51單片機(jī)的串口通信協(xié)議的6個特征

現(xiàn)實(shí)生活中， 我們總是要與人打交道，互通有無。單片機(jī)也一樣，需要跟各種設(shè)備交互。例如汽車的顯示儀表需要知道汽車的轉(zhuǎn)速及電動機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，那么顯示儀表就需要從汽車的底層控制器取得數(shù)據(jù)。而這個數(shù)據(jù)的獲得過程就是一個通信過程。類似的例子還有控制器通常是單片機(jī)或者PLC與變頻器的通信。通信的雙方需要遵守一套既定的規(guī)則也稱為協(xié)議，這就好比我們?nèi)酥g的對話，需要在雙方都遵守一套語言語法規(guī)則才有可能達(dá)成對話。通信協(xié)議又分為硬件層協(xié)議和軟件層協(xié)議。硬件層協(xié)議主要規(guī)范了物理上的連線，傳輸電平信號及傳輸?shù)闹刃虻扔布再|(zhì)的內(nèi)容。常用的硬件協(xié)議有串口，IIC， SPI， RS485， CAN和 USB。軟件層協(xié)議則更側(cè)重上層應(yīng)用的規(guī)范，比如modbus協(xié)議。好了，那這里我們就著重介紹51單片機(jī)的串口通信協(xié)議，以下簡稱串口。串口的6個特征如下。

（1）、物理上的連線至少3根，分別是Tx數(shù)據(jù)發(fā)送線，Rx數(shù)據(jù)接收線，GND共用地線。

（2）、0與1的約定。RS232電平，約定﹣5V至﹣25V之間的電壓信號為1，﹢5V至﹢25V之間的電壓信號為0 。TTL電平，約定5V的電壓信號為1，0V電壓信號為0 。CMOS電平，約定3.3V的電壓信號為1，0V電壓信號為0 。其中，CMOS電平一般用于ARM芯片中。

（3）、發(fā)送秩序。低位先發(fā)。

（4）、波特率。收發(fā)雙方共同約定的一個數(shù)據(jù)位（0或1）在數(shù)據(jù)傳輸線上維持的時間。也可理解為每秒可以傳輸?shù)奈粩?shù)。常用的波特率有300bit/s, 600bit/s, 2400bit/s, 4800bit/s, 9600bit/s。

（5）、通信的起始信號。發(fā)送方在沒有發(fā)送數(shù)據(jù)時，應(yīng)該將Tx置1 。 當(dāng)需發(fā)送時，先將Tx置0，并且保持1位的時間。接受方不斷地偵測Rx，如果發(fā)現(xiàn)Rx常時間變高后，突然被拉低（置為0），則視為發(fā)送方將要發(fā)送數(shù)據(jù)，迅速啟動自己的定時器，從而保證了收發(fā)雙方定時器同步定時。

（6）、停止信號。發(fā)送方發(fā)送完最后一個有效位時，必須再將Tx保持1位的時間，即為停止位。

好了，理論暫時到這里，現(xiàn)在我們要做一個實(shí)驗(yàn)，將一個字節(jié)從51單片機(jī)發(fā)送到電腦串口調(diào)試助手上。這個實(shí)驗(yàn)的目的是為了掌握串口通信協(xié)議的收發(fā)過程。

虛擬串口

實(shí)驗(yàn)一、虛擬串口實(shí)驗(yàn)

一般單片機(jī)都有專門的串口引腳，51里面分別是P3.0和P3.1，這些引腳擁有串口的硬件電路，因此使用它們并不需要設(shè)置信號的發(fā)送停止。為了掌握協(xié)議，我們使用其他的引腳來模擬串口，所以也叫虛擬串口。這里我們選用P1.0，然而注意到我們51單片機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)給電腦，必須經(jīng)過一個串口轉(zhuǎn)USB設(shè)備（即TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平），而限于我們的開發(fā)板只有P3.0與P3.1連接到了串口轉(zhuǎn)USB設(shè)備，所以我們可以將P1.0短接到P3.1 。 下圖是這個串口轉(zhuǎn)USB的原理圖。

好了直接上代碼吧。

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#include"reg51.h"

/*

將P1.0虛擬成串口發(fā)送腳TX

以9600bit/s的比特率向外發(fā)送數(shù)據(jù)

因?yàn)椴ㄌ芈适?600bit/s

所以me發(fā)送一位的時間是t=1000000us/9600=104us

*/

sbitTX=P3^1;//P1^0outputTTLsignal,needtotransferredtors232signal,canbeconnectedtoP3^1

