51单片机的串口通信协议的6个特征

李倩 发表于 2018-04-13 09:17:16 收藏 已收藏
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51单片机的串口通信协议的6个特征

李倩 发表于 2018-04-13 09:17:16

现实生活中, 我们总是要与人打交道,互通有无。单片机也一样,需要跟各种设备交互。例如汽车的显示仪表需要知道汽车的转速及电动机的运行参数,那么显示仪表就需要从汽车的底层控制器取得数据。而这个数据的获得过程就是一个通信过程。类似的例子还有控制器通常是单片机或者PLC与变频器的通信。通信的双方需要遵守一套既定的规则也称为协议,这就好比我们人之间的对话,需要在双方都遵守一套语言语法规则才有可能达成对话。通信协议又分为硬件层协议和软件层协议。硬件层协议主要规范了物理上的连线,传输电平信号及传输的秩序等硬件性质的内容。常用的硬件协议有串口,IIC, SPI, RS485, CAN和 USB。软件层协议则更侧重上层应用的规范,比如modbus协议。好了,那这里我们就着重介绍51单片机的串口通信协议,以下简称串口。串口的6个特征如下。

        (1)、物理上的连线至少3根,分别是Tx数据发送线,Rx数据接收线,GND共用地线。

(2)、0与1的约定。RS232电平,约定﹣5V至﹣25V之间的电压信号为1,﹢5V至﹢25V之间的电压信号为0 。TTL电平,约定5V的电压信号为1,0V电压信号为0 。CMOS电平,约定3.3V的电压信号为1,0V电压信号为0 。其中,CMOS电平一般用于ARM芯片中。

(3)、发送秩序。低位先发。

(4)、波特率。收发双方共同约定的一个数据位(0或1)在数据传输线上维持的时间。也可理解为每秒可以传输的位数。常用的波特率有300bit/s, 600bit/s, 2400bit/s, 4800bit/s, 9600bit/s。

(5)、通信的起始信号。发送方在没有发送数据时,应该将Tx置1 。 当需发送时,先将Tx置0,并且保持1位的时间。接受方不断地侦测Rx,如果发现Rx常时间变高后,突然被拉低(置为0),则视为发送方将要发送数据,迅速启动自己的定时器,从而保证了收发双方定时器同步定时。

(6)、停止信号。发送方发送完最后一个有效位时,必须再将Tx保持1位的时间,即为停止位。

好了,理论暂时到这里,现在我们要做一个实验,将一个字节从51单片机发送到电脑串口调试助手上。这个实验的目的是为了掌握串口通信协议的收发过程。

虚拟串口

实验一、虚拟串口实验

一般单片机都有专门的串口引脚,51里面分别是P3.0和P3.1,这些引脚拥有串口的硬件电路,因此使用它们并不需要设置信号的发送停止。为了掌握协议,我们使用其他的引脚来模拟串口,所以也叫虚拟串口。这里我们选用P1.0,然而注意到我们51单片机要发送数据给电脑,必须经过一个串口转USB设备(即TTL电平转换为RS232电平),而限于我们的开发板只有P3.0与P3.1连接到了串口转USB设备,所以我们可以将P1.0短接到P3.1 。 下图是这个串口转USB的原理图。

好了直接上代码吧。

[cpp] view plain copy

#include "reg51.h"  

/* 

将P1.0虚拟成串口发送脚TX 

以9600bit/s的比特率向外发送数据 

因为波特率是    9600bit/s 

所以me发送一位的时间是 t=1000000us/9600=104us 

*/         

sbit TX=P3^1; //P1^0 output TTL signal, need to transferred to rs232 signal, can be connected to P3^1  

#define u16 unsigned int //宏定义  

#define u8 unsigned char  

u8 sbuf;  

bit ti=0;  

void delay(u16 x)  

{  

while(x--);  

}  

void Timer0_Init()  

{  

TMOD |= 0x01;  

TH0=65440/256;  

TH0=65440%256; 

TR0=0;  

}  

void Isr_Init()  

{  

EA=1;  

ET0=1;  

}  

void Send_Byte(u8 dat)  

{  

sbuf=dat;//通过引入全局变量sbuf,可以保存形参dat  

TX=0; //A 起始位 

TR0=1;  

while(ti==0);    //等待发送完成 

ti=0; //清除发送完成标志  

}  

void TF0_isr() interrupt 1     //每104us进入一次中断  

{  

static u8 i; //记录进入中断的次数  

TH0=65440/256;  

TL0=65440%256;  

i++;  

if(i>=1 && i<=8)  

{          if((sbuf&(1<<(i-1)))==0)  // (sbuf&(1<<(i-1)))表示取出i-1位  

{  

TX=0;  

}  

else  

{  

TX=1;  

}  

}  

if(i==9)  //停止位 

{          TX=1;  

}  

if(i==10)     

{  

TR0=0;  

i=0;  

ti=1; //发送完成  

}  

}  

void main()  

{  

TX=1; //使TX处于空闲状态  

Timer0_Init();  

Isr_Init();  

while(1)  

{  

Send_Byte(65); //0x41  

delay(60000);  

}  

}  

实验引入了定时器0来控制发送线上的各个位的保持时间。首先main函数进入,TX置1则使发送线处于空闲,这时候发送方和接受方都处于空闲。接下来初始化定时器0,TR0置0表示还不要启动定时器0。接着中断系统初始化,此时中断系统已经开启。进入while循环,先进Send_Byte()函数,将65传给形参dat,dat再将65赋值给sbuf,到这里准备工作就做好了。接着TX置0,这个是起始位,要保持这个起始位104us。于是就启动定时器TR0置1,计时器开始计数。当第一次溢出的时候,也就是过了104us,进入中断,同时接收方也侦测到了这个突然被拉低的信号,于是迅速启动自己的定时器。进入中断子函数后,先是重装定时器初值,然后i加1,也就是当i=1时,就应该发送数据的最低位了,总共有8位数据,所以使用条件语句if(i>=1 && i<=8)来判断是否发送完数据位。然后再通过if(i==9) 来发送停止位,最后当i=10时,也就是发送完了,这时候要关闭定时器(那么程序也就),同时i置0,ti置1(才能跳出while(ti==0)循环),最后将ti置0,保证下次要发送字节时让程序停留在while(ti==0)。

片上串口

以上说的是虚拟串口,上文中谈到与串口相关的引脚P3.0与P3.1,事实上51单片机自带片上串口,那这个串口又该怎么使用呢?

