51单片机入门——UART串口通信

文章目录

  • 前言
  • 1.什么是串行通信
  • 2. USB转串口通信
  • 3. IO 口模拟 UART 串口通信
  • 4 UART串口通信的基本应用
  • 4.1 通信的三种类型
  • 4.2 UART模块
  • 4.3 UART 串口程序
  • 前言

    通信,按照传统的理解就是信息的传输与交换。对于单片机来说通信则与传感器、存储芯片、外围控制芯片等技术紧密结合,成为整个单片机系统的“神经中枢”。没有通信,单片机所实现的功能仅仅局限于单片机本身,就无法通过其它设备获得有用信息,也无法将自己产生的信息告诉其它设备。如果单片机通信没处理好的话,它和外围器件的合作程度就受到限制,最终整个系统也无法完成强大的功能,由此可见单片机通信技术的重要性。UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,即通用异步收发器)串行通信是单片机最常用的一种通信技术,通常用于单片机和电脑之间以及单片机和单片机之间的通信。

    1.什么是串行通信

    通信按照基本类型可以分为并行通信和串行通信。并行通信时数据的各个位同时传送,可以实现字节为单位通信,但是通信线多占用资源多,成本高。比如我们前边用到的 P0 = 0xFE;一次给 P0 的 8 个 IO 口分别赋值,同时进行信号输出,类似于有 8 个车道同时可以过去 8 辆车一样,这种形式就是并行的,我们习惯上还称 P0、P1、P2 和 P3 为 51 单片机的 4 组并行总线。

    而串行通信,就如同一条车道,一次只能一辆车过去,如果一个 0xFE 这样一个字节的数据要传输过去的话,假如低位在前高位在后的话,那发送方式就是 0-1-1-1-1-1-1-1-1,一位一位的发送出去的,要发送 8 次才能发送完一个字节。

    STC89C52 有两个引脚是专门用来做 UART 串行通信的,一个是 P3.0 一个是 P3.1,它们还分别有另外的名字叫做 RXD 和 TXD,由它们组成的通信接口就叫做串行接口,简称串口。用两个单片机进行 UART 串口通信,基本的演示图如图所示:

    图中,GND 表示单片机系统电源的参考地,TXD 是串行发送引脚,RXD 是串行接收引脚。两个单片机之间要通信,首先电源基准得一样,所以我们要把两个单片机的 GND 相互连接起来,然后单片机 1 的 TXD 引脚接到单片机 2 的 RXD 引脚上,即此路为单片机 1 发送而单片机 2 接收的通道,单片机 1 的 RXD 引脚接到单片机 2 的 TXD 引脚上,即此路为单片机 2 发送而单片机 1 接收的通道。这个示意图就体现了两个单片机相互收发信息的过程。当单片机 1 想给单片机 2 发送数据时,比如发送一个 0xE4 这个数据,用二进制形式表示就是 0b11100100,在 UART 通信过程中,是低位先发,高位后发的原则,那么就让 TXD首先拉低电平,持续一段时间,发送一位 0,然后继续拉低,再持续一段时间,又发送了一位 0,然后拉高电平,持续一段时间,发了一位 1……一直到把 8 位二进制数字 0b11100100全部发送完毕。这里就涉及到了一个问题,就是持续的这“一段时间”到底是多久?由此便引入了通信中的一个重要概念——波特率,也叫做比特率

    波特率就是发送二进制数据位的速率,习惯上用 baud 表示,即我们发送一位二进制数据的持续时间=1/baud。在通信之前,单片机 1 和单片机 2 首先都要明确的约定好它们之间的通信波特率,必须保持一致,收发双方才能正常实现通信,这一点大家一定要记清楚。

    约定好速度后,我们还要考虑第二个问题,数据什么时候是起始,什么时候是结束呢?不管是提前接收还是延迟接收,数据都会接收错误。在 UART 通信的时候,一个字节是 8 位,规定当没有通信信号发生时,通信线路保持高电平,当要发送数据之前,先发一位 0 表示起始位,然后发送 8 位数据位,数据位是先低后高的顺序,数据位发完后再发一位 1 表示停止位。这样本来要发送一个字节的 8 位数据,而实际上我们一共发送了 10 位,多出来的两位其中一位起始位,一位停止位。而接收方呢,原本一直保持的高电平,一旦检测到了一位低电平,那就知道了要开始准备接收数据了,接收到 8 位数据位后,然后检测到停止位,再准备下一个数据的接收。我们图示看一下,如图所示:
    上图,串口数据发送示意图,实际上是一个时域示意图,就是信号随着时间变化的对应关系。比如在单片机的发送引脚上,左边的是先发生的,右边的是后发生的,数据位的切换时间就是波特率分之一秒,如果能够理解时域的概念,后边很多通信的时序图就很容易理解了。

