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串口通信的原理
串口通信（SerialCommunications）的概念非常簡單，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據的同時用另一根線接收數(shù)據。它很簡單并且能夠實現(xiàn)遠距離通信。比如IEEE488定義并行通行狀態(tài)時，規(guī)定設備線總長不得超過20米，并且任意兩個設備間的長度不得超過2米；而對于串口而言，長度可達1200米。典型地，串口用于ASCII碼字符的傳輸。通信使用3根線完成，分別是地線、發(fā)送、接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據同時在另一根線上接收數(shù)據。其他線用于握手，但不是必須的。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進行通信的端口，這些參數(shù)必須匹配。
a，波特率：這是一個衡量符號傳輸速率的參數(shù)。指的是信號被調制以后在單位時間內的變化，即單位時間內載波參數(shù)變化的次數(shù)，如每秒鐘傳送240個字符，而每個字符格式包含10位（1個起始位，1個停止位，8個數(shù)據位），這時的波特率為240Bd，比特率為10位*240個/秒=2400bps。一般調制速率大于波特率，比如曼徹斯特編碼）。通常電話線的波特率為14400，28800和36600。波特率可以遠遠大于這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常用于放置的很近的儀器間的通信，典型的例子就是GPIB設備的通信。
b，數(shù)據位：這是衡量通信中實際數(shù)據位的參數(shù)。當計算機發(fā)送一個信息包，實際的數(shù)據往往不會是8位的，標準的值是6、7和8位。如何設置取決于你想傳送的信息。比如，標準的ASCII碼是0～127（7位）。擴展的ASCII碼是0～255（8位）。如果數(shù)據使用簡單的文本（標準ASCII碼），那么每個數(shù)據包使用7位數(shù)據。每個包是指一個字節(jié)，包括開始/停止位，數(shù)據位和奇偶校驗位。由于實際數(shù)據位取決于通信協(xié)議的選取，術語“包”指任何通信的情況。
c，停止位：用于表示單個包的最后一位。典型的值為1，1.5和2位。由于數(shù)據是在傳輸線上定時的，并且每一個設備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據傳輸率同時也越慢。
d，奇偶校驗位：在串口通信中一種簡單的檢錯方式。有四種檢錯方式：偶、奇、高和低。當然沒有校驗位也是可以的。對于偶和奇校驗的情況，串口會設置校驗位（數(shù)據位后面的一位），用一個值確保傳輸?shù)臄?shù)據有偶個或者奇?zhèn)€邏輯高位。例如，如果數(shù)據是011，那么對于偶校驗，校驗位為0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個。如果是奇校驗，校驗位為1，這樣就有3個邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數(shù)據，簡單置位邏輯高或者邏輯低校驗。這樣使得接收設備能夠知道一個位的狀態(tài)，有機會判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數(shù)據是否不同步。
RS232概述
在我們電腦上，一般都會有一個9針的串行接口，這個串行接口叫做RS232接口，它和UART通信有關聯(lián)，但是由于現(xiàn)在筆記本電腦不帶9針串口，所以和單片機通信越來越趨于使用USB虛擬串口。
九針串口分工頭和母頭
公頭上5下4，上5從左到右為1.2.3.4.5；下4從左到右為6.7.8.9；
母頭上5下4，上5從左到右為5.4.3.2.1；下4從左到右為9.8.7.6；
