基于單片機(jī)的串口通信實驗 串口通信基礎(chǔ)知識

10.1 串口通信基礎(chǔ)知識

前面講解的都是單片機(jī)自身的一些功能，并未涉及單片機(jī)與其它單片機(jī)或者計算機(jī)之間通信。那么單片機(jī)與其它設(shè)備之間又是怎么通信的呢？通常來講有兩種通信方式，即并行通信與串行通信。

兩個單片機(jī)之間的并口通信，以 8 位為例，直接將單片機(jī) 1 的 8 位 I/O 口 P0 與單片機(jī) 2 的 P1 相連接，在同步時鐘信號的作用進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。以單片機(jī) 1 向單片機(jī) 2 傳輸數(shù)據(jù) 0x7B 為例，單片機(jī) 1 只需將數(shù)據(jù) 0x7B 輸出到 P0 口上，單片機(jī) 2 在同步時鐘信號的步調(diào)下將 0x7B 直接讀取。此時同步時鐘信號的周期長短將決定數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋芷谠蕉蹋俣仍娇?。并口通信的最大?yōu)點為速度快，一個時鐘周期內(nèi)可以傳播一個字節(jié)，甚至多個字節(jié)，缺點為需要占用大量的 I/O 口資源，對于大多數(shù)資源緊張的應(yīng)用場合來說，這種方法是不可取的，而串行通信有效的解決了資源問題。

STC89C52 系列單片機(jī)配置了串行方式通信接口，對應(yīng)單片機(jī)的管腳 P3.0/RxD，串行數(shù)據(jù)接收引腳、P3.1/TxD，串行數(shù)據(jù)發(fā)送引腳。如上圖所示，單片機(jī) 1 的串行發(fā)送引腳 TxD 與單片機(jī) 2 的串行數(shù)據(jù)接收引腳 RxD 相連接，形成了一條單片機(jī) 1 發(fā)送、單片機(jī) 2 接收的數(shù)據(jù)通信鏈路。單片機(jī) 2 的 TxD 與單片機(jī) 1 的 RxD 連接，形成了一條單片機(jī) 2 發(fā)送、單片機(jī) 1 接收數(shù)據(jù)的通信鏈路。單片機(jī) 1 的 GND 與單片機(jī) 2 的 GND 相連接確保了兩個單片機(jī)在同一電源基準(zhǔn)下工作。接下來講解單片機(jī)串行通信的工作原理。

同樣以單片機(jī) 1 向單片機(jī) 2 發(fā)送數(shù)據(jù) 0x7B 為例，二進(jìn)制表示為 01111011，單片機(jī)依次 01111011 的最低位‘1’到最高位‘0’依次發(fā)送出去。發(fā)送 1 的時候為將 TxD 拉高’一段時間’，發(fā)送 0 的時候為將 TxD 拉低‘一段時間’，即發(fā)送數(shù)據(jù)的時候后，每發(fā)送一位都持續(xù)‘一段時間’，發(fā)送 0x7B 的從低位到高位的順序為：1->1->0->1->1->1->1->0。“一段時間”的長短決定了單片機(jī)的串口傳輸?shù)乃俣?，時間越短，傳輸速度越快。那么在同樣位傳輸速率的情況下，并行通信速度為串行通信的 8 倍，顯然串行通信以犧牲速度的方式換取了更多的資源，這就是時間換資源的概念。

10.2 波特率概念

上面講解的“一段時間”實際上為單片機(jī)串口傳輸 1 位數(shù)據(jù)所耗費(fèi)的時間，在應(yīng)用中我們常常把 1 秒傳輸多少位來衡量單片機(jī)串口傳輸速率，這就是波特率的概念。例如通信雙方約定波特率為：9600bps，即每秒傳輸 9600 位(bps：bit per second)。波特率在單片串口通信中為非常重要的參數(shù)指標(biāo)，通信雙方只有在約定共同的波特率下才能保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。

在單片機(jī)串口通信中，并沒有同步時鐘信號來統(tǒng)一數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，通過雙方約定的波特率來保證數(shù)據(jù)的通信。以單片機(jī) 1 向單片機(jī) 2 發(fā)送數(shù)據(jù)為例，假設(shè)雙方設(shè)定的波特率為 9600bps，那么單片機(jī) 2 是怎么知道單片機(jī) 1 什么時候給它發(fā)送數(shù)據(jù)，又是什么時候結(jié)束的呢？