#defineu16unsignedint//宏定義

#defineu8unsignedchar

u8sbuf;

bitti=0;

voiddelay(u16x)

{

while(x--);

}

voidTimer0_Init()

{

TMOD|=0x01;

TH0=65440/256;

TH0=65440%256;

TR0=0;

}

voidIsr_Init()

{

EA=1;

ET0=1;

}

voidSend_Byte(u8dat)

{

sbuf=dat;//通過引入全局變量sbuf，可以保存形參dat

TX=0;//A起始位

TR0=1;

while(ti==0);//等待發(fā)送完成

ti=0;//清除發(fā)送完成標(biāo)志

}

voidTF0_isr()interrupt1//每104us進(jìn)入一次中斷

{

staticu8i;//記錄進(jìn)入中斷的次數(shù)

TH0=65440/256;

TL0=65440%256;

i++;

if(i>=1&&i<=8)??

{ if((sbuf&(1<<(i-1)))==0)??//?(sbuf&(1<<(i-1)))表示取出i-1位??

{

TX=0;

}

else

{

TX=1;

}

}

if(i==9)//停止位

{ TX=1;

}

if(i==10)

{

TR0=0;

i=0;

ti=1;//發(fā)送完成

}

}

voidmain()

{

TX=1;//使TX處于空閑狀態(tài)

Timer0_Init();

Isr_Init();

while(1)

{

Send_Byte(65);//0x41

delay(60000);

}

}

實(shí)驗(yàn)引入了定時器0來控制發(fā)送線上的各個位的保持時間。首先main函數(shù)進(jìn)入，TX置1則使發(fā)送線處于空閑，這時候發(fā)送方和接受方都處于空閑。接下來初始化定時器0，TR0置0表示還不要啟動定時器0。接著中斷系統(tǒng)初始化，此時中斷系統(tǒng)已經(jīng)開啟。進(jìn)入while循環(huán)，先進(jìn)Send_Byte()函數(shù)，將65傳給形參dat，dat再將65賦值給sbuf，到這里準(zhǔn)備工作就做好了。接著TX置0，這個是起始位，要保持這個起始位104us。于是就啟動定時器TR0置1，計(jì)時器開始計(jì)數(shù)。當(dāng)?shù)谝淮我绯龅臅r候，也就是過了104us，進(jìn)入中斷，同時接收方也偵測到了這個突然被拉低的信號，于是迅速啟動自己的定時器。進(jìn)入中斷子函數(shù)后，先是重裝定時器初值，然后i加1，也就是當(dāng)i＝1時，就應(yīng)該發(fā)送數(shù)據(jù)的最低位了，總共有8位數(shù)據(jù)，所以使用條件語句if(i>=1 && i<=8)來判斷是否發(fā)送完數(shù)據(jù)位。然后再通過if(i==9) 來發(fā)送停止位，最后當(dāng)i=10時，也就是發(fā)送完了，這時候要關(guān)閉定時器（那么程序也就），同時i置0，ti置1（才能跳出while(ti==0)循環(huán)），最后將ti置0，保證下次要發(fā)送字節(jié)時讓程序停留在while(ti==0)。

片上串口

以上說的是虛擬串口，上文中談到與串口相關(guān)的引腳P3.0與P3.1，事實(shí)上51單片機(jī)自帶片上串口，那這個串口又該怎么使用呢？

片上串口支持同步模式與異步模式。簡單來說同步模式就是指有時鐘線，而異步模式無時鐘線。這里的時鐘線是指在同步通信時，用一根線專門傳輸時鐘信號，這個信號用來與要發(fā)送的每一位保持同步，這樣就避免了例如異步通信中因?yàn)椴捎枚〞r器而引入的時間誤差。

片上串口還支持8位模式和9位模式。如下圖所示

其中D0-D7是一個字節(jié)的8個位。9位模式只是多了一個位TB8，這個TB8的作用是奇偶校驗(yàn)或多機(jī)通信。奇偶校驗(yàn)原理這不加分析。多機(jī)通信時比如主機(jī)只發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡(luò)中的一臺地址為0x02的設(shè)備，這時候先讓TB8為1，前面的D0-D7則為地址即0x02，之后再讓TB8為0，前面的D0-D7則為數(shù)據(jù)了。

