单片机C语言之串口通信协议

发表于 2018-05-22 12:37:36 收藏 已收藏
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单片机C语言之串口通信协议

发表于 2018-05-22 12:37:36

  串口通信概述

  串口通信指串口按位(bit)发送和接收字节。尽管比按字节(byte)的并行通信慢,但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。

  常用三种串口通信协议

  1、RS-232

  RS-232(ANSI/EIA-232标准)是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准。可用于许多用途,比如连接鼠标、打印机或者Modem,同时也可以接工业仪器仪表。用于驱动和连线的改进,实际应用中RS-232的传输长度或者速度常常超过标准的值。RS-232只限于PC串口和设备间点对点的通信。RS-232串口通信最远距离是50英尺。

单片机C语言之串口通信协议

  从计算机连出的线的截面。

  RS-232针脚的功能:

  数据:

  TXD(pin 3):串口数据输出(Transmit Data)

  RXD(pin 2):串口数据输入(Receive Data)

  握手:

  RTS(pin 7):发送数据请求(Request to Send)

  CTS(pin 8):清除发送(Clear to Send)

  DSR(pin 6):数据发送就绪(Data Send Ready)

  DCD(pin 1):数据载波检测(Data Carrier Detect)

  DTR(pin 4):数据终端就绪(Data Terminal Ready)

  地线:

  GND(pin 5):地线

  其它

  RI(pin 9):铃声指示

  2、RS-422

  RS-422(EIA RS-422-AStandard)是Apple的Macintosh计算机的串口连接标准。RS-422使用差分信号,RS-232使用非平衡参考地的信号。差分传输使用两根线发送和接收信号,对比RS-232,它能更好的抗噪声和有更远的传输距离。在工业环境中更好的抗噪性和更远的传输距离是一个很大的优点。

  3、RS-485

  RS-485(EIA-485标准)是RS-422的改进,因为它增加了设备的个数,从10个增加到32个,同时定义了在最大设备个数情况下的电气特性,以保证足够的信号电压。有了多个设备的能力,你可以使用一个单个RS-485口建立设备网络。出色抗噪和多设备能力,在工业应用中建立连向PC机的分布式设备网络、其他数据收集控制器、HMI或者其他操作时,串行连接会选择RS-485。RS-485是RS-422的超集,因此所有的RS-422设备可以被RS-485控制。RS-485可以用超过4000英尺的线进行串行通行。

  串口的基本结构

  SBUF:51单片机中的特殊寄存器,串行数据缓冲器(一个接收一个发送),两个其实是共用的一个地址99H,但是两个在物理上面是分开的。

  当发送使用时,就采用SBUF=XXX; (XXX为需要传送的数据)

  当接收使用时,采用XXX=SBUF;

  记得因为是串行的所以传输都是一位一位进行的。

  T1溢出率:T1计时器的溢出频率(就是计时器每次低位计满向高位进位时间的倒数)

  用处:用于计算波特率(每秒传输二进制代码的位数)

单片机C语言之串口通信协议

  串口通信方式

  并行

  适合短距离通信,并行通信控制简单、相对传输速度快(8位一起传输)。

单片机C语言之串口通信协议

  串行

  只能一位一位的传送。

单片机C语言之串口通信协议

  同步(了解)

  建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制,使双方达到完全同步。此时,传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍,同时传送的字符间不留间隙。

  发送方对接收方的同步可以通过外同步和自同步

  异步(常)

  以字符(构成的帧)为单位进行传输。数据位从低到高传送。

  格式:

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  这里的空闲时间是任意的。

  单片机C语言之串口通信协议

  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。

单片机C语言之串口通信协议

  代码如下:

  #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

单片机C语言之串口通信协议

  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。

  #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。

  #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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