一、串行通信基础概念
1.1 通信方向
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| 通信类型 | 特点与举例 |
| 单工 | 方向固定，只有发送方→接收方。如遥控器发指令给电视 |
| 半双工 | 双方都可收发，但同一时刻只能一个方向传输，共用一根线。如 I²C（SCL+SDA）、对讲机 |
| 全双工 ★ | 双方同时收发，使用两根线（TXD + RXD）。UART 就是全双工 |
1.2 串行 vs 并行
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| 传输方式 | 特点 |
| 串行 | 1根信号线，逐bit传输。速度慢、成本低、距离远（RS485 可达千米） |
| 并行 | 多根信号线同时传多个bit。速度快、成本高、距离近（≤30米，易受干扰） |
1.3 同步 vs 异步
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| 方式 | 说明 |
| 同步 | 有专用时钟线（CLK），双方靠时钟线对齐。如 SPI（4线：MOSI/MISO/CS/SCLK）、I²C |
| 异步 ★ | 没有时钟线，双方约定相同波特率来对齐。UART 属于异步通信 |
1.4 常见串行协议对比
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| 协议 | 信号线 | 说明 |
| UART | TXD / RXD | 全双工异步，点对点，最简单最常用 |
| I²C | SCL / SDA | 半双工同步，一主多从，2线 |
| SPI | MOSI / MISO / CS / SCLK | 全双工同步，一主多从，4线，速度快 |
| RS485 | A / B（差分） | 半双工，差分信号，抗干扰，距离远 |
二、UART 通信参数详解
2.1 电平标准
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| 标准 | 电平定义 |
| TTL（单片机） | 高电平 = 5V，低电平 = 0V |
| RS232（PC） | 负逻辑：高电平 = -3V ~ -15V，低电平 = +3V ~ +15V（需CH340等转换芯片） |
| RS485 | 差分信号：A-B > 2V = 高电平；A-B < -2V = 低电平，抗干扰极强 |
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| CH340 | 51单片机（TTL电平）与电脑（RS232）通过 USB 连接时，需要 CH340 芯片做电平转换，同时将 USB 转成串口信号。 |
2.2 串口通信参数格式：波特率 数据位 校验位 停止位
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| 参数格式示例 | 含义 |
| 9600 8 N 1 | 波特率9600bps，8位数据，无校验，1位停止位（最常用） |
| 115200 8 E 1 | 波特率115200bps，8位数据，偶校验，1位停止位 |
| 2400 8 O 1 | 波特率2400bps，8位数据，奇校验，1位停止位 |
2.3 校验方式
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| 校验类型 | 规则 |
| N --- 无校验 | 不附加任何校验位，最简单 |
| 奇校验 O | 数据位中1的个数 + 校验位，总计1的个数保持为奇数 |
| 偶校验 E | 数据位中1的个数 + 校验位，总计1的个数保持为偶数 |
| 累加和校验 | 所有数据字节累加取低8位作为校验值（Modbus常用） |
| CRC校验 | 循环冗余校验，检错能力最强 |
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| 校验局限 | 奇偶校验无法检测出「偶数个bit同时出错」的情况（错误互相抵消）。 |
2.4 LSB 低位先行
UART 发送数据时，低位（bit0）先发，高位（bit7）后发。
例：发送 0xAB = 1010 1011，实际在线上先出现 bit0=1，然后 bit1=1，...，最后 bit7=1。
三、51单片机 UART 波特率计算
51单片机的 UART 使用 Timer1 工作在「模式2（8位自动重装）」来产生波特率。
3.1 波特率计算公式（SMOD=1，倍速模式）
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| 条件 | 数值 |
| 晶振频率 | 11.0592 MHz |
| Timer1 工作频率 | 11.0592 MHz ÷ 12 = 0.9216 MHz |
| SMOD=1 时波特率公式 | 波特率 = (2^SMOD × 0.9216MHz) ÷ (32 × (256 - TH1)) |
| 2400 bps 初值 | TH1 = TL1 = 232（0xE8） |
| 9600 bps 初值 | TH1 = TL1 = 253（0xFD） |
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| 为何用11.0592? | 11.0592 MHz 是特意选择的晶振频率，能让常用波特率（2400/9600/115200）的计算结果恰好是整数，避免误差。 |
四、SCON 串口控制寄存器
地址：98H 可位寻址
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| B7 | B6 | B5 | B4 | B3 | B2 | B1 | B0 |
| SM0 | SM1 | SM2 | REN | TB8 | RB8 | TI | RI |
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| 位 / 名称 | 功能说明 |