上面設(shè)置了片上串口的模式，另外還要設(shè)置串口的波特率。

片上串口的波特率等于定時器1工作在方式2時溢出率的32分頻。如果要定時器1工作在方式2，那么TMOD＝0x20。另外要保證為32分頻，我們還必須設(shè)置計(jì)數(shù)器初值。設(shè)晶振為11.0592Mhz，則定時器的計(jì)數(shù)脈沖為F＝f/12，則定時器每計(jì)一個脈沖的時間為T＝12/f。又令計(jì)數(shù)器的起點(diǎn)為x，則溢出一次要計(jì)的脈沖數(shù)為（256－x）。所以在計(jì)數(shù)起點(diǎn)為x時，溢出一次的時間為t＝12/f*（256－x）。則對應(yīng)的溢出率為1/t＝f/（12*（256－x））。對應(yīng)的波特率就為b＝f/（384*（256－x））。

x＝256－f/(384*b)

其中f為晶振頻率，b為希望的波特率，x為定時器的計(jì)數(shù)起點(diǎn)TH1的值。

例如當(dāng)晶振為11.0592M，希望波特率為9600bit/s，則TH1＝253。題外話，我們同樣可以演算出在其他常用波特率情況下，TH1始終為一個整數(shù)。這里也就解釋了為什么51里面選用了11.0592M的晶振而不是12M，這樣就保證了串口的時序更加準(zhǔn)確，雖然犧牲了定時器的準(zhǔn)確度。

實(shí)驗(yàn)二，片外串口發(fā)送一個字節(jié)。

好了現(xiàn)在開始我們的實(shí)驗(yàn)之旅。直接看代碼吧。

[cpp] view plain copy

# include "reg51.h"

#

define u16 unsigned int

# define u8 unsigned char

void delay(u16 x)

{

while (x--);

}

void Uart_Init() //串口初始化

{

SCON = 0x50; //8位異步模式

TMOD |= 0x20; //定時器1工作方式2

TH1 = 253; //9600bit/s

TR1 = 1;

}

void Send_Byte(u8 dat)

{

SBUF = dat; //啟動發(fā)送，只需要把發(fā)送內(nèi)容給SBUF這個寄存器

while (TI == 0); //等待發(fā)送完成，因?yàn)門I為1時表示在發(fā)送停止位

TI = 0;

}

void main()

{

Uart_Init();

while (1)

{

Send_Byte('m');

delay(60000);

}

}

實(shí)驗(yàn)二較之實(shí)驗(yàn)一，代碼減少了很多，而且不用考慮繁瑣的位發(fā)送時序。只需要明白各個寄存器SCON，TMOD，TCON，SBUF的用法。TI是SCON中的第一位，為發(fā)送中斷請求標(biāo)志位。在本方式中，在停止位開始發(fā)送時由內(nèi)部硬件置位，響應(yīng)中斷后TI必須又軟件清零。

實(shí)驗(yàn)三、片上串口發(fā)送一個字符串

上面介紹了如何發(fā)送一個字節(jié)，那如何發(fā)送一個字符串甚至文本呢？這里我們首先介紹下字符串的概念。

字符串：從存儲器的某個地址開始，連續(xù)存放多個字符的ASCII碼，并且在最后一個字符的后面存放一個0，這段連續(xù)的內(nèi)存空間就叫字符串，最后的0叫字符串的結(jié)束符。注意這里的0和加單引號的0不是一個概念，加單引號的0是指0的ASCII碼。

數(shù)組與字符串的關(guān)系：字符串是數(shù)組的一種特殊情況，數(shù)組在特定條件下可當(dāng)做字符串用。C語言用雙引號描述一個字符串，如“abcd”。

下面我們通過一個實(shí)驗(yàn)來展示如何發(fā)送字符串。我們實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是打印字符串“Hello World ! 第一!”到打印機(jī)。直接上代碼。

[cpp]view plaincopy

#include"reg51.h"

#defineu16unsignedint

#defineu8unsignedchar

voiddelay(u16x)

{

while(x--);

}

voidUart_Init()//串口初始化

{

SCON=0x50;//8位異步模式

TMOD|=0x20;//定時器1工作方式2

TH1=253;//9600bit/s

TR1=1;

}

voidSend_Byte(u8dat)//串口發(fā)送一個字節(jié)

{

SBUF=dat;//啟動發(fā)送，只需要把發(fā)送內(nèi)容給SBUF這個寄存器

while(TI==0);//等待發(fā)送完成，因?yàn)門I為1時表示在發(fā)送停止位

TI=0;

}

voidSend_String(u8*str)//發(fā)送一個字符串*str為字符串第一個字符的地址

{

abc://標(biāo)號

if(*str!=0) {

Send_Byte(*str);

str++;

gotoabc;

}

}

voidmain()

{

Uart_Init();

while(1)

{

Send_String("HelloWorld!第一！");

Send_Byte(10);

delay(60000);

delay(60000);

}

}

實(shí)驗(yàn)效果