Linux入门DAY41（51 单片机 串口与通信协议）

#51 单片机 #UART 串口 #I2C #SPI #嵌入式通信 #Modbus

✨前言

在嵌入式开发当中，单片机离不开和外部模块、上位机之间的数据交互，GPS、传感器、上位机调试、工业设备交互，全部依靠各类通信总线来完成。很多新手刚接触串口时，搞不懂同步异步、全双工半双工，对波特率、校验位、帧格式概念模糊。

本篇为 51 单片机学习第三天笔记，从基础通信分类入手，再到 UART 串口时序、参数配置，最后延伸到主从应答和 Modbus 简单帧格式。把底层通信概念、硬件接线、寄存器要点整理汇总，适合单片机入门同学学习复习。

一、常见嵌入式通信协议概述

嵌入式常用 4 种总线协议：UART、I2C、SPI、CAN。

1. UART（通用异步收发器）：异步、全双工，TXD/RXD 交叉接线，点对点通信，单片机调试、对接 GPS 模块最常用。接线规则：单片机 TXD 接外设 RXD，单片机 RXD 接外设 TXD，配合 VCC、GND 供电。
2. I2C：同步半双工，两根线 SDA（数据线）、SCL（时钟线），支持挂载多个从设备。通信双方均可收发数据，同一时刻单向传输。
3. SPI：同步高速全双工，时钟线 + MOSI+MISO + 片选，传输速率高。
4. CAN：差分信号，抗干扰极强，多用于工业、汽车场景。

通信方向分类

1. 单工：方向固定，一方只发，一方只收，单根信号线。
2. 半双工（I2C） ：双方都能收发，但同一时刻只能单向传输，一根数据线。
3. 全双工（UART）：两根信号线，同一时刻双向同时收发数据。

二、串行传输 vs 并行传输

1. 串行通信：逐 bit 顺序发送

• 优点：硬件简单成本低、信号线少、传输距离远、抗干扰强（RS485 差分进一步提升抗干扰）
• 缺点：传输速率慢

1. 并行通信：多根线同时传输多位 bit

• 优点：传输速度快
• 缺点：硬件复杂成本高，信号线之间信号偏移、电磁干扰，只适合短距离（一般 30 米以内）。

UART 串口遵循 LSB 低位先行：发送字节的时候优先发送最低位 bit。

三、UART 异步串口帧时序（一帧完整数据）

空闲状态总线保持高电平，一帧完整数据顺序：

1. 起始位：1bit 低电平，标记数据开始
2. 数据位：8bit，低位优先发送
3. 校验位（可选）：奇校验 O / 偶校验 E / 无校验 N
4. 停止位：1bit 高电平，标记一帧结束。

同步通信与异步通信

• 同步通信 (I2C/SPI)：设备之间共享一根时钟信号线，依靠时钟统一收发节奏。
• 异步通信 (UART) ：没有硬件时钟线，收发双方依靠约定波特率完成时序对齐。

波特率与串口参数配置

• 波特率 bps：每秒传输 bit 数量；常用：2400、4800、9600、115200。
• 串口配置格式示例 9600 8 N 1
  • 9600：波特率；8：8 位数据位；N=None 无校验；1：1 位停止位
  • 2400 8 E 1：偶校验；4800 8 O 1：奇校验。

51 单片机 UART 硬件配置要点

1. 定时器 T1 作为波特率发生器，一般工作在模式 2（8 位自动重装），修改 TH1、TL1 设置波特率。
2. PCON 寄存器最高位 SMOD：波特率翻倍控制位。
3. IE 中断寄存器：开启串口中断（bit4）+CPU 总中断（bit7），实现串口接收中断。
4. TTL 电平逻辑；电脑端是 RS232 负逻辑电平，依靠CH340 芯片完成 TTL‑RS232 电平转换。单片机内部具备发送、接收缓冲区。

内存修饰符：

• data：变量存放单片机内部 RAM（256 字节）；
• xdata：变量存放外部扩展 RAM（最大 64KB）。

四、主从通信模型与 Modbus 简单理解

1. 主机 ：主动发起通信，掌控全部通信流程；从机：不能主动发消息，只响应主机指令。
2. 通信流程：主机下发指令帧 → 从机解析指令、执行功能（数码管、蜂鸣器等） → 从机回复应答帧。
3. Modbus 属于应用层协议，可跑在串口或者 TCP/IP 之上，带 CRC 校验 / 累加和校验。
4. 帧结构示例：起始位 + 地址码 + 功能码 + 数据域 + 校验位 + 结束位；返回帧中功能码最高位置 1，用来标记应答；bit 位区分数据流向：0 主机→从机，1 从机→主机。

📝小结

1. UART 属于异步全双工，接线需要 TX 与 RX 交叉；I2C 属于同步半双工，依靠 SDA、SCL 两根总线通信。
2. 串行通信适合远距离，抗干扰好但是速率有限；并行通信速度快，但容易信号偏移，仅适合短距离场景。
3. UART 一帧完整顺序：空闲高电平→起始低电平→8bit 数据（低位优先）→校验位→停止高电平。
4. 同步通信依赖共享时钟线；UART 异步通信没有时钟线，收发设备波特率、校验位、停止位参数必须保持一致。
5. 51 单片机串口使用定时器 T1 生成波特率；IE 寄存器配置开启串口中断；CH340 芯片完成 TTL 与 RS232 电平转换，实现单片机和电脑通信。
6. Modbus 是典型主从问答式协议，只有主机能够发起通信，从机被动接收指令并返回应答数据。