51单片机——UART 串口通信

[1.1 串口基础概念](#1.1 串口基础概念)

1.2通信的基本概念

通信的方式分类

嵌入式通信协议

[2.1 I2C 与 SPI 简介](#2.1 I2C 与 SPI 简介)

1.1 串口基础概念

串口通信(Serial Communication)：指外设和计算机间通过数据信号线、地线等按位进行传输数据的一种通信方式，属于串行通信方式。
电平标准
- TTL：高电平5V（逻辑1），低电平0V（逻辑0），传输距离短。
- RS232：负逻辑，高电平-3V ~ -15V（逻辑1），低电平3V ~ 15V（逻辑0），传输距离更远。{ TTL与 RS-232C(老式电脑用) 电平转换，通常使用的电平转换芯片是 MAX232。}{ TTL与USB电平转换，通常使用的电平转换芯片是 CH340}
- RS485：差分信号，抗干扰能力强，适合工业环境。

UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）即通用异步收发器，是硬件电路中的通信接口，拥有独立的通信规则（协议），核心属性为异步、全双工、串行通信。

异步：无时钟线同步，通信双方通过预设参数保持节奏一致；
全双工：双向同时通信，收发独立不冲突；
串行：数据逐位依次传输，硬件成本低、抗干扰性强。
应用：在 WIFI、蓝牙、GPS、GSM/GPRS 等应用的控制。开发板上集成了 1 个串口通信电路，是 USB 转串口模块，它既可下载程序也可实现串口通信功能。
比特率：是每秒钟传输二进制代码的位数，单位是：位／秒（ bps）。如每秒钟传送 240 个字符，而每个字符格式包含 10 位(1 个起始位、1 个停止位、8 个数据位)，这时的比特率为：
10 位×240 个/秒 = 2400 bps

1.2通信的基本概念

51 单片机不仅可以实现串口通信，还可以通过 IO 口模拟实现多种其他通信，比如 SPI、IIC 等。

通信的方式分类

按照数据传送方式分：
- 串行通信：传输线少，传输距离远，抗干扰性好，长距离传送时硬件成本低，且可以利用电话网等现成的设备，但数据的传送控制比并行通信复杂。
- 并行通信：控制简单、传输速度快；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，抗干扰能力差；硬件成本高
按照通信的数据同步方式分
- 异步通信
  - 概念：以字符（构成的帧）为单位进行传输，字符与字符之间的间隙（时
    间间隔）是任意的，但每个字符中的各位是以固定的时间传送的
  - 特点：不要求收发双方时钟的严格一致，实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加 2～3 位用于起止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。
- 同步通信
照数据的传输方向分
- 单工、半双工和全双工通信

通信方式	数据传输方向	数据线数量	核心特点	适用场景
单工	单向固定	1 根	发送方和接收方固定，无法双向传输	红外遥控、串口打印（仅发送）
半双工	双向但不同时	1 根	双方可收发数据，但同一时刻仅能单向传输	对讲机、I2C 总线（软件半双工）
全双工	双向同时	2 根（TXD+RXD）	收发独立，可同时进行数据传输	单片机与电脑、蓝牙模块通信

嵌入式通信协议

协议	特点	适用场景
UART	简单、异步、全双工	调试、模块通信
I2C	两线、半双工、多设备	传感器、EEPROM
SPI	高速、全双工、片选	显示屏、SD卡
CAN	差分、多主、高可靠	汽车电子、工业控制
Modbus	主从、应用层协议	工业自动化
USB	高速、串行、差分传输、即插即用、主从结构外设连接（鼠标 / 键盘 / 存储 / 调试）、高速数据传输	外设连接（鼠标 / 键盘 / 存储 / 调试/U盘/摄像头）、高速数据传输

