[嵌入式]51单片机：串口通信

前言

51单片机串口通信原理及代码，实现单片机与PC的交互

一、前置知识了解

数据传输方式分类：

1. 串行通信：使用一条数据线，将数据一位一位传输，每个数据占据一个固定的时间长度。特点：传输线少，长时间传输成本低，但传输控制比并行复杂。
2. 并行通信：将数据字节的各位用多条数据线同时进行传输。特点：控制简单，速度快，但长距离传输时间成本高且接受方接受困难，扛干扰能力差。

数据同步方式分类

1. 异步通信： 发送与接受设备使用各自的时钟控制数据的发送和接受过程。双方时钟不一定一致，但通信时钟应尽可能保持一致。特点： 不要求双方时钟严格一致，实现简单，设备开销小，但传输效率低。
2. 同步通信： 要建立发送和接受双方的时钟直接控制，使双方达到完全同步。分为外同步和自同步。特点： 双方时钟应严格一致，控制复杂，开销大，但传输效率高。

数据传输方向分类

1. 单工通信： 数据传输只能沿一个方向
2. 半双工通信： 数据可双向传输，但须分时进行
3. 全双工通信： 数据可以同时双向传输。

通信速率

1. 比特率： 每秒钟传输二进制代码的位数，单位：位/秒。如：每秒传输240字符，每个字符含10位，则其比特率为：2400bps
2. 波特率： 当定义若干位为一个码元，以2400bps为例，定义每四位为一码元，则其波特率为$2400/4=600$

二、51单片机寄存器

1. 串口控制寄存器SCON

REN： 允许串行接收位。 $REN=1$启用串口接收数据，反之禁止。

RB8： 在方式2或3中(见下表)，为接收数据的第9位，作为奇偶校验位或地址帧/数据帧的标志位。在方式1时，若$SM2=0$,则RB8是接收到的停止位。

RI： 接收中断标志位。 在方式0中，接收到第8位数据结束时，在其他方式中，接收到停止位时，硬件置1，发出中断申请，须在中断程序中软件清0，取消此中断。

SM2： 多机通信控制位，主要用于方式2和3(见下表)。 当$SM2=1$时，启用多机通信；接收的第九位数据赋值给RB8，当$RB8=0$，不激活RI(即$RI=0$)，收到的数据丢弃；当$RB8=1$，激活RI(即$RI$硬件置1),产生中断从SBUF中读取数据。当$SM2=0$，不管RB8为0或1，均可读取其中数据。

TB8： 方式0和1中未用到。在方式2和3中，是发送数据的第9位，可以软件定义其作用，作为校验位或标志位。

TI： 发送中断标志位。 在方式0中，发送第8位数据结束时，在其他方式中，发送停止位时，硬件置1，发出中断申请，须在中断程序中软件清0，取消此中断。

SM0和SM1为工作方式选择位

$f_{osc}$为外部晶振频率

2. 电源控制寄存器PCON

SMOD： 波特率倍增位。 在串口方式1、2、3(见工作方式选择表)时，波特率和SMOD有关。$SMOD=1$，波特率提高一倍，复位时置0。

如何理解波特率，及其倍增位，以全双工异步通信为例，如下图所示。

图中结构可以看出为全双工通信，如果为异步通信(即接收端与发送端双方的时钟由各自控制)，为了保证设备正常工作，需要尽可能让双方时钟保持一致；如果为同步通信，则发送端除了控制自己的时钟，同时还要控制接收端的时钟，使双方时钟保持一致。

举例说明，当发送端与接收端同步时(即双方波特率比值为1:1)，发送端发送一个a，接收端接收一个a。

当发送端与接收端时钟不同步时(例如双方波特率比值为2:1)。发送端发送一个a,接收端接收到两个a。这就是双方时钟不一致(即波特率不同)产生的现象。

无论同步通信还是异步通信都要使双方时钟保持一致，区别只在于同步时钟是由谁控制。至于为什么要进行波特率倍增，大概可能估计是由于硬件限制，考虑到最大波特率也无法进行正常通信的情况。

三、工作方式选择

1. 接收到的数据和需要发送的数据存储在两段相互独立的内存中，但两端内存对外都命名为SBUF，因此对发送数据和接收数据的处理只需对SBUF处理即可。
2. 无论是工作在哪种工作模式，在输入数据到单片机时，均须使SCON寄存器中的REN置1。
3. 除方式0外，其余RXD均为数据接收引脚，TXD均为数据发送引脚

