RXD，計算機的RXD 要對應單片機的TXD，并且共GND，如下圖：?
有的朋友就會問了，在計算機與單片機進行串口通信時，使用的不是直通線嗎，這時候怎么讓TXD 與RXD 交叉連接？前面我們說了單片機處理的是TTL電平，需要使用RS232 電平轉換芯片，將RS232 電平轉換芯片串行數據輸出管腳交叉連接在DB9 母頭上即可，本章后面硬件設計部分會介紹。?
2.2，通訊協議?
RS232 的通信協議比較簡單，通常遵循96-N-8-1 格式。
“96”表示的是通信波特率為9600。串口通信中通常使用的是異步串口通信，即沒有時鐘線，所以兩個設備要通信，必須要保持一致的波特率，當然，波特率常用值還有4800、115200 等。
“N”表示的是無校驗位，由于串口通信相對更容易受到外部干擾導致傳輸數據出現偏差，可以在傳輸過程加上校驗位來解決這個問題。校驗方法有奇校驗(odd)、偶校驗(even)、0 校驗(space)、1 校驗(mark)以及無校驗(noparity)。具體的介紹，大家可以百度串口通信了解。?
“8”表示的是數據位數為8 位，其數據格式在前面介紹異步通信中已講過。當然數據位數還可以為5、6、7 位長度。?
“1”表示的是1 位停止位，串口通訊的一個數據包從起始信號開始，直到停止信號結束。數據包的起始信號由一個邏輯0 的數據位表示，而數據包的停止信號可由0.5、1、1.5 或2 個邏輯1 的數據位表示，只要雙方約定一致即可。?
2.3，串口內部結構?
上圖中右邊的TXD 和RXD 為單片機IO 口，TXD 對應的是P3.1 管腳，RXD 對應的是P3.0 管腳。其內部工作方式在后面小節(jié)會介紹。?
3，串口相關寄存器?
實際串口例程中用的寄存器包括SCON/SBUF/PCON/IE的部分bit位，SCON中使用SM0和SM1選擇工作方式，REN代表是否允許串口接收，實際例程是要接收上位機的數據所以要允許唇口接收，TI代表串口發(fā)送中斷標志位，表示一幀數據是否發(fā)送完成，RI代表接收數據的中斷標志位，TI/RI由硬件置位，由軟件復位；
SBUF代表發(fā)送接收數據的寄存器；
PCON是使用到SMOD和SMOD0，SMOD代表波特率是否加倍，SMOD0的設置會影響到SCON的SM0/FE；
IE使用到EA/ES/ET1;?
串口控制寄存器SCON：
SM0 和SM1 為工作方式選擇位：?
注意：溢出率使用的是定時器1的溢出率。
方式2和方式3中的9位UART的意思是發(fā)送的一幀數據中有9位數據位，一般使用方式1，數據位是8位。?
SM2：多機通信控制位，主要用于方式2 和方式3。當SM2=1 時可以利用收到的RB8 來控制是否激活RI（RB8＝0 時不激活RI，收到的信息丟棄；RB8＝1 時收到的數據進入SBUF，并激活RI，進而在中斷服務中將數據從SBUF 讀走）。當SM2=0 時，不論收到的RB8 為0 和1，均可以使收到的數據進入SBUF，并激活RI（即此時RB8 不具有控制RI 激活的功能）。通過控制SM2，可以實現多機通信。?
REN：允許串行接收位。由軟件置REN=1，則啟動串行口接收數據；若軟件置REN=0，則禁止接收。?
TB8：在方式2 或方式3 中，是發(fā)送數據的第9 位，可以用軟件規(guī)定其作用?？梢杂米鲾祿钠媾夹ｒ炍?，或在多機通信中，作為地址幀/數據幀的標志位。在方式0 和方式1 中，該位未用到。?