    2. USB转串口通信

    在我们的台式电脑上,一般都会有一个 9 针的串行接口,这个串行接口叫做 RS232 接口,它和 UART 通信有关联,但是由于现在笔记本电脑都不带这种 9 针串口了,所以和单片机通信越来越趋向于使用 USB 虚拟的串口。

    随着技术的发展,工业上还有 RS232 串口通信的大量使用,但是商业技术的应用上,已
    经慢慢的使用 USB 转 UART 技术取代了 RS232 串口,绝大多数笔记本电脑已经没有串口这个东西了,那我们要实现单片机和电脑之间的通信该怎么办呢?

    我们只需要在电路上添加一个 USB 转串口芯片,就可以成功实现 USB 通信协议和标准
    UART 串行通信协议的转换,我们使用的是 CH340T 这个芯片。市面上常用的开发板也是使用该芯片。

    图中左下方 J1 和 J2 是两个跳线的组合,大家可以在我们板子左下方的位置找到,我们需要用跳线帽把中间和下边的针短接在一起。右侧的 CH340T 这个电路很简单,把电源、晶振接好后,6 脚和 7 脚的 DP 和 DM 分别接 USB 口的 2 个数据引脚上去,3 脚和 4 脚通过跳线接到了我们单片机的 TXD 和 RXD 上去。

    CH340T 的电路里 3 脚位置加了个 4148 的二极管,是一个小技巧。因为 STC89C52 这个单片机下载程序时需要冷启动,就是先点下载后上电,上电瞬间单片机会先检测需要不需要下载程序。虽然单片机的 VCC 是由开关来控制,但是由于 CH340T 的 3 脚是输出引脚,如果没有此二极管,开关后级单片机在断电的情况下,CH340T 的 3 脚和单片机的 P3.0(即 RXD)引脚连在一起,有电流会通过这个引脚流入后级电路并且给后级的电容充电,造成后级有一定幅度的电压,这个电压值虽然只有两三伏左右,但是可能会影响到正常的冷启动。加了二极管后,一方面不影响通信,另外一个方面还可以消除这种不良影响。这个地方可以暂时作为了解,大家如果自己做这类电路,可以参考一下。

    在市面上也有该类USB转TTL的下载器

    3. IO 口模拟 UART 串口通信

    为了让大家充分理解 UART 串口通信的原理,我们先把 P3.0 和 P3.1 当做 IO 口来进行模拟实际串口通信的过程,原理搞懂后,我们再使用寄存器配置实现串口通信过程。

    对于 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 口模拟 UART 串行通信程序是一个简单的演示程序,我们使用串口调试助手下发一个数据,数据加 1 后,再自动返回。

    串口调试助手,这里我们直接使用 STC-ISP 软件自带的串口调试助手,先把串口调试助手的使用给大家说一下,如下图所示。第一步要选择串口助手菜单,第二步选择HEX模式,第三步选择HEX模式发送,第四步选择 COM 口,这个 COM 口要和自己电脑设备管理器里的那个 COM 口一致,波特率按我们程序设定好的选择,我们程序中让一个数据位持续时间是 1/9600 秒,那这个地方选择波特率就是选 9600,校验位选 N,数据位 8,停止位 1。

    串口调试助手的实质就是利用电脑上的 UART 通信接口,发送数据给我们的单片机,也可以把我们的单片机发送的数据接收到这个调试助手界面上。

    因为初次接触通信方面的技术,所以我把后面的 IO 模拟串口通信程序进行一下解释,大家可以边看我的解释边看程序,把底层原理先彻底弄懂。

    变量定义部分就不用说了,直接看 main 主函数。首先是对通信的波特率的设定,在这里我们配置的波特率是 9600,那么串口调试助手也得是 9600。配置波特率的时候,我们用的是定时器 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 在进行计数,当 TL0 溢出后,不仅仅会让 TF0 变 1,而且还会将 TH0 中的内容重新自动装到 TL0 中。这样有一个好处,就是我们可以把想要的定时器初值提前存在 TH0 中,当 TL0溢出后,TH0 自动把初值就重新送入 TL0 了,全自动的,不需要程序中再给 TL0 重新赋值了,配置方式很简单,大家可以自己看下程序并且计算一下初值。