RS232接口一共有9個引腳，分別定義是：1、載波檢測DCD；2、接收數(shù)據RXD；3、發(fā)送數(shù)據TXD；4、數(shù)據終端準備好DTR；5、信號地線SG；6、數(shù)據準備好DSR；7、請求發(fā)送RTS；8、清除發(fā)送CTS；9、振鈴提示RI。我們要讓這個串口和我們單片機進行通信，我們只需要關心其中的2腳RXD、3腳TXD和5腳GND即可
雖然這三個引腳的名字和我們單片機上的串口名字一樣，但是卻不能直接和單片機對連通信，這是為什么呢？隨著我們了解的內容越來越多，我們得慢慢知道，不是所有的電路都是5V代表高電平而0V代表低電平的。對于RS232標準來說，它是個反邏輯，也叫做負邏輯。為何叫負邏輯？它的TXD和RXD的電壓，-3V～-15V電壓代表是1，+3～+15V電壓代表是0。低電平代表的是1，而高電平代表的是0，所以稱之為負邏輯。因此電腦的9針RS232串口是不能和單片機直接連接的，需要用一個電平轉換芯片MAX232來完成
這個芯片就可以實現(xiàn)把標準RS232串口電平轉換成我們單片機能夠識別和承受的UART0V/5V電平。從這里大家似乎慢慢有點明白了，其實RS232串口和UART串口，它們的協(xié)議類型是一樣的，只是電平標準不同而已，而MAX232這個芯片起到的就是中間人的作用，它把UART電平轉換成RS232電平，也把RS232電平轉換成UART電平，從而實現(xiàn)標準RS232接口和單片機UART之間的通信連接。
USB轉串口通信
隨著技術的發(fā)展，工業(yè)上還有RS232串口通信的大量使用，但是商業(yè)技術的應用上，已經慢慢的使用USB轉UART技術取代了RS232串口，絕大多數(shù)筆記本電腦已經沒有串口這個東西了，那我們要實現(xiàn)單片機和電腦之間的通信該怎么辦呢？
們只需要在電路上添加一個USB轉串口芯片，就可以成功實現(xiàn)USB通信協(xié)議和標準UART串行通信協(xié)議的轉換，在我們的開發(fā)板上，我們使用的是CH340T這個芯片
我們需要用跳線帽把中間和下邊的針短接在一起。右側的CH340T這個電路很簡單，把電源、晶振接好后，6腳和7腳的DP和DM分別接USB口的2個數(shù)據引腳上去，3腳和4腳通過跳線接到了我們單片機的TXD和RXD上去。
CH340T的電路里3腳位置加了個4148的二極管，是一個小技巧。因為STC89C52這個單片機下載程序時需要冷啟動，就是先點下載后上電，上電瞬間單片機會先檢測需要不需要下載程序。雖然單片機的VCC是由開關來控制，但是由于CH340T的3腳是輸出引腳，如果沒有此二極管，開關后級單片機在斷電的情況下，CH340T的3腳和單片機的P3.0（即RXD）引腳連在一起，有電流會通過這個引腳流入后級電路并且給后級的電容充電，造成后級有一定幅度的電壓，這個電壓值雖然只有兩三伏左右，但是可能會影響到正常的冷啟動。加了二極管后，一方面不影響通信，另外一個方面還可以消除這種不良影響。這個地方可以暫時作為了解，大家如果自己做這類電路，可以參考一下。
IO口模擬UART串口通信
UART串口波特率，常用的值是300、600、1200、2400、4800、9600、14400、19200、28800、38400、57600、115200等速率。IO口模擬UART串行通信程序是一個簡單的演示程序，我們使用串口調試助手下發(fā)一個數(shù)據，數(shù)據加1后，再自動返回。
串口調試助手，這里我們直接使用STC-ISP軟件自帶的串口調試助手，先把串口調試助手的使用給大家說一下，如圖11-6所示。第一步要選擇串口助手菜單，第二步選擇十六進制顯示，第三步選擇十六進制發(fā)送，第四步選擇COM口，這個COM口要和自己電腦設備管理器里的那個COM口一致，波特率按我們程序設定好的選擇，我們程序中讓一個數(shù)據位持續(xù)時間是1/9600秒，那這個地方選擇波特率就是選9600，校驗位選N，數(shù)據位8，停止位1。
串口調試助手的實質就是利用電腦上的UART通信接口，發(fā)送數(shù)據給我們的單片機，也可以把我們的單片機發(fā)送的數(shù)據接收到這個調試助手界面上。
因為初次接觸通信方面的技術，所以我把后面的IO模擬串口通信程序進行一下解釋，大家可以邊看我的解釋邊看程序，把底層原理先徹底弄懂。
