查看: 184|回复: 1

[基础] 深入理解51单片机串口通信

[复制链接]

28

主题

0

好友

296

积分

秀才

Rank: 3Rank: 3

该用户从未签到

发表于 2017-8-24 16:39:21 |显示全部楼层

串口通信的基本认识

通信分为并行通信和串行通信,并行通信时的数据各个位同时传送,可以实现字节为单位通信,但通信线多占用资源,成本高。以前用到的的P1=0x55,一次给P1口的8个管脚分别赋值,同时进行信号输出,类似于8个车道可以过去8辆车,这样的形式是并行的,一般称P0,P1,P2,P3为51单片机的4组并行总线。串行通信,就是一个车道,一个只能通过一辆车,如果一个0x55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,那发送方式是:0-1-0-1-0-1-0-1,一位一位的进行传输,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串口通信的,一个是P3.0(RXD),一个是P3.1(TXD),他们组成的通信接口就是串行接口,简称串口。用于两个单片机进行UART通信。两单片机通信接口连接方式:RXD——TXD,TXD——RXD。单片机1的TXD发送通道接到单片机2的RXD接收通道,单片机的1的RXD接收通道接到单片机2的TXD发送通道,从而实现相互通信。当单片机1想给单片机2发送数据,比如发送了0xCE,用二进制表示就是11001110,在串口通信过程中,是低位先发,高位后发的原则,那么就是让TXD首先拉低电平,持续一段时间,发送一位0,然后拉高电平,持续一段时间,发送一位1,继续拉高,在持续一段时间,发送一位1,一直把8位二进制数11001110全部发送完毕,这里涉及到一个问题,就是持续的一个时间段时间“到底是多少”。因而便引入通信中非常重要的一个概念波特率,也叫做比特率。

波特率
波特率就是发送二进制数据位的速率,习惯用baud表示,即我们发送一位二进制数据持续的时间=1/baud。在通信之前,单片机1和单片机2首先都要明确约定好他们之间的通信波特率,必须保持一致,收发双方才能正常通信。
约定好速度之后,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?提前和延迟结束都会接收错误。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,当数据发送前,先发一位0表示起始位,然后发送8位数据位,数据位是先低再高,数位位发送完后才呢个后再发送一位1表示停止位,这样我们要发送的8位数据,实际上我们发送了10位,多出来两位其中一个是起始位,一个是停止位。而接受方一直保持的高电平,一旦检测到一位低电平,准备开始接受数据,接受8位数据后,然后检测停止位,再准备下一个数据接收。 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。

RS232
在我们电脑上,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不带9针串口,所以和单片机通信越来越趋于使用USB虚拟串口。
九针串口分工头和母头
公头上5下4,上5从左到右为1.2.3.4.5;下4从左到右为6.7.8.9;
母头上5下4,上5从左到右为5.4.3.2.1;下4从左到右为9.8.7.6;
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
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。

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?
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
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。

IO口模拟UART串口通信
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,如图11-6所示。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。
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。

串口通信基本应用
通信的三种基本类型
常见的通信传输方式可以分为单工通信、半双工通信、全双工通信。
单工通信就是只允许一个方向向另外一个方向传送信息,而另外一方不能回传消息。比如:电视遥控器、收音基等
半双工通信是指数据可以在双方之间相互传播,但是同一时刻只能呢个其中一方发给另一方,比如:对讲机
全双工通信是指发送数据同时也能接收数据,两者同步进行,就如同我们的电话一样,我们说的同时也可以听到对方的声音。

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。
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串行控制器的位分配(地址:0x98)
位:符号:复位值: 0:RI:0;1:TI:0;2:RB8:0;3:TB8:0;4:REN:0;5:SM2:0;6:SM1:0;7:SM0:0;
0位RI:接收中断标志位,当接收电路接收到停止位的中间位置时,RI由硬件置1,必须通过软件清零
1位TI:发送中断标志位,当发送电路发送到停止位的中间位置时,TI由硬件置1,必须通过软件清零。
2位RB8:模式2和3中接收到的第9位数据(很少用),模式1用来接收停止位。
3位TB8:模式2和3中要发送的第9位数据(很少用)。
4位REN:使能串行接收。由软件置位使能接收,软件清零则禁止接收。
5位SM2:多机通信控制位(极少用),模式1直接清零。
6位SM1和7位SM0:
这两位共同决定了串口通信的模式0~模式3共4种模式。我们最常用的就是模式1,也就是SM0=0,SM1=1,下边我们重点就讲模式1,其它模式从略。
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。
如果用定时器2,需要配置额外的寄存器,默认是使用定时器1的,我们本章内容主要就使用定时器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。
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。
##UART串口程序
一般情况下,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。

通信实例与ASCLL码
先抛开我们使用的汉字不谈,那么我们常用的字符就包含了0~9的数字、A~Z/a~z的字母、还有各种标点符号等。那么在单片机系统里面我们怎么来表示它们呢?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
我们用字符格式发送一个小写的a,返回一个十六进制的0x61,数码管上显示的也是61,ASCII码表里字符a对应十进制是97,等于十六进制的0x61;我们再用字符格式发送一个数字1,返回一个十六进制的0x31,数码管上显示的也是31,ASCII表里字符1对应的十进制是49,等于十六进制的0x31。这下大家就该清楚了:所谓的十六进制发送和十六进制接收,都是按字节数据的真实值进行的;而字符格式发送和字符格式接收,是按ASCII码表中字符形式进行的,但它实际上最终传输的还是一个字节数据。这个表格,当然不需要大家去记住,理解它,用的时候过来查就行了。

回复

使用道具 举报

2

主题

0

好友

1041

积分

进士

Rank: 5Rank: 5

  • TA的每日心情
    无聊
    3 小时前
  • 签到天数: 268 天

    连续签到: 5 天

    [LV.8]以坛为家I

    发表于 2017-9-4 07:59:31 |显示全部楼层
    比较详细啊
    回复

    使用道具 举报

    您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

    关闭

    站长推荐上一条 /3 下一条

    手机版|爱板网 |网站地图  

    GMT+8, 2017-9-26 11:50 , Processed in 0.373392 second(s), 9 queries , Memcache On.

    苏公网安备 32059002001056号

    Powered by Discuz!

    回顶部