    波特率设置好以后,打开中断,然后等待接收串口调试助手下发的数据。接收数据的时候,首先要进行低电平检测 while (PIN_RXD),若没有低电平则说明没有数据,一旦检测到低电平,就进入启动接收函数 StartRXD()。接收函数最开始启动半个波特率周期,初学可能这里不是很明白。大家回头看一下我们的图 11-2 里边的串口数据示意图,如果在数据位电平变化的时候去读取,因为时序上的误差以及信号稳定性的问题很容易读错数据,所以我们希望在信号最稳定的时候去读数据。除了信号变化的那个沿的位置外,其它位置都很稳定,那么我们现在就约定在信号中间位置去读取电平状态,这样能够保证我们读的一定是正确的。

    一旦读到了起始信号,我们就把当前状态设定成接收状态,并且打开定时器中断,第一次是半个周期进入中断后,对起始位进行二次判断一下,确认一下起始位是低电平,而不是一个干扰信号。以后每经过 1/9600 秒进入一次中断,并且把这个引脚的状态读到 RxdBuf 里边。等待接收完毕之后,我们再把这个 RxdBuf 加 1,再通过 TXD 引脚发送出去,同样需要先发一位起始位,然后发 8 个数据位,再发结束位,发送完毕后,程序运行到 while (PIN_RXD),等待第二轮信号接收的开始。

    #include <reg52.h>
    
    sbit PIN_RXD = P3^0; //接收引脚定义
    sbit PIN_TXD = P3^1; //发送引脚定义
    
    bit RxdOrTxd = 0; //指示当前状态为接收还是发送
    bit RxdEnd = 0; //接收结束标志
    bit TxdEnd = 0; //发送结束标志
    
    unsigned char RxdBuf = 0; //接收缓冲器
    unsigned char TxdBuf = 0; //发送缓冲器
    
    void ConfigUART(unsigned int baud);
    void StartTXD(unsigned char dat);
    void StartRXD();
    
    void main()
    {
    	EA = 1; //开总中断
    	ConfigUART(9600); //配置波特率为 9600
     
    	while (1)
    	{
    		while (PIN_RXD); //等待接收引脚出现低电平,即起始位
    		StartRXD(); //启动接收
    		while (!RxdEnd); //等待接收完成
    		StartTXD(RxdBuf+1); //接收到的数据+1 后,发送回去
    		while (!TxdEnd); //等待发送完成
    	} 
    }
    
    /* 串口配置函数,baud-通信波特率 */
    void ConfigUART(unsigned int baud)
    {
    	TMOD &= 0xF0; //清零 T0 的控制位
    	TMOD |= 0x02; //配置 T0 为模式 2
    	TH0 = 256 - (11059200/12)/baud; //计算 T0 重载值
    }
    
    /* 启动串行接收 */
    void StartRXD()
    {
    	TL0 = 256 - ((256-TH0)>>1); //接收启动时的 T0 定时为半个波特率周期
    	ET0 = 1; //使能 T0 中断
    	TR0 = 1; //启动 T0
    	RxdEnd = 0; //清零接收结束标志
    	RxdOrTxd = 0; //设置当前状态为接收
    }
    
    /* 启动串行发送,dat-待发送字节数据 */
    void StartTXD(unsigned char dat)
    {
    	TxdBuf = dat; //待发送数据保存到发送缓冲器
    	TL0 = TH0; //T0 计数初值为重载值
    	ET0 = 1; //使能 T0 中断
    	TR0 = 1; //启动 T0
    	PIN_TXD = 0; //发送起始位
    	TxdEnd = 0; //清零发送结束标志
    	RxdOrTxd = 1; //设置当前状态为发送
    }
    
