单片机之串口通信

目录

串口介绍

通信的基本概念

并行通信和串行通信

同步通信和异步通信

串行异步通信方式

串行同步通信方式

通信协议

单片机常见通信接口

串行通信三种模式

串口参数

传输速度

​串口的连接

电平标准

串行口的组成

串口数据缓冲寄存器

串行口控制寄存器

串口工作方式

电源控制寄存器

单片机内部串口模式图

波特率发生器

T1初值的设定

fosc采用11.0592MHz的原因

晶振频率和波特率初值对照表

串行口的初始化编程

串口通信案例

keil文件

串口介绍

  • 串口是一种应用十分广泛的通信接口,串口成本低,容易使用,通信线路简单,可实现两个设备的互相通信。
  • 单片机的串口可以使单片机与单片机、单片机与电脑、单片机与各式各样的模块的相互通信,极大的拓展了单片机的应用范围,增强了单片机系统的硬实力
  • 51单片机内部自带UART(通用异步收发器)可实现单片机的串口通信

通信的基本概念

**含义:**通信就是两个设备之间进行的数据传输。

并行通信和串行通信

  • **并行通信:**在同一时刻,可以传输多个bit位的信号,有多少信号位就需要多少根信号线。
  • **串行通信:**同一时刻只能传输一个bit位的信号,只需要一根信号线。

注意:

  • 并行通信的传输速率比串行通信块,但是稳定性不如串行通信好。
  • 并行传输要传输8位数据需要8根线,串行传输仅需要1根
  • 并行结合传输快的特点多用于板子内部,串行多用于板子外部

同步通信和异步通信

**前言:**串行通信按信息的格式又可以分为异步通信和同步通信两种方式。

串行异步通信方式

**理解:**异步通信是指数据传送按位发送,基本以一个字符为单位,字符与字符之间的传送是完全异步的,一个字符中位与位之间的传送基本上是同步的。

**注意:**异步通信要求双方要有相同的传输速度(波特率)才可以通信。

串行同步通信方式

**理解:**同步通信是指数据传送以数据块(一组字符)为单位,字符与字符之间,字符内部的位与位之间都同步。(时钟同步)

**注意:**同步通信过程中双方都要有时钟引脚,双方的2个时钟clk引脚是连在一起的,通信时由主机传送时钟信号提供同步脉冲,双方要根据这个时钟信号来确定发送或接收每个位,确保数据传输时完全同步。

通信协议

**前言:**沟通的双方需要遵守一套既定的规则,这就是通信的协议。

  • **硬件层协议:**硬件层面是指设备的物理结构和接口,包括了连接线、接口类型、信号电平等。这些因素决定了设备之间如何进行物理连接,以及如何传输和接收数据。
  • **软件层协议:**软件层面是指设备上的操作系统和应用程序规范,它们负责管理和控制设备的硬件资源,以及实现与其他设备的通信。

注意:

  • 硬件层协议和软件协议之间要相互配合工作;比如要使用Motobus RTU协议,那硬件接口就要使用RS232或者485等。
  • 单片机与计算机两边设备通信协议不统一,一边是USB,另一边UART;这样就不能直接对接因此需要加上CH340芯片进行翻译
  • CH340的作用就是把计算机传到USB口的数据信号通过一定的转换传到单片机UART串口的TXD和RXD引脚;如此单片机的CPU就能解读计算机传过来的数据了

单片机常见通信接口

注意:

  • 此外还有CAN、USB等接口。
  • 同步传输的都带有时钟信号线,SCL、SCLK

串行通信三种模式

  • **单工通信:**在一个信道内信号只能往一个方向传输,任何时候都不能改变信号的传输方向
  • **半双工:**在一个信道内信号可以双向传输,但必须是交替进行,同一个时间只能往一个方向传输
  • **全双工:**一个信道同一时间允许双向进行数据的传输

注意: MCS-51单片机具有一个异步全双工UART串口,可以同时发送、接受数据,发送,接收数据可通过查询或中断方式处理,使用十分灵活。

串口参数

  • **波特率:**串口通信的速度(发送和接收各数据位的间隔时间)
  • **检验位:**用于数据验证
  • **停止位:**用于数据帧间隔

注意:

