基于51单片机的UART串口通信

2024-03-19 来源：elecfans

　　51单片机是对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8004单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8004单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是51系列的单片机一般不具备自编程能力。

　　UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。在嵌入式设计中，UART用于主机与辅助设备通信，如汽车音响与外接AP之间的通信，与PC机通信包括与监控调试器和其它器件，如EEPROM通信。

　　计算机内部采用并行数据，不能直接把数据发到Modem，必须经过UART整理才能进行异步传输，其过程为：CPU先把准备写入串行设备的数据放到UART的寄存器（临时内存块）中，再通过FIFO（First Input First Output，先入先出队列）传送到串行设备，若是没有FIFO，信息将变得杂乱无章，不可能传送到Modem。它是用于控制计算机与串行设备的芯片。有一点要注意的是，它提供了RS-232C数据终端设备接口，这样计算机就可以和调制解调器或其它使用RS-232C接口的串行设备通信了。

　　作为接口的一部分，UART还提供以下功能：将由计算机内部传送过来的并行数据转换为输出的串行数据流。将计算机外部来的串行数据转换为字节，供计算机内部并行数据的器件使用。在输出的串行数据流中加入奇偶校验位，并对从外部接收的数据流进行奇偶校验。在输出数据流中加入启停标记，并从接收数据流中删除启停标记。处理由键盘或鼠标发出的中断信号（键盘和鼠标也是串行设备）。

　　可以处理计算机与外部串行设备的同步管理问题。有一些比较高档的UART还提供输入输出数据的缓冲区，比较新的UART是16550，它可以在计算机需要处理数据前在其缓冲区内存储16字节数据，而通常的UART是8250。如果您购买一个内置的调制解调器，此调制解调器内部通常就会有16550 UART。接下来我们一起了解一下基于51单片机的UART串口通信。

　　51串行口结构

　　51单片机的UART串行通信是基于其串行口的可编程硬件结构，只要用正确的程序代码通过初始化串行口对应寄存器的形式将其串行硬件结构初始化，再编写符合此串行口通信的程序代码便能够实现串行通信，其硬件结构决定了编程机制（当然还要靠51芯片内CPU等机制）。

　　此结构具有UART（通用异步收发器）的全部功能，能同时进行数据的发送和接收，也可作为同步移位寄存器使用。此结构集成于单片机内部。

　　基于51单片机的UART串口通信

　　51串行口通信编程机制

　　决定编程机制的先决条件是51单片机的硬件结构及51芯片内部CPU的执行机制。根据串行通信口硬件结构，实现UART通信可以分为两步：

　　（1）初始化串行通信口（ UART ）

　　配置SCON：设定串口方式（ SM0及SM1位配置4种方式）；串口是否要接收数据（REN位）

　　设定PCON寄存器的SMOD位（若非串口方式0 ）

　　若串口为方式1和方式3，则需要配置TMOD：选择定时器1并配置其初值装载方式（MI M0位），并设置TH1，TL0的初值以确定通信的波特率（由波特率的计算公式），然后配置TCON：开启定时器1（ TR1 ）。

　　允许使用中断（ ES ），开启UART中断（ EA ）

　　可以这些寄存器的配置含义可以查看相应的知识点：中断配置IE寄存器、定时/计数方式配置寄存器TMOD、定时/计数控制寄存器及通信寄存器SCON寄存器笔记。

　　（2）程序实现：编写发送/接收数据代码及中断服务程序

　　注：TI及RI的置位可查看SCON寄存器TI RI被置位的条件

　　［1］发送的数据需要通过程序指令“SBUF =数据;”来将数据送往串行发送缓冲寄存器中，在此条语句后，要用循环判断SCON寄存器中的TI位是否被硬件置位1（表示发送完毕），等待发送完毕，TI置位被置为1时会进入串行中断服务程序［由此不能在串行中断服务程序里面将TI置0，因为从循环里面进入中断后会返回到循环语句中来，所以要在串行中断服务程序之外将TI置0，置0的目的是提供下一次数据发送成功的依据或进入中断服务器程序］，需要用程序代码将TI重新置为0；然后再由CPU控制的时序将数据从TXD（ P3.1 ）脚发出，经过连接的串口线到从设备（接收数据的设备）。

　　［2］获取接收到数据时需要通过程序指令“存数据变量=SBUF;”将串行接收缓冲寄存器接收到的数据读取到程序中来，当接收到数据完毕后，RI会被硬件置位1，此时也会进入串行中断服务程序，需要用程序指令将RI重新置位0。当然接收数据是由RXD（ P3.0 ）引脚完成。

　　［3］串行中断服务程序的中断号为4，所以编写串行中断服务程序时需要有以下格式：

　　void 函数名（） interrupt 4

　　{

　　中断服务程序内容

　　}

　　串行中断服务函数当TI或RI被硬件置位1时才被系统调用。TI被硬件置1的情况是，当串行发送缓冲寄存器内的数据被通过TXD（ P3.1 ）发送完毕时（不同的串口方式置1条件不同）不是指将数据存入串行发送缓冲器中时TI会被置1，同理RI被置1的情况是当RXD（ P3.0 ）接收到数据将此数据按位存入串行接收缓冲寄存器内完毕时（不同串口方式置1的条件不同）不是指从串行接收缓冲寄存器读完数据时RI会被置1。这个数据的长度和TI（ RI ）被置位1根据串行通信方式不同而不同。

　　对于用程序来实现51单片机中的串行通信还需要明确两点（与其它部分的联系）：

　　（1）在51单片机串行通信的方式1和方式3中，波特率由定时器1的溢出率决定。

　　（2）SBUF为特殊功能寄存器，它在程序中的两种不同的指令形式表示不同的含义，当在程序中用写指令“SBUF=a;”时，表示将a存入串行数据发送缓冲寄存器中；当在程序中使用读指令“a=SBUF;”时，表示向串行数据接收缓冲寄存器读数据并将得到数据赋值于a。接收器具有双缓冲结构，即在从接收寄存器中前一个已经收到的字节之前，便能接收第二个字节，如果第二个字节已经接收完毕，第一个字节还没有被读出，则第一个字节就损失（被覆盖）。而发送器中的数据是由CPU控制的，所以不必程序用户担忧。