08 51单片机之串口通信

文章目录

1、前言
2、串口介绍
3、DB9串口介绍
4、硬件电路
5、电平标准
6、通信术语
7、串行通信口
- 7-1、51单片机的串口通信
- 7-2、51单片机的串口通信原理图
7-3、串口参数及时序图
8、工程编码
参考资料

1、前言

在前面的文章中介绍了51单片机之定时器，今天介绍单片机的串口通信。

2、串口介绍

串行接口是一种可以将接收来自CPU的并行数据字符转换为连续的串行数据流 发送出去，同时可将接收的串行数据流转换为并行的数据字符 供给CPU的器件。一般完成这种功能的电路，我们称为串行接口电路 。串口通信（Serial Communications）的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节的通信方式。并行通信是指将数据字节中的各位用多条数据线同时进行传输。

这种通信方式的优点是传输速度快、效率高，缺点是每一个数据位都需要一个数据线，数据有多少位就需要多少根数据线，占用引脚和单片机资源太多。另外，并行的数据线易受外界干扰，传输距离不能太远，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。在实际应用中，微处理器与内存、硬盘、光驱等外设之间的数据传递一般都采用并行通信标准。

51单片机内部自带UART (Universal Asynchronous ReceiverTransmitter，通用异步收发器 )，可实现单片机的串口通信。

Figure1. 串口介绍

3、DB9串口介绍

3-1、什么是DB9串口？

DB9串口是一种常用于串行通信 的物理接口标准，其名称来源于连接器的型号---DB9（D-subminiature 9-pin）。DB9接口具有9个引脚，用于数据的发送和接收，以及控制信号的传输。

3-2、DB9串口的主要特点

物理接口：采用9针D型连接器，外观为D型孔（母头）或D型针（公头）。
信号传输：支持串行数据传输，包括数据的发送（TXD）和接收（RXD）。
控制信号：除了数据信号外，还包含多种控制信号，如数据终端准备好（DTR）、数据准备好（DSR）、请求发送（RTS）、清除发送（CTS）、载波检测（DCD）、振铃提示（RI）等。
电平标准 ：通常遵循RS-232C电平标准，逻辑1为-3V～-15V，逻辑0为+3～+15V。

3-3、DB9串口的物理接口定义

DB9串口的物理接口定义如下：

引脚1（DCD）：载波检测，用于检测对方Modem发来的载波信号。
引脚2（RXD）：接收数据，用于接收来自对方设备的数据。
引脚3（TXD）：发送数据，用于向对方设备发送数据。
引脚4（DTR）：数据终端准备好，表示数据终端已做好通信准备。
引脚5（SG）：信号地，作为所有信号的公共参考点。
引脚6（DSR）：数据准备好，表示数据通信设备已准备好进行通信。
引脚7（RTS）：请求发送，用于请求对方设备准备接收数据。
引脚8（CTS）：清除发送，表示对方设备已准备好接收数据。
引脚9（RI） ：振铃提示，用于指示有来电呼叫。

Figure2. DB9串口的物理接口

4、硬件电路

简单双向串口通信有两根通信线(发送端TXD （Transmit Exchange Data）和接收端RXD（Receive Exchange Data）)。
TXD与RXD要交叉连接。
当只需单向的数据传输时，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。

Figure3. 硬件电路

5、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:

TTL电平：+5V表示1，0V表示0。
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)。

6、通信术语

全双工：通信双方可以在同一时刻互相传输数据。
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。
单工：通信只能有一方发送到另一方，不能反向传输，比如遥控器。
异步：通信双方各自约定通信速率。
同步：通信双方靠一根时钟线来约定通信速率。
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)。可以参考STC89C52系列单片机的内部结构。

7、串行通信口

7-1、51单片机的串口通信

STC89C52系列单片机内部集成有一个功能很强的全双工串行通信口 ，与传统8051单片机的串口完全兼容。设有2 个互相独立的接收、发送缓冲器，可以同时发送和接收数据。发送缓冲器只能写入而不能读出，接收缓冲器只能读出而不能写入，因而两个缓冲器可以共用一个地址码(99H) 。两个缓冲器统称串行通信特殊功能寄存器SBUF。

串行通信设有4 种工作方式，其中两种方式的波特率是可多变的，另两种是固定的，以供不同应用场合选用。波特率由内部定时器/计数器产生，用软件设置不同的波特率和选择不同的工作方式。主机可通过查询或中断方式对接收/发送进行程序处理，使用十分灵活。

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

STC89C52系列单片机串行口对应的硬件部分对应的管脚是P3.0/RxD和P3.1/TxD。STC89C52系列单片机的串行通信口，除用于数据通信外，还可方便地构成一个或多个并行I/O口，或作串一并转换，或用于扩展串行外设等。