片上串口支持同步模式与异步模式。简单来说同步模式就是指有时钟线,而异步模式无时钟线。这里的时钟线是指在同步通信时,用一根线专门传输时钟信号,这个信号用来与要发送的每一位保持同步,这样就避免了例如异步通信中因为采用定时器而引入的时间误差。

片上串口还支持8位模式和9位模式。如下图所示

其中D0-D7是一个字节的8个位。9位模式只是多了一个位TB8,这个TB8的作用是奇偶校验或多机通信。奇偶校验原理这不加分析。多机通信时比如主机只发送数据给网络中的一台地址为0x02的设备,这时候先让TB8为1,前面的D0-D7则为地址即0x02,之后再让TB8为0,前面的D0-D7则为数据了。

上面设置了片上串口的模式,另外还要设置串口的波特率。

片上串口的波特率等于定时器1工作在方式2时溢出率的32分频。如果要定时器1工作在方式2,那么TMOD=0x20。另外要保证为32分频,我们还必须设置计数器初值。设晶振为11.0592Mhz,则定时器的计数脉冲为F=f/12,则定时器每计一个脉冲的时间为T=12/f。又令计数器的起点为x,则溢出一次要计的脉冲数为(256-x)。所以在计数起点为x时,溢出一次的时间为t=12/f*(256-x)。则对应的溢出率为1/t=f/(12*(256-x))。对应的波特率就为b=f/(384*(256-x))。

x=256-f/(384*b)

其中f为晶振频率,b为希望的波特率,x为定时器的计数起点TH1的值。

例如当晶振为11.0592M,希望波特率为9600bit/s,则TH1=253。题外话,我们同样可以演算出在其他常用波特率情况下,TH1始终为一个整数。这里也就解释了为什么51里面选用了11.0592M的晶振而不是12M,这样就保证了串口的时序更加准确,虽然牺牲了定时器的准确度。

实验二,片外串口发送一个字节。

好了现在开始我们的实验之旅。直接看代码吧。

[cpp] view plain copy

# include "reg51.h"

#

define u16 unsigned int

# define u8 unsigned char

void delay(u16 x)

{

while (x--);

}

void Uart_Init() //串口初始化 

{

SCON = 0x50; //8位异步模式 

TMOD |= 0x20; //定时器1工作方式2 

TH1 = 253; //9600bit/s 

TR1 = 1;

}

void Send_Byte(u8 dat)

{

SBUF = dat; //启动发送,只需要把发送内容给SBUF这个寄存器 

while (TI == 0); //等待发送完成,因为TI为1时表示在发送停止位 

TI = 0;

}

void main()

{

Uart_Init();

while (1)

{

Send_Byte('m');

delay(60000);

}

}

实验二较之实验一,代码减少了很多,而且不用考虑繁琐的位发送时序。只需要明白各个寄存器SCON,TMOD,TCON,SBUF的用法。TI是SCON中的第一位,为发送中断请求标志位。在本方式中,在停止位开始发送时由内部硬件置位,响应中断后TI必须又软件清零。

实验三、片上串口发送一个字符串

上面介绍了如何发送一个字节,那如何发送一个字符串甚至文本呢?这里我们首先介绍下字符串的概念。

字符串:从存储器的某个地址开始,连续存放多个字符的ASCII码,并且在最后一个字符的后面存放一个0,这段连续的内存空间就叫字符串,最后的0叫字符串的结束符。注意这里的0和加单引号的0不是一个概念,加单引号的0是指0的ASCII码。

数组与字符串的关系:字符串是数组的一种特殊情况,数组在特定条件下可当做字符串用。C语言用双引号描述一个字符串,如“abcd”。

下面我们通过一个实验来展示如何发送字符串。我们实验的目标是打印字符串“Hello World ! 第一!”到打印机。直接上代码。

[cpp] view plain copy

#include "reg51.h"  

#define u16 unsigned int  

#define u8 unsigned char  

void delay(u16 x)  

{  

while(x--);  

}  

void Uart_Init() //串口初始化  

{  

SCON=0x50; //8位异步模式  

TMOD|=0x20; //定时器1工作方式2  

TH1=253;//9600bit/s  

TR1=1;  

}  

void Send_Byte(u8 dat)    //串口发送一个字节  

{  

SBUF=dat; //启动发送,只需要把发送内容给SBUF这个寄存器  

while(TI==0); //等待发送完成,因为TI为1时表示在发送停止位  

TI=0;  

}

void Send_String(u8 *str)   //发送一个字符串  *str为字符串第一个字符的地址  

{  

abc:      //标号  

if(*str != 0)      {  

Send_Byte(*str);  

str++;  

goto abc;     

}  

}    

void main()  

{  

Uart_Init();  

while(1)  

{  

Send_String("Hello World! 第一!");  

Send_Byte(10);  

delay(60000);  

delay(60000);  

}  

}  

实验效果

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