這里我們引入兩個重要的概念，起始位和停止位。單片機(jī)在沒有進(jìn)行串口通信的情況下，數(shù)據(jù)發(fā)送引腳 TxD 為高電平，當(dāng)單片機(jī) 1 需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先通過 TXD 發(fā)送一位“0”，即把單片機(jī) TxD 從高電平拉低，當(dāng)單片機(jī) 2 檢測到數(shù)據(jù)接收引腳 RxD 的低電平后便開始接收數(shù)據(jù)了。那么這里單片機(jī) 1 發(fā)送的第一位“0”稱為起止位。緊接著單片機(jī) 1 將 8 位數(shù)據(jù)依次發(fā)送出去，當(dāng) 8 位數(shù)據(jù)發(fā)送完后，單片機(jī)發(fā)送一位“1”，單片機(jī) 2 接收完 8 位數(shù)據(jù)后，又接收到一位“1”，便知道停止發(fā)送數(shù)據(jù)了，至此便完成了一次數(shù)據(jù)的傳輸。這里單片機(jī) 1 發(fā)送的最后一位“1”稱之為停止位。根據(jù)上面的步驟，完成一次數(shù)據(jù)的傳輸，包括起始位、8 位數(shù)據(jù)、停止位，總共 10 位數(shù)據(jù)，如下圖所示。這里的 10 位數(shù)據(jù)稱之為一幀數(shù)據(jù)。

10.3 單片機(jī)串口通信

下面講解一下單片機(jī)串口的工作原理。STC89C52系列單片機(jī)串口內(nèi)部模塊有兩個獨立的串行口緩沖寄存器（SBUF），兩個寄存器均為8位，一個為發(fā)送SBUF，只能往里寫數(shù)據(jù)、另一個為接收SBUF、只能讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)單片機(jī)要通過串口往外發(fā)送數(shù)據(jù)時，只需要將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送SBUF中，通過TxD引腳將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。當(dāng)一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，內(nèi)部硬件自動置位TI,即TI=1，請求中斷處理。前面講過串口中斷是單片機(jī)中斷源的一種，產(chǎn)生中斷后，程序進(jìn)入串口中斷函數(shù)。同樣，當(dāng)單片機(jī)接收到一幀數(shù)據(jù)后，內(nèi)部硬件自動置位RI，即RI=1，請求串口中斷處理，進(jìn)入串口中斷函數(shù)。讀取接收SBUF可獲得通過串口接收到的數(shù)據(jù)。

在單片機(jī)內(nèi)部編程中兩個寄存器共用 SBUF 這個名字，那么怎么區(qū)分是對發(fā)送還是接收 SBUF 進(jìn)行操作呢？由于這兩個寄存器一個只能讀、另一個只能寫。當(dāng)程序中往 SBUF 中寫入數(shù)據(jù)時，則代表操作發(fā)送 SBUF，當(dāng)程序中讀取 SBUF 的數(shù)據(jù)時，則代表操作接收 SBUF。

通過上面的介紹，無論是接收到一幀數(shù)據(jù)，還是發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)，程序都會產(chǎn)生串口中斷，那么在串口中斷程序中是怎么區(qū)分來的是接收中斷還是發(fā)送中斷呢？在單片機(jī)串口中斷程序開始的地方通過查詢中斷標(biāo)志位 TI、RI 哪個為 1 來判斷串口中斷的類型。

10.4 串口通信控制寄存器

和單片機(jī)的其它功能的實現(xiàn)一樣，通過配置相應(yīng)的特殊功能寄存器來實現(xiàn)串口通信的功能。與 STC89C52 系列單片機(jī)串口通信相關(guān)的寄存器如下表所示：

熟練掌握上述特殊功能寄存器的應(yīng)用便能掌握 STC89C52 系列單片機(jī)的串口功能應(yīng)用。

10.4.1 串行口控制寄存器 SCON 和 PCON

STC89C52 系列單片機(jī)共設(shè)有兩個控制寄存器：串行口控制寄存器 SCON 和波特率選擇特殊功能寄存器 PCON。SCON 用于設(shè)置串口的工作方式和某些控制功能，寄存器格式如下表所示：