7-2、51单片机的串口通信原理图

Figure4. 51单片机的串口通信原理图

7-3、串口参数及时序图

波特率：串口通信的速率(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。

Figure5. 串口参数及时序图

7-4、串口模式图

SBUF ：串口数据缓存寄存器，物理上是两个独立的寄存器，但占用相同的地址 。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。

Figure6. 串口模式图

7-5、串口和中断系统

中断系统可以参考：中断系统。

Figure7. 串口和中断系统

7-6、串行口相关寄存器

Figure8. 串行口相关寄存器

7-6-1、串行口控制寄存器SCON和PCON

Figure9. 串行口控制寄存器SCON

Figure10. 串行口控制寄存器PCON

7-6-2、串行口数据缓冲寄存器SBUF

STC89C52系列单片机的串行口缓冲寄存器(SBUF)的地址是99H，实际是2个缓冲器，写SBUF的操作完成待发送数据的加载，读SBUF的操作可获得已接收到的数据。两个操作分别对应两个不同的寄存器，1个是只写寄存器，1个是只读寄存器。
串行通道内设有数据寄存器 。在所有的串行通信方式!中，在写入SBUF信号的控制下，把数据装入相同的9 位移位寄存器，前面8位为数据字节，其最低位为移位寄存器的输出位。根据不同的工作方式会自动将"1"或TB8的值装入移位寄存器的第9位，并进行发送。
串行通道的接收寄存器是一个输入移位寄存器。在方式0时它的字长为8位，其他方式时为9位 。当一帧接收完毕，移位寄存器中的数据字节装入串行数据缓冲器SBUF中，其第9 位则装入SCON寄存器中的RB8 位。如果由于SM2使得已接收到的的数据无效时，RB8和SBUF中内容不变。
由于接收通道内设有输入移位寄存器和SBUF缓冲器，从而能使一帧接收完将数据由移位寄存器装入SBUF后，可立即开始接收下一帧信息，主机应在该帧接收结束前从SBUF缓冲器中将数据取走，否则前一帧数据将丢失。SBUF以并行方式送往内部数据总线。

7-6-3、从机地址控制寄存器SADEN和SADDR

为了方便多机通信，STC89C52系列单片机设置了从机地址控制寄存器SADEN和SADDR。其中SADEN是从机地址掩模寄存器 (地址为B9H，复位值为00H1)，SADDR是从机地址寄存器(地址为A9H，复位值为00H)。

7-6-4、与串行口中断相关的寄存器IE和IPH、IP

串行口中断允许位ES位于中断允许寄存器IE中，中断允许寄存器的格式如下：

Figure11. 串行口中断相关的寄存器IE

EA：CPU的总中断允许控制位，EA=1，CPU开放中断，ECA=0，CPU屏蔽所有的中断申请。EA的作用是使中断允许形成多级控制。即各中断源首先受受EA控制，其次还受各中断源自己的中断允许控制位控制。
ES：串行口中断允许位，ES=1，允许串行口中断，ES=0，禁止串行口中断。

串行口中断优先级控制位PS/PSH位于中断优先级控制寄存器IP/IPH中，中断优先级控制寄存器的格式如下：

Figure12. 串行口中断相关的寄存器IPH、IP

PSH，PS：串口1中断优先级控制位。

当PSH=0 且PS=0 时，串口1中断为最低优先级中断(优先级0)
当PSH=0 且PS=1 时，串口1中断为较低优先级中断(优先级1)
当PSH=1 且PS=0 时，串口1中断为较高优先级中断(优先级2)
当PSH=1 且PS=1 时，串口1中断为最高优先级中断(优先级3)

8、工程编码

8-1、STC_ISP生成波特率配置代码

Figure13. STC_ISP生成波特率配置代码

c 复制代码

void Uart1_Init(void)	//4800bps@11.0592MHz
{
	PCON |= 0x80;		//使能波特率倍速位SMOD
	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 = 0xF4;			//设置定时初始值
	TH1 = 0xF4;			//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
}

8-2、MCU端发送数据到上位机

Figure14. MCU端发送数据到上位机

8-3、实验现象

8-4、上位机发送数据到MCU端

Figure15. 上位机发送数据到MCU端

8-5、实验现象

8-6、波特率计算

0xFF - 0xF3 = 13 -> 13us，也就是每隔13us溢出一次。1/13 = 0.07692307692307692307692307692308MHz

波特率：0.07692307692307692307692307692308MHz / 16 = 0.00480769230769230769230769230769MHz = 4,807.6923076923076923076923076923Hz
误差：（4,807.6923076923076923076923076923 - 4800）/ 4800 = 0.00160256410256410256410256410256 = 0.16025641025641025641025641025641% 。故符合上图中的误差范围，见波特率计算。