變量定義部分就不用說了，直接看main主函數(shù)。首先是對通信的波特率的設定，在這里我們配置的波特率是9600，那么串口調試助手也得是9600。配置波特率的時候，我們用的是定時器T0的模式2。模式2中，不再是TH0代表高8位，TL0代表低8位了，而只有TL0在進行計數(shù)，當TL0溢出后，不僅僅會讓TF0變1，而且還會將TH0中的內容重新自動裝到TL0中。這樣有一個好處，就是我們可以把想要的定時器初值提前存在TH0中，當TL0溢出后，TH0自動把初值就重新送入TL0了，全自動的，不需要程序中再給TL0重新賦值了，配置方式很簡單，大家可以自己看下程序并且計算一下初值。
波特率設置好以后，打開中斷，然后等待接收串口調試助手下發(fā)的數(shù)據。接收數(shù)據的時候，首先要進行低電平檢測while（PIN_RXD），若沒有低電平則說明沒有數(shù)據，一旦檢測到低電平，就進入啟動接收函數(shù)StartRXD（）。接收函數(shù)最開始啟動半個波特率周期，初學可能這里不是很明白。大家回頭看一下我們的圖11-2里邊的串口數(shù)據示意圖，如果在數(shù)據位電平變化的時候去讀取，因為時序上的誤差以及信號穩(wěn)定性的問題很容易讀錯數(shù)據，所以我們希望在信號最穩(wěn)定的時候去讀數(shù)據。除了信號變化的那個沿的位置外，其它位置都很穩(wěn)定，那么我們現(xiàn)在就約定在信號中間位置去讀取電平狀態(tài)，這樣能夠保證我們讀的一定是正確的。
一旦讀到了起始信號，我們就把當前狀態(tài)設定成接收狀態(tài)，并且打開定時器中斷，第一次是半個周期進入中斷后，對起始位進行二次判斷一下，確認一下起始位是低電平，而不是一個干擾信號。以后每經過1/9600秒進入一次中斷，并且把這個引腳的狀態(tài)讀到RxdBuf里邊。等待接收完畢之后，我們再把這個RxdBuf加1，再通過TXD引腳發(fā)送出去，同樣需要先發(fā)一位起始位，然后發(fā)8個數(shù)據位，再發(fā)結束位，發(fā)送完畢后，程序運行到while（PIN_RXD），等待第二輪信號接收的開始。
uart模塊介紹
IO口模擬串口通信，讓大家了解了串口通信的本質，但是我們的單片機程序卻需要不停的檢測掃描單片機IO口收到的數(shù)據，大量占用了單片機的運行時間。這時候就會有聰明人想了，其實我們并不是很關心通信的過程，我們只需要一個通信的結果，最終得到接收到的數(shù)據就行了。這樣我們可以在單片機內部做一個硬件模塊，讓它自動接收數(shù)據，接收完了，通知我們一下就可以了，我們的51單片機內部就存在這樣一個UART模塊，要正確使用它，當然還得先把對應的特殊功能寄存器配置好。
51單片機的UART串口的結構由串行口控制寄存器SCON、發(fā)送和接收電路三部分構成，先來了解一下串口控制寄存器SCON。
SCON串行控制器的位分配（地址：0x98）
位：符號：復位值： 0：RI：0；1：TI：0；2:RB8:0;3:TB8:0;4:REN:0;5:SM2:0;6:SM1:0;7:SM0:0;
0位RI：接收中斷標志位，當接收電路接收到停止位的中間位置時，RI由硬件置1，必須通過軟件清零
1位TI：發(fā)送中斷標志位，當發(fā)送電路發(fā)送到停止位的中間位置時，TI由硬件置1，必須通過軟件清零。
2位RB8：模式2和3中接收到的第9位數(shù)據（很少用），模式1用來接收停止位。
3位TB8：模式2和3中要發(fā)送的第9位數(shù)據（很少用）。
4位REN：使能串行接收。由軟件置位使能接收，軟件清零則禁止接收。
5位SM2：多機通信控制位（極少用），模式1直接清零。
6位SM1和7位SM0：
這兩位共同決定了串口通信的模式0～模式3共4種模式。我們最常用的就是模式1，也就是SM0=0，SM1=1，下邊我們重點就講模式1，其它模式從略。
對于串口的四種模式，模式1是最常用的，就是我們前邊提到的1位起始位，8位數(shù)據位和1位停止位。下面我們就詳細介紹模式1的工作細節(jié)和使用方法，至于其它3種模式與此也是大同小異，真正遇到需要使用的時候大家再去查閱相關資料就行了。