其中，SM0、SM1 共同組合確定串口的工作方式：

如上所示，單片機(jī)共有 4 種工作方式，各工作方式的主要區(qū)別為數(shù)據(jù)的位數(shù)以及波特率的不同。方式 0、1 均為 8 位數(shù)據(jù)模式，方式 2，3 為 9 位數(shù)據(jù)模式。方式 0，2 為固定波特率模式，方式 1，3 為波特率可變模式。根據(jù)應(yīng)用場合的不同可以選擇相應(yīng)的工作模式。方式 1，3 最為常用。

SM2：為方式 2 或方式 3 多機(jī)通信控制位。

REN：允許/禁止串行接收控制位。有軟件置位，當(dāng) REN=1 時，允許接收 RxD 引腳數(shù)據(jù)，當(dāng) REN=0 時，禁止接收串行數(shù)據(jù)。

TB8：在方式 2 或方式 3，它為要發(fā)送的第 9 位數(shù)據(jù)，按需要進(jìn)行置位或清零。例如可作為數(shù)據(jù)的校驗位。

RB8：在方式 2 或方式 3，是接收到的第 9 位數(shù)據(jù)。

TI：發(fā)送中斷請求標(biāo)志位。在發(fā)送完數(shù)據(jù)后，由內(nèi)部硬件自動置位，即 TI=1，向主機(jī)請求中斷，響應(yīng)中斷后必須用軟件復(fù)位，即 TI=0。

RI：接收中斷請求標(biāo)志位。在發(fā)送完數(shù)據(jù)后，由內(nèi)部硬件自動置位，即 RI=1，向主機(jī)請求中斷，響應(yīng)中斷后必須用軟件復(fù)位，即 RI=0。

在中斷請求 TI 或 RI 響應(yīng)完串口中斷函數(shù)后，必須由軟件進(jìn)行復(fù)位，否則將程序?qū)⒍啻芜M(jìn)入中斷函數(shù)。

PCON 為串口波特率選擇特殊功能寄存器，格式如下：

SMOD：波特率選擇位。當(dāng)軟件置位 SMOD，即 SMOD=1，則使串口工作方式 1，2，3 的波特率加倍，當(dāng)軟件清零 SMOD，即 SMOD=0，波特率不加倍。

中斷允許寄存器 IE 的 ES 位為串行口中斷允許位，ES=1，允許串行口中斷，ES=0，屏蔽串行口中斷。
根據(jù)上面介紹，我們大致可分析出單片機(jī)在進(jìn)行通信之前要對上述寄存器進(jìn)行設(shè)置。通過設(shè)置寄存器 SCON 選擇串口工作方式，允許串口接收數(shù)據(jù)。設(shè)置 PCON 寄存器是否波特率加倍，設(shè)置中斷控制寄存器 IE 允許串口中斷。

10.4.2 波特率的計算

由表 10-4 所示，STC89C52 系列單片機(jī)工作在方式 1，3 時，波特率不僅與 SMOD 值有關(guān)，還與定時器 1 的溢出率有關(guān)。

方式 1，3 波特率 =2SMOD/32x(定時器 1 的溢出率)

• 當(dāng)單片機(jī)工作在 12T 模式下，定時器 1 的溢出率 =SYSclk/12/(256-TH1)
• 當(dāng)單片機(jī)共工作在 6T 模式下，定時器 1 的溢出率 =SYSclk/6/(256-TH1)

其中，SYSclk 為系統(tǒng)時鐘頻率，在 RY-51 單片機(jī)系統(tǒng)時鐘為晶振時鐘頻率 11.0592MHz。
其中，TH1 為定時器工作在模式 2 的初始值，當(dāng)定時器工作在模式 2 時為 8 位自動重裝模式，當(dāng)定時器產(chǎn)生溢出時，系統(tǒng)會自動把 TL1 的值自動重載到 TH1 中開始重新定時，因此，在單片機(jī)編程過程中只需在初始化時將初始值同時賦值給 TH1，TL1 保證波特率正常的產(chǎn)生。

由上面公式計算可得，當(dāng)單片機(jī)工作在 12T 模式下，定時器 1 初始值：
TH1 =TL1=256- SYSclk x2SMOD/32 /12/波特率
當(dāng)單片機(jī)工作在 6T 模式下，定時器 1 初始值：
TH1 =TL1=256- SYSclk x2SMOD/32 /6/波特率