RB8：在方式2 或方式3 中，是接收到數據的第9 位，作為奇偶校驗位或地址幀/數據幀的標志位。在方式1 時，若SM2=0，則RB8 是接收到的停止位。
TI：發(fā)送中斷標志位。在方式0 時，當串行發(fā)送第8 位數據結束時，或在其它方式，串行發(fā)送停止位的開始時，由內部硬件使TI 置1，向CPU 發(fā)中斷申請。在中斷服務程序中，必須用軟件將其清0，取消此中斷申請。 代表是否將數據發(fā)送完成。
RI：接收中斷標志位。在方式0 時，當串行接收第8 位數據結束時，或在其它方式，串行接收停止位的中間時，由內部硬件使RI 置1，向CPU 發(fā)中斷申請。也必須在中斷服務程序中，用軟件將其清0，取消此中斷申請。?
使用中斷方式來發(fā)送/接收數據非常合適，提升CPU使用率，會使用到TI/RI標志位（TI/RI標志位代表硬件是否將數據發(fā)送/接收完成，發(fā)送/接收完成硬件將TI/RI標志位置1，需要使用軟件復位為0）。會使用串行口允許中斷ES。
電源控制寄存器PCON：?
SMOD：波特率倍增位。在串口方式1、方式2、方式3 時，波特率與SMOD 有關，當SMOD=1 時，波特率提高一倍。復位時，SMOD=0。?
波特率加倍主要目的是如果要達到一個很高的波特率，當前計算不能滿足，就需要用到波特率加倍。
中斷允許寄存器：
會用到串行口中斷允許位ES(用于發(fā)送/接收數據)，以及定時器中斷（用于波特率計算）。
4，波特率計算?
以方式1為例，計算波特率：
方式1 的波特率=（2SMOD/32）·（T1 溢出率） ，其中T1 溢出率= fosc /{12×[256 －（TH1）]}。
可以使用小工具51波特率計算自動生成波特率 ：
選擇定時器工作方式，輸入開發(fā)板上使用的晶振頻率大小，選擇所要使用的波特率，SMOD 為是否倍頻，這個在前面介紹寄存器時說過，下面的誤差大小可以反映出通信時是否出現亂碼。在使用串口通信時，定時器1 工作方式為2，串口工作方式為1，以開發(fā)板晶振是11.0592Mh 為例，假如晶振頻率是12M，那么在生成的波特率就會有誤差而導致通信出錯。為什么替換可以從誤差值反映出來。在本章實驗中波特率選擇9600，使用SMOD，即值為1，點擊確定后即會自動生成定時/計數器THx 的值。如下所示：
從上圖可知，使用11.0592M 晶振時，誤差為0。我們對比下當外部晶振使用12Mh 時，波特率誤差多大，如下所示：?
從上圖可知，當使用12M 晶振時，波特率誤差有6.98%，是比較大的，會導致在通信過程中出現亂碼等錯誤信息。這是我們不希望看到的，所以再次說明下，在做串口通信實驗時，一定要確認外部晶振是否是11.0592M。?
5，串口初始化?
①確定T1 的工作方式（TMOD 寄存器）；
②確定串口工作方式（SCON 寄存器）；
③計算T1 的初值（設定波特率），裝載TH1、TL1；
④啟動T1（TCON 中的TR1 位）；
⑤如果使用中斷，需開啟串口中斷控制位（IE 寄存器）。?
例如：設置串口為工作方式1、波特率為9600、波特率加倍、使用中斷。其配置程序如下：?
#include <reg51.h>
void uart_ini()
{
TMOD = 0x20; //定時器1，工作方式2
TH1 = 0xFA; //設置波特率9600
TL1 = 0xFA;
SCON = 0x50; //工作方式1，允許串行接收
PCON = 0x80; //波特率加倍
EA = 1; //總中斷
ES = 1; //串口中斷
TR1 = 1; //定時器1工作，但不會使用定時器1的中斷
}思考：為什么要將定時器1的TR1置1？?
6，開發(fā)板硬件設計?