| B7 SM0 | 工作模式高位（与SM1组合） |
| B6 SM1 | 工作模式低位：SM0=0, SM1=1 → 模式1，8位UART，最常用！ |
| B5 SM2 | 多机通信控制位，一般清0 |
| B4 REN | 允许接收位。REN=1 → 允许UART接收数据，必须置1才能收到数据 |
| B3 TB8 | 发送第9位数据（模式2/3），模式1不用 |
| B2 RB8 | 接收到的第9位数据（模式2/3），模式1不用 |
| B1 TI | 发送中断标志位。发送完一帧后硬件置1，需软件手动清0（发送完后 SCON &= ~(1<<1)） |
| B0 RI | 接收中断标志位。接收完一帧后硬件置1，进入中断服务函数后需软件手动清0（SCON &= ~(1<<0)） |
SCON 初始化关键操作
SCON &= ~(3 << 6); // 清除 SM0/SM1
SCON |= (1 << 6); // SM1=1, SM0=0 → 模式1（8位UART）
SCON |= (1 << 4); // REN=1 允许接收
// TI/RI 由硬件置1，软件在用完后手动清0
五、PCON 电源控制寄存器（波特率加倍）
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| 位 | 作用 |
| B7 SMOD | 串口波特率倍速位。SMOD=1 → 波特率 × 2；SMOD=0 → 正常速率 |
| 其余位 | 电源管理相关，串口初始化中不使用 |
PCON &= ~(3 << 6); // 清 B7/B6
PCON |= (1 << 7); // SMOD=1 波特率加倍（2400bps 时需要）
六、UART 完整初始化流程（uart.c 逐步详解）
目标：配置为 2400bps，8位数据，无校验，1停止位，启用接收中断
cs
void uart_init(void)
{
// ① 配置SCON：模式1（8位UART），允许接收
SCON &= ~(3 << 6); // 清SM0/SM1
SCON |= (1 << 6); // SM1=1
SCON &= ~(1 << 7); // SM0=0 → 模式1
SCON |= (1 << 4); // REN=1 允许接收
// ② 配置PCON：SMOD=1 波特率加倍
PCON &= ~(3 << 6);
PCON |= (1 << 7); // SMOD=1
// ③ 配置Timer1：模式2（8位自动重装），用于产生波特率
TMOD &= ~(0x0F << 4); // 清高4位（Timer1部分）
TMOD |= (1 << 5); // Timer1 M1=1,M0=0 → 模式2
// ④ 装入初值（2400bps）
TL1 = 232; // 初值
TH1 = 232; // 自动重装值
// ⑤ 启动Timer1
TCON |= (1 << 6); // TR1=1
// ⑥ 打开中断
IE |= (1 << 7); // EA=1 总开关
IE |= (1 << 4); // ES=1 串口中断子开关
}发送函数
cs
// 发送单个字符
void uart_sendchar(char ch)
{
SBUF = ch; // 写入发送缓冲器，自动开始发送
while ((SCON & (1<<1)) == 0); // 等待TI=1（发送完成）
SCON &= ~(1 << 1); // 清TI
}
// 发送字符串（遇\0结束）
void uart_sendstr(const char *p)
{
while (*p) uart_sendchar(*p++);
}
// 发送定长缓冲区
void uart_sendbuff(const char *p, int len)
{
while (len--) uart_sendchar(*p++);
}接收中断服务函数
cs
xdata char recv_buffer[32]; // xdata = 外部RAM，空间更大
unsigned int pos = 0;
void uart_handler(void) interrupt 4 // 串口中断号固定为4
{
if ((SCON & (1 << 0)) == 1) // RI=1，收到数据
{
if (pos < 32)
{
recv_buffer[pos++] = SBUF; // 读SBUF存入缓冲区
recv_buffer[pos] = 0; // 末尾填0
}
}
SCON &= ~(1 << 0); // 手动清RI
}|----------|--------------------------------------------------------------------|
| SBUF | SBUF 是发送和接收共用的名字，但物理上是两个独立寄存器。写SBUF = 数据 → 触发发送；读 SBUF → 取出接收到的数据。 |
七、Modbus 自定义协议
设计了一套仿 Modbus 的主从通信协议，格式如下：
7.1 数据帧格式（7字节固定长度）
|--------------|--------------|--------------|--------------|--------------|--------------|--------------|
| 主机 → 从机（下行帧） |||||||
| 起始位 0xAA | 地址码 0x01 | 功能码 0x01 | 数据1 0x42 | 数据2 0x00 | 校验码 0xEE | 结束位 0xBB |
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| 从机 → 主机（上行应答帧） |||||||
| 起始位 0xAA | 地址码 0x01 | 功能码 0x81 | 数据1 0x42 | 数据2 0x00 | 校验码 0x6E | 结束位 0xBB |
7.2 各字段含义
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| 字段 | 说明 |
