單片機(jī)C語言之串口通信協(xié)議
串口通信指串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)。
常用三種串口通信協(xié)議 1、RS-232RS-232（ANSI/EIA-232標(biāo)準(zhǔn)）是IBM-PC及其兼容機(jī)上的串行連接標(biāo)準(zhǔn)?？捎糜谠S多用途，比如連接鼠標(biāo)、打印機(jī)或者M(jìn)odem，同時(shí)也可以接工業(yè)儀器儀表。用于驅(qū)動(dòng)和連線的改進(jìn)，實(shí)際應(yīng)用中RS-232的傳輸長度或者速度常常超過標(biāo)準(zhǔn)的值。RS-232只限于PC串口和設(shè)備間點(diǎn)對點(diǎn)的通信。RS-232串口通信最遠(yuǎn)距離是50英尺。
從計(jì)算機(jī)連出的線的截面。
RS-232針腳的功能：
數(shù)據(jù)：
TXD（pin 3）：串口數(shù)據(jù)輸出（Transmit Data）
RXD（pin 2）：串口數(shù)據(jù)輸入（Receive Data）
握手：
RTS（pin 7）：發(fā)送數(shù)據(jù)請求（Request to Send）
CTS（pin 8）：清除發(fā)送（Clear to Send）
DSR（pin 6）：數(shù)據(jù)發(fā)送就緒（Data Send Ready）
DCD（pin 1）：數(shù)據(jù)載波檢測（Data Carrier Detect）
DTR（pin 4）：數(shù)據(jù)終端就緒（Data Terminal Ready）
地線：
GND（pin 5）：地線
其它
RI（pin 9）：鈴聲指示
2、RS-422RS-422（EIA RS-422-AStandard）是Apple的Macintosh計(jì)算機(jī)的串口連接標(biāo)準(zhǔn)。RS-422使用差分信號(hào)，RS-232使用非平衡參考地的信號(hào)。差分傳輸使用兩根線發(fā)送和接收信號(hào)，對比RS-232，它能更好的抗噪聲和有更遠(yuǎn)的傳輸距離。在工業(yè)環(huán)境中更好的抗噪性和更遠(yuǎn)的傳輸距離是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。
3、RS-485RS-485（EIA-485標(biāo)準(zhǔn)）是RS-422的改進(jìn)，因?yàn)樗黾恿嗽O(shè)備的個(gè)數(shù)，從10個(gè)增加到32個(gè)，同時(shí)定義了在最大設(shè)備個(gè)數(shù)情況下的電氣特性，以保證足夠的信號(hào)電壓。有了多個(gè)設(shè)備的能力，你可以使用一個(gè)單個(gè)RS-485口建立設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。出色抗噪和多設(shè)備能力，在工業(yè)應(yīng)用中建立連向PC機(jī)的分布式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)、其他數(shù)據(jù)收集控制器、HMI或者其他操作時(shí)，串行連接會(huì)選擇RS-485。RS-485是RS-422的超集，因此所有的RS-422設(shè)備可以被RS-485控制。RS-485可以用超過4000英尺的線進(jìn)行串行通行。
串口的基本結(jié)構(gòu)SBUF：51單片機(jī)中的特殊寄存器，串行數(shù)據(jù)緩沖器（一個(gè)接收一個(gè)發(fā)送），兩個(gè)其實(shí)是共用的一個(gè)地址99H，但是兩個(gè)在物理上面是分開的。
當(dāng)發(fā)送使用時(shí)，就采用SBUF=XXX; （XXX為需要傳送的數(shù)據(jù)）
當(dāng)接收使用時(shí)，采用XXX=SBUF；
記得因?yàn)槭谴械乃詡鬏敹际且晃灰晃贿M(jìn)行的。
T1溢出率：T1計(jì)時(shí)器的溢出頻率（就是計(jì)時(shí)器每次低位計(jì)滿向高位進(jìn)位時(shí)間的倒數(shù)）
用處：用于計(jì)算波特率（每秒傳輸二進(jìn)制代碼的位數(shù)）
串口通信方式
并行
適合短距離通信，并行通信控制簡單、相對傳輸速度快（8位一起傳輸）。
串行
只能一位一位的傳送。
同步（了解）
建立發(fā)送方時(shí)鐘對接收方時(shí)鐘的直接控制，使雙方達(dá)到完全同步。此時(shí)，傳輸數(shù)據(jù)的位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍，同時(shí)傳送的字符間不留間隙。