開發(fā)板上板載一個USB 轉TTL 模塊和一個RS232 模塊，這兩個模塊都可進行串口通信。其硬件電路如下所示：
從上圖中可以看出，通過CH340 芯片把51 單片機的串口與PC 機的USB 口進行連接，不僅可以實現程序的燒入，還可實現串口通信功能。根據前面介紹，串口通信需將數據收發(fā)管腳交叉連接，所以可以看到在CH340 芯片的2 和3 腳已做處理。電路中其他部分是自動下載電路部分，目的是控制單片機的電源，無需冷啟動。使用USB 轉串口芯片，免去了一根串口線，使用普通USB 數據線（支持安卓手機數據線）就可以進行串口通信。?
從上圖中可以看到CH340 的2、3 腳串口并非直接連接到單片機串口，而是連接在J39 和J44 端子上，這樣就把CH340 的串口與單片機串口獨立出來，為什么不直接連接而要使用這個J39 和J44 端子呢？這是方便用戶可以使用開發(fā)板上的USB 轉TTL 模塊（也就是CH340 轉串口模塊）做一些串口類模塊的調試，比如：WIFI、藍牙、GPS、GPRS 等，直接利用PC 上位機來調試模塊。同時也方便用戶使用板載USB 轉TTL 模塊給其它類型單片機下載程序。?
如果使用黃色跳線帽將J39 和J44 端子的2、3 短接，那么CH340 串口與單片機串口是連接一起的，此時即可實現程序的下載或串口通信。?
7，串口發(fā)送和接收程序
/**********************************************************************************
****
實驗名稱：串口通信實驗
接線說明：
實驗現象：下載程序后，當串口助手發(fā)送數據給單片機，單片機原封不動轉發(fā)給串口助手顯示
注意事項：使用黃色跳線帽將CH340 旁的J39 端子的UTX 和P30 短接，URX 和P31 短接，出廠默
認已短接好
***********************************************************************************
****/
#include "reg52.h"
typedef unsigned int u16;//對系統(tǒng)默認數據類型進行重定義
typedef unsigned char u8;
/*******************************************************************************
* 函數名: uart_init
* 函數功能: 串口通信中斷配置函數，通過設置TH 和TL 即可確定定時時間
* 輸入: baud：波特率對應的TH、TL 裝載值
* 輸出: 無
*******************************************************************************/
void uart_init(u8 baud)
{
TMOD|=0X20; //設置計數器工作方式2
SCON=0X50; //設置為工作方式1
PCON=0X80; //波特率加倍
TH1=baud; //計數器初始值設置
TL1=baud;
ES=1; //打開接收中斷
EA=1; //打開總中斷
TR1=1; //打開計數器
}
/*******************************************************************************
* 函數名: main
* 函數功能: 主函數
* 輸入: 無
* 輸出: 無
*******************************************************************************/
void main()
{
uart_init(0XFA);//波特率為9600
while(1)
{
}
}
void uart() interrupt 4 //串口通信中斷函數
{
u8 rec_data;
RI = 0; //清除接收中斷標志位
rec_data=SBUF; //存儲接收到的數據
SBUF=rec_data; //將接收到的數據放入到發(fā)送寄存器
while(!TI); //等待發(fā)送數據完成
TI=0; //清除發(fā)送完成標志位
}注意：要將晶振更換為11.0592MHz的，如果使用12MHz的收到的是亂碼。
思考：當通過串口調試助手將一個字符串發(fā)給單片機后，?串口調試助手也會收到這個字符串，在串口調試助手中收到這個字符串時是很快速的就會顯示的，如果在程序中將每次發(fā)送數據時延遲一段時間，串口調試助手會有怎樣的顯示？
實驗代碼比較簡單，首先定義了串口通信中斷配置函數uart_init，該函數有一個入口參數baud，該值可改變通信波特率。該函數的實現即是按照前面介紹的串口配置步驟。
最后進入while 循環(huán)，在循環(huán)體內不執(zhí)行任何功能程序。如果發(fā)生接收中斷，即會進入串口中斷執(zhí)行，在中斷程序內將接收中斷標志位RI置0，讀取接收寄存器內的數據，并將讀取的數據發(fā)給發(fā)送寄存器，直到發(fā)送完畢，硬件將發(fā)送完成中斷標志位TI置1后，通過軟件再將TI置0，執(zhí)行完后回到主函數內繼續(xù)運行，如此循環(huán)。?
