01、UART串口通信

0、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、串行通信的初步认识

  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。

  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。如下图所示：

  上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、RS232 通信接口

  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，因此这一节的内容作为了解内容，大家知道有这么回事就行了。

  RS232 接口一共有 9 个引脚，分别定义是：1、载波检测 DCD；2、接收数据 RXD；3、 发送数据 TXD；4、数据终端准备好 DTR；5、信号地线 SG；6、数据准备好 DSR；7、请求发送 RTS；8、清除发送 CTS；9、振铃提示 RI。我们要让这个串口和我们单片机进行通信， 我们只需要关心其中的 2 脚 RXD、3 脚 TXD 和 5 脚 GND 即可。

  虽然这三个引脚的名字和我们单片机上的串口名字一样，但是却不能直接和单片机对连通信，这是为什么呢？随着我们了解的内容越来越多，我们得慢慢知道，不是所有的电路都 是 5V 代表高电平而 0V 代表低电平的。对于 RS232 标准来说，它是个反逻辑，也叫做负逻辑。为何叫负逻辑？它的 TXD 和 RXD 的电压，-3V～-15V 电压代表是 1，+3～+15V 电压代 表是 0。低电平代表的是 1，而高电平代表的是 0，所以称之为负逻辑。因此电脑的 9 针 RS232 串口是不能和单片机直接连接的，需要用一个电平转换芯片 MAX232 来完成，如图下图所示。

  这个芯片就可以实现把标准 RS232 串口电平转换成我们单片机能够识别和承受的UART 0V/5V 电平。从这里大家似乎慢慢有点明白了，其实 RS232 串口和 UART 串口，它们的协议类型是一样的，只是电平标准不同而已，而 MAX232 这个芯片起到的就是中间人的作用，它 把 UART 电平转换成 RS232 电平，也把 RS232 电平转换成 UART 电平，从而实现标准 RS232 接口和单片机 UART 之间的通信连接。

3、USB 转串口通信

  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，在我们的开发板上，我们使用的是 CH340T 这个芯片，如图下图所示。

  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。

4、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、 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。

【第一步】要选择串口助手菜单

【第二步】选择十六进制显示

【第三步】选择十六进制发送

【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。

先上代码，在作解释。

IO口模拟串口通信实例：

#include  
           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 - (/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  } } } } 

  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。

5、UART串口通信的基本应用

5.1、通信的三种基本类型

  常用的通信从传输方向上可以分为单工通信、半双工通信、全双工通信三类。

  单工通信是指只允许一方向另外一方传送信息，而另一方不能回传信息。比如电视遥 控器、收音机广播等，都是单工通信技术。

  半双工通信 是指数据可以在双方之间相互传播，但是同一时刻只能其中一方发给另外一 方，比如我们的对讲机就是典型的半双工。

  全双工通信是指发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行，就如同我们的电话一样， 我们说话的同时也可以听到对方的声音。

5.2、UART 模块介绍

  IO 口模拟串口通信，让大家了解了串口通信的本质，但是我们的单片机程序却需要不停的检测扫描单片机 IO 口收到的数据，大量占用了单片机的运行时间。这时候就会有聪明人想了，其实我们并不是很关心通信的过程，我们只需要一个通信的结果，最终得到接收到的数据就行了。这样我们可以在单片机内部做一个硬件模块，让它自动接收数据，接收完了， 通知我们一下就可以了，我们的 51 单片机内部就存在这样一个 UART 模块，要正确使用它，当然还得先把对应的特殊功能寄存器配置好。

  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。

  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。

5.3、UART 串口程序

#include  
           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) { 
         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 - (/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  } 

  当然了，这个程序还是用在主循环里等待接收中断标志位和发送中断标志位的方法来编写的，而实际工程开发中，当然就不能这么干了，我们也只是为了用直观的对比来告诉你们硬件模块可以大大简化程序代码，那么实际使用串口的时候就用到串口中断了，来看一下用中断实现的程序。请注意一点，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  
           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 - (/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  } } 

  大家可以试验一下，看看是不是和前边用 IO 口模拟通信实现的效果一致，而主循环却完全空出来了，我们就可以随意添加其它功能代码进去。

6、ASCII 码

  ASCII 码（American Standard Code for Information Interchange，即美国信息互换标准代码）可以完成这个使命：我们知道，在单片机中一个字节的数据可以有 0～255 共 256 个值，我们取其中的 0～127 共 128 个值赋予了它另外一层涵义，即让它们分别来代表一个常用字符，其具体的对应关系如下图所示所示。

  这样我们就在常用字符和字节数据之间建立了一一对应的关系，那么现在一个字节就既可以代表一个整数又可以代表一个字符了，但它本质上只是一个字节的数据，而我们赋予了它不同的涵义，什么时候赋予它哪种涵义就看编程者的意图了。