    /* T0 中断服务函数,处理串行发送和接收 */
    void InterruptTimer0() interrupt 1
    {
    	static unsigned char cnt = 0; //位接收或发送计数
    	if (RxdOrTxd) //串行发送处理
    	{
    		cnt++;
    		if (cnt <= 8) //低位在先依次发送 8bit 数据位
    		{
    			PIN_TXD = TxdBuf & 0x01;
    			TxdBuf >>= 1;
    		}
    		else if (cnt == 9) //发送停止位
    		{
    			PIN_TXD = 1;
    		}
    		else //发送结束
    		{
    			cnt = 0; //复位 bit 计数器
    			TR0 = 0; //关闭 T0
    			TxdEnd = 1; //置发送结束标志
    		}
    	}
    	else //串行接收处理
    	{
    		if (cnt == 0) //处理起始位
    		{
    			if (!PIN_RXD) //起始位为 0 时,清零接收缓冲器,准备接收数据位
    			{
    				RxdBuf = 0;
    				cnt++;
    			}
    			else //起始位不为 0 时,中止接收
    			{
    				TR0 = 0; //关闭 T0
    			}
    		}
    		else if (cnt <= 8) //处理 8 位数据位
    		{
    			RxdBuf >>= 1; //低位在先,所以将之前接收的位向右移
    			if (PIN_RXD) //接收脚为 1 时,缓冲器最高位置 1,
    			{ //而为 0 时不处理即仍保持移位后的 0
    				RxdBuf |= 0x80;
    			}
    			cnt++;
    		}
    		else //停止位处理
    		{
    			cnt = 0; //复位 bit 计数器
    			TR0 = 0; //关闭 T0
    			if (PIN_RXD) //停止位为 1 时,方能认为数据有效
    			{
    				RxdEnd = 1; //置接收结束标志
    			}
    		}
    	}
    }
    

    4 UART串口通信的基本应用

    4.1 通信的三种类型

    常用的通信从传输方向上分为:单工通信半双工通信全双工通信三类。

    单工通信通指只允许单方向的通信,即只允许一方向另一方传递信息,而另一方不可回传信息,常见的单工通信为:收音机、广播等。

    半双工通信指信息可以在双方之间传递,但同一时刻只能由一方传递给另一方例如:对讲机,微信的语音信息等。

    全双工通信指信息可以在任意时刻在双方之间传递,例如:打电话、微信视频聊天等。

    4.2 UART模块

    在前文中我们使用了P30和P31I/O口来"模拟"串口通信,让大家更好的了解了单片机串口通信的原理与本质。但是单片机要不断的运行程序,不断的扫描I/O口来获取数据,这样就很占用单片机的时间。我们根本就不关心通信的过程,我们只需要一个通信的结果而已,最终接收到的数据即可。那我们可以在单片机的内部设计一个模块,让它自动接收数据,接收好了通知我们即可,在我们的51系列单片机中就有这样的硬件模块——UART模块。
    51单片机的UART 串口的结构由串行口控制寄存器SCON、发送和接收电路三部分构成,先来了解一下串口控制寄存器 SCON。

    SCON——串行控制寄存器的位分配(地址 0x98、可位寻址)
    

    SCON——串行控制寄存器的位描述
    


    前边学了那么多寄存器的配置,相信 SCON 这个地方,对于大多数同学来说已经不是难点了,应该能看懂并且可以自己配置了。对于串口的四种模式,模式 1 是最常用的,就是我们前边提到的 1 位起始位,8 位数据位和 1 位停止位。下面我们就详细介绍模式 1 的工作细节和使用方法,至于其它 3 种模式与此也是大同小异,真正遇到需要使用的时候大家再去查阅相关资料就行了。

    在我们使用 IO 口模拟串口通信的时候,串口的波特率是使用定时器 T0 的中断体现出来的。在硬件串口模块中,有一个专门的波特率发生器用来控制发送和接收数据的速度。对于STC89C52 单片机来讲,这个波特率发生器只能由定时器 T1 或定时器 T2 产生,而不能由定时器 T0 产生,这和我们模拟的通信是完全不同的概念。

    就使用定时器 T1 作为波特率发生器来讲解,方式 1 下的波特率发生器必须使用定时器 T1 的模式 2,也就是自动重装载模式,定时器的重载值计算公式为:

    TH1 = TL1 = 256 – 晶振值/12 /2/16 /波特率

    和波特率有关的还有一个寄存器,是一个电源管理寄存器 PCON,他的最高位可以把波特率提高一倍,也就是如果写 PCON |= 0x80 以后,计算公式就成了:

    TH1 = TL1 = 256 – 晶振值/12 /16 /波特率

    公式中数字的含义这里解释一下,256 是 8 位定时器的溢出值,也就是 TL1 的溢出值,晶振值在我们的开发板上就是 11059200,12 是说 1 个机器周期等于 12 个时钟周期,值得关注的是这个 16,我们来重点说明。在 IO 口模拟串口通信接收数据的时候,采集的是这一位数据的中间位置,而实际上串口模块比我们模拟的要复杂和精确一些。他采取的方式是把一位信号采集 16 次,其中第 7、8、9 次取出来,这三次中其中两次如果是高电平,那么就认定这一位数据是 1,如果两次是低电平,那么就认定这一位是 0,这样一旦受到意外干扰读错一次数据,也依然可以保证最终数据的正确性。

