2021年09月28日 | 51单片机之串口通信详解

一、串口通信概念

1、串口通信的作用

串口通信主要用于单片机与外部设备的通信。51单片机自身有圈双工的异步通信串口。

2、串口通信的通信方式

串口通信基本通信方式有两种：并行通信和串行通信。

串行通信：传送数据的各位按顺序一位一位发送或者接收

并行通信：传送数据各位同时发送或接收

3、串行通信的通信方式

串行通信根据帧信息的格式分为异步通信和同步通信

异步通信：一帧数据先用一个起始位“0”表字符开始，然后是5~8位数据，即该字符的代码，规定低位在前，高位在后，接下来是奇偶校验位（可以省略），最后一个停止位“1”表示字符结束。

同步通信：发送方在数据或字符前面用1~2字节同步字符指示一帧的开始，同步字符是双方约定好的，接收方检测到与规定的同步字符符合时，开始接收数据，发送方按顺序连续传送N个数据，N个数据传完后，发送1-2字节的校验码。

接收端和发送端的同步由时钟实现。

同步通信省去了字符开始和结束的标志，一帧可以连续传送若干个数据，所以速度高于异步传送。

4、通信方向

串口通信的通信方向分为单工、半双工、全双工三种。

单工传送：通信接口只能发送或者接收。

半双工传送：通信接口可以接收也可以发送，但是发送和接收不能同时进行。

全双工传送：两机的发送和接收可以同时进行

一般情况下，我们的51单片机采用的为全双工，通过TXD，RXD两个通信接口同时进行数据的发送和接收。

需要注意的是，51单片机在实物连线上要反接，一机的TXD应接另一机的RXD，RXD接另一机的TXD。而一些特殊型号的单片机会标注正接，即RXD接RXD，TXD接TXD。

5、串行通信接口的作用

我们单片机内部的CPU只能处理并行数据，要进行串行通信，就必须要接我们的串行接口，按串行通信协议，进行数据的处理。具体的有

A：实现数据格式化

按串行数据格式，对CPU的并行数据进行处理。

B：进行串行数据和并行数据的转换

发送端，并行转串行送接收端；

接收端，串行转并行送CPU；

C：控制数据的传输速率

接口应具备对数据传输速率----波特率的控制选择能力（具有波特率发生器）

D：进行传送错误检测

发送时，接口对传送数据在的生成奇偶校验位或校验码；在接收时接口检查校验位或校验码，以确定传送中是否有误码。

51单片机内含的通信接口：

51单片机内含一个全双工的异步通信接口，通过对串行接口写控制字可以选择其数据格式，内含波特率发生器，提供可选波特率，可完成双机通信或多机通信。

二、串行口的结构和工作原理

1、串行口结构

串行口主要由两个数据缓冲寄存器SBUF和一个输入移位寄存器组成，内部还有一个串行控制寄存器SCON和一个波特率发生器（T1定时器或内部时钟及分频器组成）

我们串行口发送的数据先逐位进入接收端移位寄存器，再送入接收端SBUF。移位寄存器和SBUF采用了双缓冲结构，避免两帧数据发送混乱。

2、串行口工作原理

A：发送机CPU向SBUF写入数据，启动发送过程

B：按SCON设定好的控制方式和设定的波特率，由低位到高位一位一位的按移位时钟发送到电缆线上

C：数据通过电缆线到达接收机

D：接收机按照设定的波特率，按移位时钟一位一位的由低到高移入SBUF

因此我们的发送机，接收机波特率必须保持一致，才可以正常的收发数据，即发送机移出的刚好被接收机移入。

E：发送机发完一帧数据（发送缓冲器空），硬件置位发送中断标志位TI（SCON.1）位可作为查询标志，如果设置为允许中断，将引起中断，发送机可再发送下一帧数据。（先发后查）

F：接收机，预先置位REN（SCON.4）即允许接收，再按波特率由低到高进入接收机移位寄存器，数据收齐后（接收缓存器满），硬件置位RI（SCON.0），可作为查询标志，如果设置为允许中断，将引起接收中断，CPU方可从SBUF中读入这帧数据。（先查后收）

总结：

① 查询方式发送的过程：发送一个数据→查询TI→发送下一个数据（先发后查）

查询方式接收的过程：查询RI→读入一个数据→查询RI→读入下一个数据（先查后收）

②通信双方波特率必须相同

3、波特率的设定

第一种方式：

系统时钟分频值

第二种方式：

定时器T1提供（针对基础51来讲）

波特率计算：

当串口工作在工作方式0和2时，波特率固定。

方式0时 fosc / 12

方式2时 SMOD=0 fosc / 32 或 SMOD=1 fosc / 64

方式1时

波特率=(2^SMOD/32)*(单片机时钟频率/(256-X)) //X是初值

但一般情况下，我们是先确定波特率，再确定定时计数器初值

三、串行口的控制寄存器

1、串口工作方式寄存器SCON

2、电源控制寄存器PCON

四、串行口的具体应用编程

1、定好波特率

串行口波特率有两种方式：固定波特率和可选波特率

当使用可变波特率时，应先计算T1的计数初值，并对T1初始化

当使用固定波特率时，选择方式0、2

2、填写控制字

对SCON寄存器设置工作方式，若为接受程序，需置为REN=1（允许接收），同时将TI、RI置零（串口中断标志位）

3、选择串行通信方式

串行通信可采用两种方式：查询方式和中断方式

TI和RI是一帧数据发送或接收完的标志，可用于查询；如果允许中断，可引起中断。

查询方式：

发送一个数据→查询TI→发送下一个数据（先发后查）

查询RI→读入一个数据→查询RI→读入下一个数据（先查后收）

中断方式：

发送程序：发送一个数据→等待中断，在中断中发送下一个数据

接受程序：等待中断，在中断中再接受一个数据

注意：两种方式中，都要软件请TI、RI标志位，即用程序语句清0

4、约定标志字符

为了收发双方的协调，除了两边的波特率要保持一致，也可以约定标志字符作为发送数据的起始，先发送标志字符，待对方收到并回应之后，再正式发数据。

当我们采用多机通信时，标志字符就相当于是各个分机的地址

五、查询方式和中断方式详细流程

1、查询方式

2、中断方式

六、例程

#include "reg52.h"

typedef unsigned int u16;   

typedef unsigned char u8;

void UsartInit()

{

SCON=0X50; //  0101 0000  设置为工作方式1  

TMOD=0X20; //  0010 0000  设置计数器工作方式2

PCON=0X80; //  1000 0000波特率加倍

TH1=0XF3; //计数器初始值设置，波特率9600

TL1=0XF3;

ES=1; //打开接收中断

EA=1; //打开总中断

TR1=1; //打开计数器

}

void main()

{

UsartInit();  //串口初始化

while(1);

}

void Usart() interrupt 4  //串行口中断

{

u8 receiveData;

receiveData=SBUF;//出去接收到的数据

RI = 0;//清除接收中断标志位 软件清零

SBUF=receiveData;//将接收到的数据放入到发送寄存器

while(!TI); //等待发送数据完成

TI=0; //清除发送完成标志位

}