| 起始位 0xAA | 帧头标志，固定为 0xAA，用于判断帧是否开始 |
| 地址码 | 从机设备地址，本例中 DEV_ADDRESS = 0x01，广播为 0xFF |
| 功能码 | 0x01=控制LED，0x02=控制数码管，0x03=控制蜂鸣器，0x04=温度采集 |
| 数据1 / 数据2 | 功能码的参数，如LED编号、音调编号等 |
| 校验码 | 累加和校验 = (起始位+地址码+功能码+数据1+数据2) 的低8位之和 |
| 结束位 0xBB | 帧尾标志，固定为 0xBB |
| 应答功能码 | 从机应答时，功能码最高位置1（如 0x01 → 0x81），表示数据流向是从机→主 |
7.3 校验码计算示例
下行帧：0xAA + 0x01 + 0x01 + 0x42 + 0x00 = 0xEE ← 这就是校验码
上行帧：0xAA + 0x01 + 0x81 + 0x42 + 0x00 = 0x16E，取低8位 = 0x6E ← 应答校验码
八、main.c 代码逻辑详解
8.1 整体流程
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| 步骤 | 说明 |
| uart_init() | 初始化串口，等待主机发来数据 |
| 检测 pos > 0 | 接收中断把数据存入 recv_buffer，pos > 0 说明有数据来了 |
| delay(0x5FFF) | 等待一小段时间，确保一帧数据全部接收完毕 |
| parse() | 解析帧：检查帧头0xAA、帧尾0xBB、地址码、校验码，返回功能码 |
| do_handler(ret) | 根据功能码执行对应操作（点灯/数码管/蜂鸣器） |
| callback() | 构造应答帧，通过 uart_sendbuff 回复主机 |
| pos = 0 | 清空接收缓冲区，准备下一帧 |
8.2 parse() --- 帧解析函数
cs
int parse(void)
{
int sum = 0;
// 第一步：检查帧头和帧尾
if (recv_buffer[0]==0xAA && recv_buffer[6]==0xBB)
{
// 第二步：检查设备地址
if (recv_buffer[1] == DEV_ADDRESS)
{
// 第三步：计算累加和校验（前5个字节）
for (i=0; i<5; i++) sum += (unsigned char)recv_buffer[i];
// 第四步：比较校验码
if (sum == (unsigned char)recv_buffer[5])
return (unsigned char)recv_buffer[2]; // 返回功能码
}
}
return 0; // 0 = 解析失败 / 不是本机的帧
}8.3 do_handler() --- 执行控制
cs
void do_handler(unsigned char n)
{
switch (n)
{
case 1: // 控制LED：recv_buffer[3] 是LED编号
led_on(recv_buffer[3]);
break;
case 2: // 控制数码管：recv_buffer[3] 是显示数字
num_to_buff(recv_buffer[3]);
digiter_show();
break;
case 3: // 控制蜂鸣器音调：1=200Hz 2=400Hz 3=600Hz 4=800Hz
timer0_init();
if (recv_buffer[3]==1) g_i = HZ_200;
else if (recv_buffer[3]==2) g_i = HZ_400;
else if (recv_buffer[3]==3) g_i = HZ_600;
else if (recv_buffer[3]==4) g_i = HZ_800;
break;
}
}8.4 callback() --- 构造应答帧
cs
void callback(void)
{
xdata char send_buffer[10];
int sum = 0;
memcpy(send_buffer, recv_buffer, 7); // 复制接收帧
send_buffer[2] |= (1 << 7); // 功能码最高位置1
// 0x01 → 0x81（表示应答）
// 重新计算校验码（内容变了）
for (i=0; i<5; i++) sum += send_buffer[i];
send_buffer[5] = sum; // 写入新校验码
uart_sendbuff(send_buffer, 7); // 发送应答帧
}九、关键寄存器速查 --- SCON + PCON
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| 寄存器·位 | 代码操作 | 作用 |
| SCON SM0/SM1 | SCON|=(1<<6); SCON&=~(1<<7) | 模式1：8位UART |
| SCON REN (B4) | SCON |= (1<<4) | 允许接收 |
| SCON TI (B1) | while(!(SCON&2)); SCON&=~2 | 等待发送完成后清TI |
| SCON RI (B0) | SCON &= ~(1<<0) | 接收完成，中断中清RI |
| PCON SMOD (B7) | PCON |= (1<<7) | 波特率加倍 |
| TMOD 高4位 | TMOD&=~0xF0; TMOD|=(1<<5) | Timer1模式2（自动重装） |
| TH1 / TL1 | TH1=TL1=232 | 2400bps波特率初值 |
| TCON TR1 (B6) | TCON |= (1<<6) | 启动Timer1 |
| IE EA (B7) | IE |= (1<<7) | 总中断开关 |
| IE ES (B4) | IE |= (1<<4) | 串口中断子开关 |