在我們使用IO口模擬串口通信的時候，串口的波特率是使用定時器T0的中斷體現(xiàn)出來的。在硬件串口模塊中，有一個專門的波特率發(fā)生器用來控制發(fā)送和接收數(shù)據的速度。對于STC89C52單片機來講，這個波特率發(fā)生器只能由定時器T1或定時器T2產生，而不能由定時器T0產生，這和我們模擬的通信是完全不同的概念。
如果用定時器2，需要配置額外的寄存器，默認是使用定時器1的，我們本章內容主要就使用定時器T1作為波特率發(fā)生器來講解，方式1下的波特率發(fā)生器必須使用定時器T1的模式2，也就是自動重裝載模式，定時器的重載值計算公式為：
TH1 = TL1 = 256 - 晶振值/12 /2/16 /波特率
和波特率有關的還有一個寄存器，是一個電源管理寄存器PCON，他的最高位可以把波特率提高一倍，也就是如果寫PCON |= 0x80以后，計算公式就成了：
TH1 = TL1 = 256 - 晶振值/12 /16 /波特率
公式中數(shù)字的含義這里解釋一下，256是8位定時器的溢出值，也就是TL1的溢出值，晶振值在我們的開發(fā)板上就是11059200，12是說1個機器周期等于12個時鐘周期，值得關注的是這個16，我們來重點說明。在IO口模擬串口通信接收數(shù)據的時候，采集的是這一位數(shù)據的中間位置，而實際上串口模塊比我們模擬的要復雜和精確一些。他采取的方式是把一位信號采集16次，其中第7、8、9次取出來，這三次中其中兩次如果是高電平，那么就認定這一位數(shù)據是1，如果兩次是低電平，那么就認定這一位是0，這樣一旦受到意外干擾讀錯一次數(shù)據，也依然可以保證最終數(shù)據的正確性。
串口通信的發(fā)送和接收電路在物理上有2個名字相同的SBUF寄存器，它們的地址也都是0x99，但是一個用來做發(fā)送緩沖，一個用來做接收緩沖。意思就是說，有2個房間，兩個房間的門牌號是一樣的，其中一個只出人不進人，另外一個只進人不出人，這樣的話，我們就可以實現(xiàn)UART的全雙工通信，相互之間不會產生干擾。但是在邏輯上呢，我們每次只操作SBUF，單片機會自動根據對它執(zhí)行的是“讀”還是“寫”操作來選擇是接收SBUF還是發(fā)送SBUF，后邊通過程序，我們就會徹底了解這個問題。
UART串口程序：
一般情況下，我們編寫串口通信程序的基本步驟如下所示：
1、配置串口為模式1。
2、配置定時器T1為模式2，即自動重裝模式。
3、根據波特率計算TH1和TL1的初值，如果有需要可以使用PCON進行波特率加倍。
4、打開定時器控制寄存器TR1，讓定時器跑起來。
這里還要特別注意一下，就是在使用T1做波特率發(fā)生器的時候，千萬不要再使能T1的中斷了。
我們先來看一下由IO口模擬串口通信直接改為使用硬件UART模塊時的程序代碼，看看程序是不是簡單了很多，因為大部分的工作硬件模塊都替我們做了。程序功能和IO口模擬的是完全一樣的。
通信實例與ASCLL碼
先拋開我們使用的漢字不談，那么我們常用的字符就包含了0~9的數(shù)字、A~Z/a~z的字母、還有各種標點符號等。那么在單片機系統(tǒng)里面我們怎么來表示它們呢？ASCII碼（AmericanStandardCodeforInformationInterchange，即美國信息互換標準代碼）可以完成這個使命：我們知道，在單片機中一個字節(jié)的數(shù)據可以有0～255共256個值，我們取其中的0～127共128個值賦予了它另外一層涵義
我們用字符格式發(fā)送一個小寫的a，返回一個十六進制的0x61，數(shù)碼管上顯示的也是61，ASCII碼表里字符a對應十進制是97，等于十六進制的0x61；我們再用字符格式發(fā)送一個數(shù)字1，返回一個十六進制的0x31，數(shù)碼管上顯示的也是31，ASCII表里字符1對應的十進制是49，等于十六進制的0x31。這下大家就該清楚了：所謂的十六進制發(fā)送和十六進制接收，都是按字節(jié)數(shù)據的真實值進行的；而字符格式發(fā)送和字符格式接收，是按ASCII碼表中字符形式進行的，但它實際上最終傳輸?shù)倪€是一個字節(jié)數(shù)據。這個表格，當然不需要大家去記住，理解它，用的時候過來查就行了。
51單片機串口通信實例（字符串接收和發(fā)送）
#include《reg52.h》
//------------------串口通信協(xié)議-----------------//
