单片机UART串口通信解析

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　　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。
　　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。比如我们前边用到的 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。
　　STC89C52 有两个引脚是专门用来做 UART 串行通信的，一个是 P3.0 一个是 P3.1，它们还分别有另外的名字叫做 RXD 和 TXD，由它们组成的通信接口就叫做串行接口，简称串口。用两个单片机进行 UART 串口通信，基本的演示图如图 11-1 所示。

　　图 11-1  单片机之间 UART 通信示意图
　　图中，GND 表示单片机系统电源的参考地，TXD 是串行发送引脚，RXD 是串行接收引脚。两个单片机之间要通信，首先电源基准得一样，所以我们要把两个单片机的 GND 相互连接起来，然后单片机 1 的 TXD 引脚接到单片机 2 的 RXD 引脚上，即此路为单片机 1 发送而单片机 2 接收的通道，单片机 1 的 RXD 引脚接到单片机 2 的 TXD 引脚上，即此路为单片机 2 发送而单片机 1 接收的通道。这个示意图就体现了两个单片机相互收发信息的过程。
　　当单片机 1 想给单片机 2 发送数据时，比如发送一个 0xE4 这个数据，用二进制形式表示就是 0b11100100，在 UART 通信过程中，是低位先发，高位后发的原则，那么就让 TXD首先拉低电平，持续一段时间，发送一位 0，然后继续拉低，再持续一段时间，又发送了一位 0，然后拉高电平，持续一段时间，发了一位 1??一直到把 8 位二进制数字 0b11100100全部发送完毕。这里就涉及到了一个问题，就是持续的这“一段时间”到底是多久？由此便引入了通信中的一个重要概念——波特率，也叫做比特率。
　　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。我们图示看一下，如图 11-2 所示。

　　图 11-2  串口数据发送示意图
　　图 11-2 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。
　　我们先来认识一下这个标准串口，在物理结构上分为 9 针的和 9 孔的，习惯上我们也称之为公头和母头，如图 11-3 所示。

　　图 11-3  RS232 通信接口
　　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 11-4 所示。

　　图 11-4  MAX232 转接图
　　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？
　　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，

　　图中左下方 J1 和 J2 是两个跳线的组合，大家可以在我们板子左下方的位置找到，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
　　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、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。
　　图 11-6   串口调试助手示意图
　　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。