10.4.3 串口轉(zhuǎn) USB

單片機(jī)與單片之間通可以采用串口直接相連的方式進(jìn)行，而計算機(jī)一般并沒有配置與單片機(jī)接口一致的的串行通信接口，但一般計算機(jī)都配備了 USB 接口。在我們前面經(jīng)常使用到的通過 USB 將程序下載到單片機(jī)，實際上是在計算機(jī) USB 與單片機(jī)之間增加了一個串口轉(zhuǎn) USB 模塊。在 RY-51 單片機(jī)開發(fā)板是配置了串口轉(zhuǎn) USB 芯片 CH340G，硬件原理圖如下所示：

如圖所示，USB+、USB-分別連接到計算機(jī) USB 接口的數(shù)據(jù)正負(fù)端，USB_RX、USB_TX 分別連接到單片機(jī)的 P3.0(RxD)、P3.1(TxD)引腳。在計算機(jī)安裝好串口轉(zhuǎn) USB 驅(qū)動后，便可實現(xiàn)計算機(jī)與單片機(jī)之間的通信。我們經(jīng)常使用串口調(diào)試助手來實現(xiàn)單片機(jī)與計算機(jī)專家的通信，串口調(diào)試助手軟件主界面如下圖所示：

如上圖所示，串口調(diào)試助手界面主要包含三大塊，首先為通信方式選擇區(qū)，根據(jù)通信雙方的約定選擇合適的參數(shù)，數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)，將數(shù)據(jù)輸入到這個區(qū)域，點擊發(fā)送可將數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)，接收數(shù)據(jù)顯示區(qū)，顧名思義計算機(jī)接收到單片機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)將顯示到該區(qū)域。

10.5 串口功能應(yīng)用

前面介紹了單片機(jī)串口工作原理，這節(jié)我們結(jié)合上面內(nèi)容舉例說明串口的實際應(yīng)用。程序?qū)崿F(xiàn)的功能為：首先由計算機(jī)通過串口調(diào)試助手往單片機(jī)發(fā)送一個數(shù)據(jù)，當(dāng)單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后翻轉(zhuǎn) led0 小燈，并將接收到的數(shù)據(jù)加 1 發(fā)送給計算機(jī)，發(fā)送完數(shù)據(jù)后翻轉(zhuǎn) led1。串口應(yīng)用程序編寫順序如下：

1. 配置串口工作方式 1，并允許接收串口數(shù)據(jù)
2. 初始化 SMOD
3. 配置定時器位工作模式 2，8 位自動重裝模式
4. 初始化 TH1，TL1
5. 啟動定時器，并禁止定時器中斷
6. 允許串口中斷，允許總中斷
7. 編寫串口中斷程序
   串口應(yīng)用程序代碼如下：

/*----------------------------------------------------
** 串口應(yīng)用程序
**	串口工作方式1，定時器1工作模式2
**  將接收到的數(shù)據(jù)加1發(fā)送回去，收到數(shù)據(jù)時翻轉(zhuǎn)led0
**  發(fā)送完數(shù)據(jù)時翻轉(zhuǎn)led1
**
----------------------------------------------------*/
#include< reg52.h >

#define uchar  unsigned char
#define uint unsigned int

#define FOSC 11059200 //單片機(jī)晶振頻率
#define BAUD 9600	  //波特率設(shè)置為9600

sbit led0 = P1^0; //led0位聲明
sbit led1 = P1^1; //led1位聲明

void main()
{
	SCON = 0x50;//串口配置為工作方式1
	PCON = 0;   //波特率不加倍

	TMOD = 0x20;//設(shè)置定時器1為8位自動重裝模式
	TH1=TL1= 256- FOSC/32/12/BAUD;//定時器1賦初始值
	
	ET1 = 0;//禁止定時器1中斷
	TR1 = 1;//啟動定時器1

	ES = 1;//允許串口中斷
	EA = 1;//開總中斷
	
	while(1);		
}
//串口中斷函數(shù)
void Uart_r(void) interrupt 4
{
	if(RI)
	{
		RI = 0;		   //清零接收中斷
		SBUF = SBUF+1;   //讀取接收到的數(shù)據(jù)加1并發(fā)送出去
		led0 = ~led0;  //翻轉(zhuǎn)led0
	}
	if(TI)
	{
		TI = 0;		   //清零發(fā)送中斷
		led1 = ~led1;  //翻轉(zhuǎn)led1
	}
}