/*
客戶端數(shù)據包格式解釋（長度恒為15）：
例如：A01_fmq_01Off___#
A--------數(shù)據包的開始標記（可以為A到Z，意味著數(shù)據包可以有26種）
01-----設備代號
fmq_01Off___--------指令（長度恒為10），指令的前4個人字符是指令頭部，指令的后6個字符是指令尾部
#---------數(shù)據包的結束標記
服務器端數(shù)據包格式解釋（長度恒為15）：
例如：A02_SenT010250#
A--------數(shù)據包的開始標記（可以為A到Z，意味著數(shù)據包可以有26種）
02-----設備代號
SenT010250--------指令（長度恒為10），指令的前4個人字符是指令頭部，指令的后6個字符是指令尾部
#---------數(shù)據包的結束標記
*/
char buf_string［16］; //定義數(shù)據包長度為15個字符
#define deviceID_1Bit ‘0’ //用于串口通信時，定義本地設備ID的第1位
#define deviceID_2Bit ‘2’ //用于串口通信時，定義本地設備ID的第2位
#define datapackage_headflag ‘A’ //用于串口通信時，定義數(shù)據包頭部的驗證標記
char DataPackage_DS18B20［16］={datapackage_headflag，deviceID_1Bit，deviceID_2Bit，‘_’，‘S’，‘e’，‘n’，‘T’，‘X’，‘X’，‘X’，‘X’，‘X’，‘X’，‘#’};
char HeartBeat［16］={datapackage_headflag，deviceID_1Bit，deviceID_2Bit，‘_’，‘B’，‘e’，‘a’，‘t’，‘X’，‘X’，‘X’，‘X’，‘X’，‘X’，‘#’};
//----------------------------------------------//
/*******************************
串口通信
MCU:89C52RC 11.0592MHz
//11.0592MHz 0xd0 1200bps
//12MHz 0xcc 1200bps
//11.0592MHz 0xfa 9600bps
//0xf4 11.0592MHz 0xf3 12MHz 4800bps
//均在SMOD=1的情況下（波特率倍增模式）
*******************************/
//串口發(fā)送函數(shù)
void PutString（unsigned char *TXStr）
{
ES=0;
while（*TXStr！=0）
{
SBUF=*TXStr;
while（TI==0）;
TI=0;
TXStr++;
}
ES=1;
}
//串口接收函數(shù)
bit ReceiveString（）
{
char * RecStr=buf_string;
char num=0;
unsigned char count=0;
loop：
*RecStr=SBUF;
count=0;
RI=0;
if（num《14） //數(shù)據包長度為15個字符，嘗試連續(xù)接收15個字符
{
num++;
RecStr++;
while（！RI）
{
count++;
if（count》130）return 0; //接收數(shù)據等待延遲，等待時間太久會導致CPU運算閑置，太短會出現(xiàn)“數(shù)據包被分割”，默認count=130
}
goto loop;
}
return 1;
}
//定時器1用作波特率發(fā)生器
void Init_USART（）
{
SCON=0x50; //串口方式1，使能接收
TMOD|=0x20; //定時器1工作方式2（8位自動重裝初值）
TMOD&=~0x10;
TH1=0xfa; //9600bps
TL1=0xfa;
PCON|=0x80; //SMOD=1
TR1=1;
TI=0;
RI=0;
//PS=1; //提高串口中斷優(yōu)先級
ES=1; //開啟串口中斷使能
}
//比較指令頭部