方式0

串口为同步移位寄存器的输入输出方式。主要用于扩展并行输入或输出口。数据由RXD（P3.0）引脚输入或输出，同步位移脉冲由TXD(P3.1)引脚输出。例如外部设备须并行输出数据到单片机，但单片机没有多余的引脚，则可以使用该引脚通信功能，与74HC595扩展的区别在于需要使用TXD引脚同步双方时钟。发送和接收均为8位数据，从低至高位依次发送。

输出时序图

先将数据写入SBUF，从低至高依次输出数据，在第八位结束时，硬件置TI=1(详见SCON中TI的描述)，产生中断结束发送数据，后续还需软件置0。

输入时序图

输入前先将输入中断RI软件置0，输入完毕后RI硬件置1（详见SCON中RI描述）,产生中断，结束输入。

方式1

一帧数据由1为起始位，8位数据位，1位停止位组成。

输出时序图

接收到停止位时，TI硬件置1(详见SCON中TI描述)，产生中断，结束输出。

输入时序图

接收到起始位开始输入，至接收到停止位时，前八数据为存入SBUF，停止位进入RB8，RI硬件置1，产生中断，结束输入。

上述为SM2=1，多机通信中的场景。在SM2=0，单机通信中，接收到停止位即产生中断，结束输入。

方式2、3

数据格式

当输出时，数据第九位为TB8，为输出的标志位或校验位。
当输入时，数据第九位位RB8，为输入的标志位或校验位。

输出时序图

如上图所示，当移位寄存器检测到上种情况时，TI硬件置1，产生中断终止输出。

输入时序图

四、串口通信代码

波特率计算使用提供的波特率计算软件即可。电路图不太能看懂就省略了。
功能：

1. 由于显示设备限制，将PC发送的数据返回给PC以代替单片机上的数据显示。
2. 通过按键矩阵，可输入a~p字符，按下独立按键K3即可将单片机的数据发送给PC。

这是简单的设备之间的通信，后续单片机如果有合适的显示设备，或许会完善使用按键矩阵和独立按键实现拼音9键，实现单片机和PC的英文交互。

时延函数 delay.h

#ifndef _DELAY_H__
#define _DELAY_H__
/*10us=1,时延为10us*/
void delay_10us(unsigned int _10us){
	while(_10us--){}
}
/*1ms=1,时延为1ms*/
void delay_1ms(unsigned int _1ms){
	 _1ms*=110;
	 while(_1ms--){
	 }
}
#endif

中断初始化函数 interrupt_utils.h

#ifndef _INTERRUPT_H_
#define _INTERRUPT_H_
#include "reg52.h"
/*中断初始化*/
/*外部中断0*/
void Int0_Init(const unsigned char *mode){//外部中断0的触发方式，0低电平触发，1下降沿触发
	EA=1;//总中断允许位
	EX0=1;//外部中断0允许位
	IT0=*mode;	
}
/*外部中断1*/
void Int1_Init(const unsigned char *mode){//外部中断1的触发方式，0低电平触发，1下降沿触发
	EA=1;//总中断允许位
	EX1=1;//外部中断0允许位
	IT1=*mode;	
}
void Timer0_Init(const unsigned char *mode ,const unsigned char *HighVal , const unsigned char *LowVal ){
	EA=1;//打开中断总允许位
	ET0=1;//打开T0中断允许位
	TR0=1;//定时/计数器中断0开始工作
	TMOD |= *mode;//设置T0工作模式
	TH0 = *HighVal; //高八位寄存器初值
	TL0 = *LowVal;  //第八位寄存器初值
} 
void Timer1_Init(const unsigned char *mode ,const unsigned char *HighVal , const unsigned char *LowVal ){
	EA=1;//打开中断总允许位
	ET1=1;//打开T0中断允许位
	TR1=1;//定时/计数器中断0开始工作
	TMOD |= *mode;//设置T0工作模式
	TH1 = *HighVal; //高八位寄存器初值
	TL1 = *LowVal;  //第八位寄存器初值
} 
#endif