將上述代碼編譯后，下載到開發(fā)板進(jìn)行測試，打開串口調(diào)試助手軟件，設(shè)置后下圖中紅框中參數(shù)，點擊打開串口，如果打開串口成功，軟件左上角紅色指示燈燈會點亮。

在數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)輸入 16 進(jìn)制數(shù)“EF”，點擊“手動發(fā)送”按鈕將數(shù)據(jù)“EF”發(fā)送給單片機(jī)，此時觀察到串口調(diào)試助手?jǐn)?shù)據(jù)接受區(qū)接收到 “F0”，接收到的值正好為發(fā)送的數(shù)值加 1，與我們預(yù)期的結(jié)果相同。同時觀察 RY-51 開發(fā) led0，led1 小燈也發(fā)生了翻轉(zhuǎn)。

上面的程序只是發(fā)送單個字節(jié)的程序，下面舉例說明字符串的發(fā)送方法。功能為當(dāng) RY-51 開發(fā)板上電后向計算機(jī)發(fā)送指定的字符串。為了程序的可讀性，我們將定時器的初始化放到初始化函數(shù) Uart_int()。代碼如下所示：

/*----------------------------------------------------
** 串口應(yīng)用程序
**	串口工作方式1，定時器1工作模式2
**  將接收到的數(shù)據(jù)加1發(fā)送回去，收到數(shù)據(jù)時翻轉(zhuǎn)led0
**  發(fā)送完數(shù)據(jù)時翻轉(zhuǎn)led1
**  上電后向單片機(jī)發(fā)送指定字符串
**
----------------------------------------------------*/
#include< reg52.h >

#define uchar  unsigned char
#define uint unsigned int

#define FOSC 11059200 //單片機(jī)晶振頻率
#define BAUD 9600	  //波特率設(shè)置為9600

sbit led0 = P1^0; //led0位聲明
sbit led1 = P1^1; //led1位聲明
sbit dir485 = P3^7;

uchar busy = 0;//發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)標(biāo)志位

void Uart_init(void);//串口初始化函數(shù)聲明
void Send_String(char *s);//字符串發(fā)送函聲明

void main()
{
	Uart_init();  // 串口初始化
	EA = 1;           //開總中斷
	
	Send_String("RY-51 STC89C52 Uart test!n");	//發(fā)送字符串
	while(1);		
}
//串口中斷函數(shù)
void Uart_r(void) interrupt 4
{
	if(RI)
	{
		RI = 0;		   //清零接收中斷
		dir485=1;
		SBUF = SBUF+1;   //讀取接收到的數(shù)據(jù)加1并發(fā)送出去
	//	led0 = ~led0;  //翻轉(zhuǎn)led0
		
	}
	if(TI)
	{	dir485=0;
		TI = 0;		   //清零發(fā)送中斷
		led1 = ~led1;  //翻轉(zhuǎn)led1
		busy = 0;      //發(fā)送完數(shù)據(jù)，清除發(fā)送完標(biāo)志位
		
	}
}

//串口初始化函數(shù)
void Uart_init(void)
{
	SCON = 0x50;//串口配置為工作方式1
	PCON = 0;   //波特率不加倍

	TMOD = 0x20;//設(shè)置定時器1為8位自動重裝模式
	TH1=TL1= 256- FOSC/32/12/BAUD;//定時器1賦初始值
	
	ET1 = 0;//禁止定時器1中斷
	TR1 = 1;//啟動定時器1

	ES = 1;//允許串口中斷
}
//字符串發(fā)送函
void Send_String(char *s)
{	
	while(*s)   //檢查字符串是否到了結(jié)尾
	{	
		while(busy);  //等待上一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢
		busy = 1;
		dir485=1;
		SBUF = *s++;  //發(fā)送當(dāng)前字符，并將字符指針移到下一個字符
	}
	dir485=0;	
}

將程序編譯后，下載到 RY-51 開發(fā)板，設(shè)置后串口調(diào)試助手，并不選中“十六進(jìn)制顯示”，給開發(fā)板重新加電，收到的指定字符串如下圖所示：

10.6 本章小結(jié)

本章介紹了51單片機(jī)串口通信的基本原理。