發(fā)送方對接收方的同步可以通過外同步和自同步
異步（常）
以字符（構(gòu)成的幀）為單位進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)位從低到高傳送。
格式：
這里的空閑時(shí)間是任意的。
單片機(jī)C語言之串口通信協(xié)議現(xiàn)在我們要做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，將一個(gè)字節(jié)從51單片機(jī)發(fā)送到電腦串口調(diào)試助手上。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是為了掌握串口通信協(xié)議的收發(fā)過程。
虛擬串口實(shí)驗(yàn)一、虛擬串口實(shí)驗(yàn)
一般單片機(jī)都有專門的串口引腳，51里面分別是P3.0和P3.1，這些引腳擁有串口的硬件電路，因此使用它們并不需要設(shè)置信號(hào)的發(fā)送停止。為了掌握協(xié)議，我們使用其他的引腳來模擬串口，所以也叫虛擬串口。這里我們選用P1.0，然而注意到我們51單片機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)給電腦，必須經(jīng)過一個(gè)串口轉(zhuǎn)USB設(shè)備（即TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平），而限于我們的開發(fā)板只有P3.0與P3.1連接到了串口轉(zhuǎn)USB設(shè)備，所以我們可以將P1.0短接到P3.1 。 下圖是這個(gè)串口轉(zhuǎn)USB的原理圖。
代碼如下：
#include “reg51.h”
/*
將P1.0虛擬成串口發(fā)送腳TX
以9600bit/s的比特率向外發(fā)送數(shù)據(jù)
因?yàn)椴ㄌ芈适?9600bit/s
所以me發(fā)送一位的時(shí)間是 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 //宏定義
#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;//通過引入全局變量sbuf，可以保存形參dat
TX=0; //A 起始位
TR0=1;
while（TI==0）; //等待發(fā)送完成
TI=0; //清除發(fā)送完成標(biāo)志
}
void TF0_isr（） interrupt 1 //每104us進(jìn)入一次中斷
{
staTIc u8 i; //記錄進(jìn)入中斷的次數(shù)
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; //發(fā)送完成
}
}
void main（）
{
TX=1; //使TX處于空閑狀態(tài)
Timer0_Init（）;
Isr_Init（）;
while（1）
{
Send_Byte（65）; //0x41
delay（60000）;
}
}
實(shí)驗(yàn)引入了定時(shí)器0來控制發(fā)送線上的各個(gè)位的保持時(shí)間。首先main函數(shù)進(jìn)入，TX置1則使發(fā)送線處于空閑，這時(shí)候發(fā)送方和接受方都處于空閑。接下來初始化定時(shí)器0，TR0置0表示還不要啟動(dòng)定時(shí)器0。接著中斷系統(tǒng)初始化，此時(shí)中斷系統(tǒng)已經(jīng)開啟。進(jìn)入while循環(huán)，先進(jìn)Send_Byte（）函數(shù)，將65傳給形參dat，dat再將65賦值給sbuf，到這里準(zhǔn)備工作就做好了。接著TX置0，這個(gè)是起始位，要保持這個(gè)起始位104us。于是就啟動(dòng)定時(shí)器TR0置1，計(jì)時(shí)器開始計(jì)數(shù)。當(dāng)?shù)谝淮我绯龅臅r(shí)候，也就是過了104us，進(jìn)入中斷，同時(shí)接收方也偵測到了這個(gè)突然被拉低的信號(hào)，于是迅速啟動(dòng)自己的定時(shí)器。進(jìn)入中斷子函數(shù)后，先是重裝定時(shí)器初值，然后i加1，也就是當(dāng)i＝1時(shí)，就應(yīng)該發(fā)送數(shù)據(jù)的最低位了，總共有8位數(shù)據(jù)，所以使用條件語句if（i》=1 && i《=8）來判斷是否發(fā)送完數(shù)據(jù)位。然后再通過if（i==9） 來發(fā)送停止位，最后當(dāng)i=10時(shí)，也就是發(fā)送完了，這時(shí)候要關(guān)閉定時(shí)器（那么程序也就），同時(shí)i置0，ti置1（才能跳出while（ti==0）循環(huán)），最后將ti置0，保證下次要發(fā)送字節(jié)時(shí)讓程序停留在while（ti==0）。