上面的程序中，是通過串口調試助手給單片機發(fā)送數據后觸發(fā)了中斷執(zhí)行函數，中斷執(zhí)行函數內從SBUF讀取接收到的數據，然后在通過SBUF從單片機發(fā)送出去給串口調試助手，也就是發(fā)送的數據借用這個串口中斷執(zhí)行函數來發(fā)送的。
思考：如何通過中斷實現發(fā)送數據？
思考程序：1，發(fā)送一個字符串；2，串口助手發(fā)送數據給單片機，單片機原封不動再發(fā)給串口助手。?
還有一種類似串口調試助手的軟件SecureCRT也可實現收發(fā)數據。
串口實際調試中，直接發(fā)送一個字符串時，發(fā)現往字符串發(fā)送函數中不能直接傳入一個字符串，需要將指向字符串的指針傳入，也就是以下形式：
unsigned char *str = "abcdef";
void uart_send_string(unsigned char *str)
{
while (*str != '\0')
{
uart_send_byte(*str); // 發(fā)送1個字符
str++; // 指針指向下一個字符
}
}
uart_send_string(str);以下代碼為PC發(fā)送數據給單片機，然后通過串口調試助手回讀數據：
#include "reg51.h"
typedef unsigned int u16;//對系統(tǒng)默認數據類型進行重定義
typedef unsigned char u8;
void uart_send_byte(unsigned char c);
void delay(void);
void uart_send_string(unsigned char *str);
void uart_init(u8 baud)
{
TMOD|=0X20; //設置計數器工作方式2
SCON=0X50; //設置為工作方式1
PCON=0X80; //波特率加倍
TH1=baud; //計數器初始值設置
TL1=baud;
ES=1; //打開接收中斷
EA=1; //打開總中斷
TR1=1; //打開計數器
}
void main()
{
unsigned char *str = "劉海龍";
uart_init(0XFA);//波特率為9600
// while(1)
// {
// //send_byte('A');
// //uart_send_byte('B');
// uart_send_string(str);
// uart_send_byte('\n');
// delay();
// }
while(1);
}
void uart_send_byte(unsigned char c)
{
// 第1步，發(fā)送一個字節(jié)
SBUF = c;
// 第2步，先確認串口發(fā)送部分沒有在忙
while (!TI);
// 第3步，軟件復位TI標志位
TI = 0;
}
void uart_send_string(unsigned char *str)
{
while (*str != '\0')
{
uart_send_byte(*str); // 發(fā)送1個字符
str++; // 指針指向下一個字符
}
}
void delay(void)
{
unsigned char i, j;
for (i=0; i<200; i++)
for (j=0; j<200; j++);
}
void uart_rec() interrupt 4
{
unsigned char tmp;
if(RI)
{
tmp = SBUF;
RI = 0;
}
uart_send_byte(tmp);
}注意：中斷函數中需要通過軟件將RI置0，另外在中斷函數內使用字節(jié)發(fā)送函數uart_send_byte()?發(fā)送數據，不使用那個字符串發(fā)送函數。
8，串口調試總結
串口編程主要以下幾步：
第一步：找到相關寄存器；
第二部：模式選擇，波特率設定以及對應定時器設定，打開串口中斷；
第三步：單片機發(fā)出數據可以使用問詢方式輸出，也可使用中斷方式輸出，單片機接收數據只能通過中斷方式接收；
第四步：如果需要使用中斷，需要設定串口對應的中斷函數，在中斷函數中接收數據以及發(fā)送數據。文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-764786.html
9，RS485?
待完善。?文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-764786.html
到了這里，關于單片機第一季：零基礎10——串口通信和RS485的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內容，請在右上角搜索TOY模板網以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章，希望大家以后多多支持TOY模板網！