  • 9位数据格式中,最后一位为校检位。
  • 串口通信为串行通信,也就是数据位是一个个的发出去,先发低位后发高位(若有校验位也会发校检位),最后跟个停止位

传输速度

  • **波特率:**单位时间内传输了多少码元;单片机中采用二进制码元,因此码元就是0或1,所以可以理解------波特率是指串行通信中,单位时间内传输了多少二进制位数,单位bps。
  • **比特率:**每秒传输了多少二进制位数
  • **码元:**数据传输过程中等时出现的符号
  • 在单片机中,波特率和比特率代表的意义相同,但在其他领域不一定相同。

波特率(bps)=一个字符的二进制位数*字符个数/秒

总结:

  • 每秒传送200个字符,每个字符1位起始位,8个数据位,1个校检位和1个停止位。则波特率为2200bps。
  • 波特率越大,传输速度越快;但是每个芯片都有它能运行的最大波特率,超过了则反应不过来。所以对于同一个芯片,其波特率越大传输速度越快,但是也使得传错率增大。

​串口的连接

  • 简单双向串口通信有两根通信线(发送端TXD和接收端RXD)
  • TXD和RXD要交叉连接
  • 当只需要单向数据传输时,可以直接一根通信线
  • 当电平标准不一致时,需要加电平转换芯片

电平标准

**含义:**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以下三种。

  • TTL电平:+5V表示1,0V表示0;(单片机使用)
  • RS232电平:-3------ -15V表示1,+3------+15V表示0;
  • **RS485电平:**两线压差+2------+6V表示1,-2------ -6V表示0(差分信号)

串行口的组成

  • MCS-51单片机串行口主要由发送数据寄存器、发送控制器、输出控制门、接收数据寄存器、接收控制器、输入移位寄存器组成。
  • 从用户使用的角度,它由三个特殊功能寄存器组成:发送数据寄存器和接收数据寄存器合起用一个特殊功能寄存器SBUF(串行口数据寄存器)串行口控制寄存器SCON和电源控制寄存器PCON

串口数据缓冲寄存器

**SBUF:**物理上是两个独立的寄存器(读和写有各自的缓冲寄存器),但是占用相同的地址。写操作时,写入的是发送寄存器,读操作时,读出的是接收寄存器(两者不会冲突)。

串行口控制寄存器

  • **SM0和SM1:**串行口工作方式选择位,用于选择4种工作方式。
  • **SM2:**用于多机通信,当需要多机通信时,该标志位置一
  • **REN:**是否允许单片机进行接收,当需要单片机进行接收时,该位置1否则置0
  • TB8和RB8分别表示发送和接受的第九位,当我们配置方式2和方式3的这种工作方式时,我们需要配置该位
  • TI和RI为发送和接受的中断标志位,TI为发送标志位,RI为接收标志位(这两位不会自动清零,需要我们手动清零)

串口工作方式

  • **方式0:**称为同步移位寄存器方式,一般用于外接移位寄存器芯片扩展IO接口
  • **方式1:**8位异步通信方式,通常用于双机通信
  • **方式2和方式3:**9位的异步通信方式,通常用于多机通信

电源控制寄存器

**注意:**当SMOD位为1时,波特率加倍。

单片机内部串口模式图

**理解:**单片机与电脑发送异步串口数据的时候,需要规定发送和接受的速度,也就是波特率,电脑可以通过串口助手设定波特率,而单片机设定波特率就需要设定T1;相对于单片机来说,它发送数据首先要将数据写入SBUF中,当发送完成后TI会置1,引发串口中断进而执行对应的操作;当单片机接收外部发送的数据,那么就会先将外部数据缓存至SBUF中,当接收完成后RI位会置1引发接收中断,进而我们可以在接收中断函数中读取SBUF的接收内容。

注意:

  • **TI:**表示发送是否完成标志位,当TI=1时表示发送完成,TI=0时表示还未发送
  • **RI:**表示接收是否完成标志位,当RI=1时表示接收完成,RI=0时表示还未接收
  • 当发送或接收完成后,若中断允许标志位打开,则会发送串口中断请求进入中断服务
  • TI和RI这两个标志位需要手动清零