1.3UART数据传输核心规则

**发送顺序：**遵循 LSB 优先的原则，低位先行。

通信协议:通常使用 96-N-8-1 格式。

"96"：表示的是通信波特率为 9600。串口通信中通常使用的是异步串口通信，即没有时钟线，所以两个设备要通信，必须要保持一致的波特率，当然，波特率常用值还有 4800、 115200 等。
"N"表示的是无校验位。校验方法有奇校验(odd)、偶校验(even)、0 校验(space)、1 校验(mark)以及无校验(noparity)。
"8"表示的是数据位数为 8 位，其数据格式在前面介绍异步通信中已讲过。当然数据位数还可以为 5、6、7 位长度。
"1"表示的是 1 位停止位，串口通讯的一个数据包从起始信号开始，直到停止信号结束。数据包的起始信号由一个逻辑 0 的数据位表示，而数据包的停止信号可由 0.5、1、1.5 或 2 个逻辑 1 的数据位表示，只要双方约定一致即可。

1.4串口相关寄存器

（1）串口控制寄存器SCON

SM0 和 SM1 为工作方式选择位：

SM2： 多机通信控制位，主要用于方式 2 和方式 3。当 SM2=1 时可以利用收到的 RB8 来控制是否激活 RI（RB8＝0 时不激活 RI，收到的信息丢弃；RB8＝1 时收到的数据进入 SBUF，并激活 RI，进而在中断服务中将数据从 SBUF 读走）。当SM2=0 时，不论收到的 RB8 为 0 和 1，均可以使收到的数据进入 SBUF，并激活 RI（即此时 RB8 不具有控制 RI 激活的功能）。通过控制 SM2，可以实现多机通信。REN：允许串行接收位。由软件置 REN=1，则启动串行口接收数据；若软件置REN=0，则禁止接收。
TB8： 在方式 2 或方式 3 中，是发送数据的第 9 位，可以用软件规定其作用。可以用作数据的奇偶校验位，或在多机通信中，作为地址帧/数据帧的标志位。在方式 0 和方式 1 中，该位未用到。
RB8 ：在方式 2 或方式 3 中，是接收到数据的第 9 位，作为奇偶校验位或地址帧/数据帧的标志位。在方式 1 时，若 SM2=0，则 RB8 是接收到的停止位。
TI ：发送中断标志位。在方式 0 时，当串行发送第 8 位数据结束时，或在其它方式，串行发送停止位的开始时，由内部硬件使 TI 置 1，向 CPU 发中断申请。在中断服务程序中，必须用软件将其清 0，取消此中断申请。
RI：接收中断标志位。在方式 0 时，当串行接收第 8 位数据结束时，或在其它方式，串行接收停止位的中间时，由内部硬件使 RI 置 1，向 CPU 发中断申请。也必须在中断服务程序中，用软件将其清 0，取消此中断申请。

（2）电源控制寄存器PCON

SMOD：波特率倍增位。在串口方式 1、方式 2、方式 3 时，波特率与 SMOD 有

关，当 SMOD=1 时，波特率提高一倍。复位时，SMOD=0。

1.5串口波特率计数

开发中建议大家使用小工具，它会给你带来很多便利。如51 波特率初值设定app，或STC-ISP里有波特率计数器

2.其他通信协议

2.1 I2C 与 SPI 简介

I2C（Inter -Integrated Circuit）

使用 SCL（时钟线）和 SDA（数据线）两根线。
半双工，支持多主多从，通过设备地址寻址。
适合连接多个低速设备，如传感器、EEPROM。

SPI（Serial Peripheral Interface）

使用 SCLK（时钟）、CS（片选）、MOSI（主出从入）、MISO（主入从出）四根线。
全双工，传输速度快，适合高速设备如显示屏、SD卡。
无设备地址，通过片选线选择从设备。

Modbus协议：工业通信的"通用语言"

Modbus是一种应用层协议，常基于串口（如RS485）传输，采用主从架构。
主从模式
- 主机：唯一有权发起通信的设备，控制整个通信过程。
- 从机：被动响应主机指令，执行对应功能并返回应答。
协议格式（以RTU模式为例）
- 设备地址：标识目标从机。
- 功能码：指示操作类型。
- 数据流向位：功能码最高位表示数据方向：
  - 0：主机 → 从机
  - 1：从机 → 主机

起始位	设备地址	功能码	数据位1	数据位2	校验位	结束位
0xAA	0x01	0x01	0x42	0x00	0xEE	0xBB