8-7、数据显示模式

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：以原始数据编码后的形式显示。

Table1. SCII 编码一览表

二进制	十进制	十六进制	字符/缩写	解释
00000000	0	00	NUL (NULL)	空字符
00000001	1	01	SOH (Start Of Headling)	标题开始
00000010	2	02	STX (Start Of Text)	正文开始
00000011	3	03	ETX (End Of Text)	正文结束
00000100	4	04	EOT (End Of Transmission)	传输结束
00000101	5	05	ENQ (Enquiry)	请求
00000110	6	06	ACK (Acknowledge)	回应/响应/收到通知
00000111	7	07	BEL (Bell)	响铃
00001000	8	08	BS (Backspace)	退格
00001001	9	09	HT (Horizontal Tab)	水平制表符
00001010	10	0A	LF/NL(Line Feed/New Line)	换行键
00001011	11	0B	VT (Vertical Tab)	垂直制表符
00001100	12	0C	FF/NP (Form Feed/New Page)	换页键
00001101	13	0D	CR (Carriage Return)	回车键
00001110	14	0E	SO (Shift Out)	不用切换
00001111	15	0F	SI (Shift In)	启用切换
00010000	16	10	DLE (Data Link Escape)	数据链路转义
00010001	17	11	DC1/XON	(Device Control 1/Transmission On)
00010010	18	12	DC2 (Device Control 2)	设备控制2
00010011	19	13	DC3/XOFF	(Device Control 3/Transmission Off)
00010100	20	14	DC4 (Device Control 4)	设备控制4
00010101	21	15	NAK (Negative Acknowledge)	无响应/非正常响应/拒绝接收
00010110	22	16	SYN (Synchronous Idle)	同步空闲
00010111	23	17	ETB (End of Transmission Block)	传输块结束/块传输终止
00011000	24	18	CAN (Cancel)	取消
00011001	25	19	EM (End of Medium)	已到介质末端/介质存储已满/介质中断
00011010	26	1A	SUB (Substitute)	替补/替换
00011011	27	1B	ESC (Escape)	逃离/取消
00011100	28	1C	FS (File Separator)	文件分割符
00011101	29	1D	GS (Group Separator)	组分隔符/分组符
00011110	30	1E	RS (Record Separator)	记录分离符
00011111	31	1F	US (Unit Separator)	单元分隔符
00100000	32	20	(Space)	空格
00100001	33	21	!
00100010	34	22	"
00100011	35	23	#
00100100	36	24	$
00100101	37	25	%
00100110	38	26	&
00100111	39	27	'
00101000	40	28	(
00101001	41	29	)
00101010	42	2A	*
00101011	43	2B	+
00101100	44	2C	,
00101101	45	2D	-
00101110	46	2E	.
00101111	47	2F	/
00110000	48	30	0
00110001	49	31	1
00110010	50	32	2
00110011	51	33	3
00110100	52	34	4
00110101	53	35	5
00110110	54	36	6
00110111	55	37	7
00111000	56	38	8
00111001	57	39	9
00111010	58	3A	:
00111011	59	3B	;
00111100	60	3C	<
00111101	61	3D	=
00111110	62	3E	>
00111111	63	3F	?
01000000	64	40	@
01000001	65	41	A
01000010	66	42	B
01000011	67	43	C
01000100	68	44	D
01000101	69	45	E
01000110	70	46	F
01000111	71	47	G
01001000	72	48	H
01001001	73	49	I
01001010	74	4A	J
01001011	75	4B	K
01001100	76	4C	L
01001101	77	4D	M
01001110	78	4E	N
01001111	79	4F	O
01010000	80	50	P
01010001	81	51	Q
01010010	82	52	R
01010011	83	53	S
01010100	84	54	T
01010101	85	55	U
01010110	86	56	V
01010111	87	57	W
01011000	88	58	X
01011001	89	59	Y
01011010	90	5A	Z
01011011	91	5B	[
01011100	92	5C	\|
01011101	93	5D	]
01011110	94	5E	^
01011111	95	5F	_
01100000	96	60	`
01100001	97	61	a
01100010	98	62	b
01100011	99	63	c
01100100	100	64	d
01100101	101	65	e
01100110	102	66	f
01100111	103	67	g
01101000	104	68	h
01101001	105	69	i
01101010	106	6A	j
01101011	107	6B	k
01101100	108	6C	l
01101101	109	6D	m
01101110	110	6E	n
01101111	111	6F	o
01110000	112	70	p
01110001	113	71	q
01110010	114	72	r
01110011	115	73	s
01110100	116	74	t
01110101	117	75	u
01110110	118	76	v
01110111	119	77	w
01111000	120	78	x
01111001	121	79	y
01111010	122	7A	z
01111011	123	7B	{
01111100	124	7C
01111101	125	7D	}
01111110	126	7E	~
01111111	127	7F	DEL(Delete)	删除

参考资料

串口通信
51单片机入门教程-2020版程序全程纯手打从零开始入门
db9 串口定义-百度