波特率发生器

**前言:**异步通信没有统一的时钟信号保证同步,那么为了确保数据传输正确;要求通信双方的波特率(传输速度)设置必须相同。计算机的串口调试助手可以很简单的设置波特率,但是单片机也需要用相同的波特率进而保证数据传输的正确。

51提供了一个专门的波特率发生器------T1;我们想要使用9600的波特率就是想串口在传输数据的时候每1/9600s能接收或发送一位二进制数;因此只需要每1/9600s告诉串口一下要接收或发送数据;波特率发生器就可以根据我们设置的时间进行提示;我们进而可以根据1/9600s来设置T1的初值;然后启动TR1按照定时器的工作原理,他将在每次定时时间到的时候溢出进而实现了波特率发生器的功能。

注意:

  • 51默认的波特率发生器就是定时器T1,而且必须使用工作方式2(因为其具有重置初值的功能,给T1赋予了波特率发生器的功能,那么他就具有了溢出后通知串口的功能,且能自动清除溢出标志位)
  • 编程时不能开启T1的中断,也不用编写T1的中断服务程序(需要开启串口中断,编写串口中断程序)

T1初值的设定

若我们想要使用9600的波特率,首先我们看UART结构图,我们想要使用的波特率他还会进行分频(/2和/16)因此我们想要使用9600波特率,我们需要以9600*2*16的波特率(307200)来算,那么我们就希望每1/307200s初值寄存器溢出一次;;因为我们必须用T1的方式2,所以初值为256-1000000/307200/(12/fosc)

fosc采用11.0592MHz的原因

**总结:**由此我们可以看到,若11.0592MHz频率的晶振可以获得比较精确的9600波特率;而12MHz频率的晶振就有偏差;因此计算机用9600波特率和单片机串口通信就会有传错率。

晶振频率和波特率初值对照表

串行口的初始化编程

串行口控制寄存器SCON位的确定

  • 根据工作方式确定SM0、SM1位
  • 方式2和方式3确定SM2位
  • 若是接收端,则置允许接收位REN为1
  • 方式2和方式3发送数据,则应将发送数据的第九位写入TB8中

设置波特率

  • **方式0:**不需要对波特率进行设置
  • **方式2:**设置波特率仅需对PCON中的SMOD位进行设置
  • 方式1和方式3,设置初值

开启中断以及波特率发生器

执行中断程序

串口通信案例

前言:

  • **需求:**利用串口助手发送数据的方式,控制P2各个LED灯的亮灭,同时在串口助手展示向单片机发送的数据。
  • 显示接收和发送两个部分,接收采用接收中断的行式来接收数据,当接收到数据以后我们将接收到的数据发回到上位机。
  • **注意:**电脑和单片机的波特率调成9600MHz,选对对应的串口,当进行调试时打开串口。

keil文件

cpp 复制代码
#include <regx52.h>
unsigned char dat=0,flag=0;
void initscon(){
	SCON=0x50; //8位异步通信方式,允许接收数据
	TMOD=0x20; //配置波特率发生器T1,工作方式为2
	TH1=0xFD; //重置TL1
	TL1=0xFD; //设置初值(晶振:12MHz;波特率:9600bps)
	ES=1;	//开启串口中断
	EA=1;	//开启总中断
	TR1=1;	//打开波特率发生器T1
}
void main(){
	initscon();
	while(1){
	if(flag){
		SBUF=dat; //向串口助手发送数据
		flag=0;
	}
	}
}
void scon_isr() interrupt 4
{
	if(TI){
		TI=0; //数据发送完清TI
	}
	if(RI){
		RI=0;
		dat=SBUF;	//接收串口助手发送的值
		switch(dat){
			case 1:P2_0=~P2_0;break;
			case 2:P2_1=~P2_1;break;
			case 3:P2_2=~P2_2;break;
			case 4:P2_3=~P2_3;break;
			case 5:P2_4=~P2_4;break;
			case 6:P2_5=~P2_5;break;
			case 7:P2_6=~P2_6;break;
			case 8:P2_7=~P2_7;break;
			default:P2=0xff;
		}
		flag=1;
	}
}
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