串口初始化及相关功能函数 uart_init.h

#ifndef __UART_INIT_H__
#define __UART_INIT_H__
#include "interrupt_utils.h"
unsigned char data_buffer[10];//存储接收的数据
unsigned char Send_buffer[10];//要发送的数据
unsigned char Num=0;
unsigned char Send_Num=0;
/*设置串口寄存器参数
		1.设置串口寄存器
		2.设置波特率参数
*/
void Set_Uart( unsigned char *Uart_Reg_mode ,  unsigned char *Baud_mode){
	SCON = *Uart_Reg_mode;
	PCON |= *Baud_mode;
}
/*串口初始化函数*/
void Uart_Init(unsigned char T1_Mode , unsigned char Uart_Reg_mode , 
				 unsigned char Baud_mode ,  unsigned char Init_Val ){
	  
	  Set_Uart(&Uart_Reg_mode,  &Baud_mode);
	  Timer1_Init(&T1_Mode ,&Init_Val , &Init_Val );
	  ES=1;	//打开串口中断允许位
	  ET1=0;//关闭定时器中断1的允许位	  
}
/*串口发送一个字符*/
void Uart_Send_byte(unsigned char dat){
	SBUF = dat;
	while(!TI);//发出中断，TI硬件置1，跳出循环
	TI=0;//重置，取消本次中断	
	
}
/*串口发送一串字符*/
void Uart_Send_String(){
	unsigned char i;
	for(i=0 ; i!=Send_Num;++i){
		Uart_Send_byte(Send_buffer[i]);
	}
	Send_Num=0;
}
/*串口接受数据(不超过10位)*/
void UART_Routine( ) interrupt 4{  
  	RI=0;		//将接收中断标志清0 
	if(Num>9){	 //超出缓存大小，覆盖从头开始存储
		Num=0;
	}	
	data_buffer[Num++] = SBUF;		
	/*由于单片机暂无合适的显示设备，将接收到的数据返回给电脑*/
	Uart_Send_byte(data_buffer[Num-1]);
}
#endif

矩阵按键扫描函数 scan_button.h

#ifndef __SCAN_BUTTON_H__
#define __SCAN_BUTTON_H__
/*扫描矩阵按键*/
#include "reg52.h"
#include "delay.h"
typedef unsigned int uint;
typedef unsigned char uchar;

sbit line0 = P1^7;
sbit line1 = P1^6;
sbit line2 = P1^5;
sbit line3 = P1^4;
sbit col0 = P1^3;
sbit col1 = P1^2;
sbit col2 = P1^1;
sbit col3 = P1^0;

char  Table16[4][4] = {{'a','b','c','d'},
						{'e','f','g','h'},
						{'i','j','k','l'},
						{'m','n','o','p'}
						} ;
/*确定行*/
uint get_line(void){
	uint retVal=4;
	col0=0;
	col1=0;
	col2=0;
	col3=0;
	if(!line0) retVal=0;
	if(!line1) retVal=1;
	if(!line2) retVal=2;
	if(!line3) retVal=3;
	col0=1;
	col1=1;
	col2=1;
	col3=1;
	return retVal;
}
/*确定列*/
uint get_col(void){
	uint retVal=4;
	line0=0;
	line1=0;
	line2=0;
	line3=0;
	if(!col0) retVal=0;
	if(!col1) retVal=1;
	if(!col2) retVal=2;
	if(!col3) retVal=3;
	line0=1;
	line1=1;
	line2=1;
	line3=1;
	return retVal;
}
/*监测按键，并返回按键值*/
char Scan_Button(){
	uint row;
	uint col;
	delay_10us(6000);
	row = get_line();
	col = get_col();
	delay_10us(6000);
	if(row!=4&&col!=4)
		return Table16[row][col];
	return 0;
}	
#endif

主函数

#include "Uart_Init.h"
#include "Scan_Button.h"
/*
	1.由于暂时无合适的显示设备，所以将单片机接收到的信息返回给电脑显示。
	2.可以通过矩阵键盘输入信息，按独立按键k3进行发送
*/
void main(){
   Int0_Init(0);//外部中断0初始化
   Uart_Init(0x20,0x50,0x80,0xFA);//串口中断初始化
   while(1){
	  char cha;
	  cha=Scan_Button();
	  if(cha)
	  	Send_buffer[Send_Num++] = cha;
   }
}
void Int0_Rountine() interrupt 0{ //按键矩阵输入完毕，按独立按键K3中断发送
	Uart_Send_String();
}