    了解了串口采集模式,在这里要给大家留一个思考题。“晶振值/12/2/16/波特率”这个地方计算的时候,出现不能除尽,或者出现小数怎么办,允许出现多大的偏差?把这部分理解了,也就理解了我们的晶振为何使用 11.0592M 了。串口通信的发送和接收电路在物理上有 2 个名字相同的 SBUF 寄存器,它们的地址也都是 0x99,但是一个用来做发送缓冲,一个用来做接收缓冲。意思就是说,有 2 个房间,两个房间的门牌号是一样的,其中一个只出人不进人,另外一个只进人不出人,这样的话,我们就可以实现 UART 的全双工通信,相互之间不会产生干扰。但是在逻辑上呢,我们每次只操作 SBUF,单片机会自动根据对它执行的是“读”还是“写”操作来选择是接收 SBUF 还是发送 SBUF,后边通过程序,我们就会彻底了解这个问题。

    4.3 UART 串口程序

    般情况下,我们编写串口通信程序的基本步骤如下所示:

  • 1、配置串口为模式 1。
  • 2、配置定时器 T1 为模式 2,即自动重装模式。
  • 3、根据波特率计算 TH1 和 TL1 的初值,如果有需要可以使用 PCON 进行波特率加倍。
  • 4、打开定时器控制寄存器 TR1,让定时器跑起来。
  • 这里还要特别注意一下,就是在使用 T1 做波特率发生器的时候,千万不要再使能 T1 的中断了。

    我们先来看一下由 IO 口模拟串口通信直接改为使用硬件 UART 模块时的程序代码,看看程序是不是简单了很多,因为大部分的工作硬件模块都替我们做了。程序功能和 IO 口模拟的是完全一样的。

    #include <reg52.h>
    
    void ConfigUART(unsigned int baud);
    
    void main()
    {
    	ConfigUART(9600); //配置波特率为 9600
     
    	while (1)
    	{
    		while (!RI); //等待接收完成
    		RI = 0; //清零接收中断标志位
    		SBUF = SBUF + 1; //接收到的数据+1 后,发送回去
    		while (!TI); //等待发送完成
    		TI = 0; //清零发送中断标志位
    	} 
    }
    
    /* 串口配置函数,baud-通信波特率 */
    void ConfigUART(unsigned int baud)
    {
    	PCON &= 0xEF; // 不提高波特率倍数
    	SCON = 0x50; //配置串口为模式 1
    	TMOD &= 0x0F; //清零 T1 的控制位
    	TMOD |= 0x20; //配置 T1 为模式 2
    	TH1 = 256 - (11059200/12/32)/baud; //计算 T1 重载值
    	TL1 = TH1; //初值等于重载值
    	ET1 = 0; //禁止 T1 中断
    	TR1 = 1; //启动 T1
    }
    

    加入串口中断后,因为接收和发送触发的是同一个串口中断,所以在串口中断函数中就必须先判断是哪种中断,然后再作出相应的处理。

    #include <reg52.h>
    
    void ConfigUART(unsigned int baud);
    
    void main()
    {
    	EA = 1; //使能总中断
    	ConfigUART(9600); //配置波特率为 9600
    	while (1);
    }
    
    /* 串口配置函数,baud-通信波特率 */
    void ConfigUART(unsigned int baud)
    {
    	SCON = 0x50; //配置串口为模式 1
    	TMOD &= 0x0F; //清零 T1 的控制位
    	TMOD |= 0x20; //配置 T1 为模式 2
    	TH1 = 256 - (11059200/12/32)/baud; //计算 T1 重载值
    	TL1 = TH1; //初值等于重载值
    	ET1 = 0; //禁止 T1 中断
    	ES = 1; //使能串口中断
    	TR1 = 1; //启动 T1
    }
    
    /* UART 中断服务函数 */
    void InterruptUART() interrupt 4
    {
    	if (RI) //接收到字节
    	{
    		RI = 0; //手动清零接收中断标志位
    		SBUF = SBUF + 1; //接收的数据+1 后发回,左边是发送 SBUF,右边是接收 SBUF
    	}
    	if (TI) //字节发送完毕
    	{
    		TI = 0; //手动清零发送中断标志位
    	}
    }
    
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