bit CompareCMD_head（char CMD_head［］）
{
unsigned char CharNum;
for（CharNum=0;CharNum《4;CharNum++） //指令長度為10個字符
{
if（！（buf_string［CharNum+4］==CMD_head［CharNum］））
{
return 0; //指令頭部匹配失敗
}
}
return 1; //指令頭部匹配成功
}
//比較指令尾部（start：從哪里開始比較，quality：比較多少個字符，CMD_tail［］：要比較的字符串）
bit CompareCMD_tail（unsigned char start，unsigned char quality，char CMD_tail［］）
{
unsigned char CharNum;
for（CharNum=0;CharNum《quality;CharNum++）
{
if（?。╞uf_string［start+CharNum］==CMD_tail［CharNum］））
{
return 0;
}
}
return 1;
}
bit Deal_UART_RecData（） //處理串口接收數(shù)據包函數(shù)（成功處理數(shù)據包則返回1，否則返回0）
{
//PutString（buf_string）;
if（buf_string［0］==datapackage_headflag&&buf_string［14］==‘#’） //進行數(shù)據包頭尾標記驗證
{
switch（buf_string［1］） //識別發(fā)送者設備ID的第1位數(shù)字
{
case ‘0’：
switch（buf_string［2］） //識別發(fā)送者設備ID的第2位數(shù)字
{
case ‘3’：
if（CompareCMD_head（“Ligt”）） //判斷指令頭部是否為“Ligt”
{
//下面是指令尾部分析
switch（buf_string［8］）
{
case ‘0’：
switch（buf_string［9］）
{
case ‘0’：
return 0;
case ‘1’：
if（CompareCMD_tail（10，3，“Off”）） //A03_Ligt01Off_#
{
//要執(zhí)行的代碼
return 1;
}
if（CompareCMD_tail（10，3，“On_”））
{
return 1;
}
return 0;
default：
return 0;
}
case ‘1’：
default：
return 0;
}
}
if（CompareCMD_head（“SenT”））
{
}
if（CompareCMD_head（“jdq_”））
{
}
if（CompareCMD_head（“Try！”））
{
}
return 0;
default：
return 0;
}
default：
return 0;
}
}
return 0;
}
/************************
中斷函數(shù)
************************/
//串口中斷服務函數(shù)-----------
void USART（） interrupt 4 //標志位TI和RI需要手動復位，TI和RI置位共用一個中斷入口
{
if（ReceiveString（））
{
//數(shù)據包長度正確則執(zhí)行以下代碼
Deal_UART_RecData（）;
}
else
{
//數(shù)據包長度錯誤則執(zhí)行以下代碼
//LED1=~LED1;
}
RI=0; //接收并處理一次數(shù)據后把接收中斷標志清除一下，拒絕響應在中斷接收忙的時候發(fā)來的請求
}
/***************************
主函數(shù)
***************************/
void main（）
{
EA=1;
Init_USART（）;
while（1）
{
//PutString（buf_string）;//空格20H，回車0DH
}
}
工商網監(jiān)
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