片上串口以上說的是虛擬串口，上文中談到與串口相關(guān)的引腳P3.0與P3.1，事實(shí)上51單片機(jī)自帶片上串口，那這個(gè)串口又該怎么使用呢？
片上串口支持同步模式與異步模式。簡單來說同步模式就是指有時(shí)鐘線，而異步模式無時(shí)鐘線。這里的時(shí)鐘線是指在同步通信時(shí)，用一根線專門傳輸時(shí)鐘信號(hào)，這個(gè)信號(hào)用來與要發(fā)送的每一位保持同步，這樣就避免了例如異步通信中因?yàn)椴捎枚〞r(shí)器而引入的時(shí)間誤差。
片上串口還支持8位模式和9位模式。如下圖所示
其中D0-D7是一個(gè)字節(jié)的8個(gè)位。9位模式只是多了一個(gè)位TB8，這個(gè)TB8的作用是奇偶校驗(yàn)或多機(jī)通信。奇偶校驗(yàn)原理這不加分析。多機(jī)通信時(shí)比如主機(jī)只發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡(luò)中的一臺(tái)地址為0x02的設(shè)備，這時(shí)候先讓TB8為1，前面的D0-D7則為地址即0x02，之后再讓TB8為0，前面的D0-D7則為數(shù)據(jù)了。
上面設(shè)置了片上串口的模式，另外還要設(shè)置串口的波特率。
片上串口的波特率等于定時(shí)器1工作在方式2時(shí)溢出率的32分頻。如果要定時(shí)器1工作在方式2，那么TMOD＝0x20。另外要保證為32分頻，我們還必須設(shè)置計(jì)數(shù)器初值。設(shè)晶振為11.0592Mhz，則定時(shí)器的計(jì)數(shù)脈沖為F＝f/12，則定時(shí)器每計(jì)一個(gè)脈沖的時(shí)間為T＝12/f。又令計(jì)數(shù)器的起點(diǎn)為x，則溢出一次要計(jì)的脈沖數(shù)為（256－x）。所以在計(jì)數(shù)起點(diǎn)為x時(shí)，溢出一次的時(shí)間為t＝12/f*（256－x）。則對應(yīng)的溢出率為1/t＝f/（12*（256－x））。對應(yīng)的波特率就為b＝f/（384*（256－x））。
x＝256－f/（384*b）
其中f為晶振頻率，b為希望的波特率，x為定時(shí)器的計(jì)數(shù)起點(diǎn)TH1的值。
例如當(dāng)晶振為11.0592M，希望波特率為9600bit/s，則TH1＝253。題外話，我們同樣可以演算出在其他常用波特率情況下，TH1始終為一個(gè)整數(shù)。這里也就解釋了為什么51里面選用了11.0592M的晶振而不是12M，這樣就保證了串口的時(shí)序更加準(zhǔn)確，雖然犧牲了定時(shí)器的準(zhǔn)確度。
實(shí)驗(yàn)二，片外串口發(fā)送一個(gè)字節(jié)。
好了現(xiàn)在開始我們的實(shí)驗(yàn)之旅。直接看代碼吧。
#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位異步模式
TMOD|=0x20; //定時(shí)器1工作方式2
TH1=253;//9600bit/s
TR1=1;
}
void Send_Byte（u8 dat）
{
SBUF=dat; //啟動(dòng)發(fā)送，只需要把發(fā)送內(nèi)容給SBUF這個(gè)寄存器
while（TI==0）; //等待發(fā)送完成，因?yàn)門I為1時(shí)表示在發(fā)送停止位
TI=0;
}
void main（）
{
Uart_Init（）;
while（1）
{
Send_Byte（‘m’）;
delay（60000）;
}
}
實(shí)驗(yàn)二較之實(shí)驗(yàn)一，代碼減少了很多，而且不用考慮繁瑣的位發(fā)送時(shí)序。只需要明白各個(gè)寄存器SCON，TMOD，TCON，SBUF的用法。TI是SCON中的第一位，為發(fā)送中斷請求標(biāo)志位。在本方式中，在停止位開始發(fā)送時(shí)由內(nèi)部硬件置位，響應(yīng)中斷后TI必須又軟件清零。
實(shí)驗(yàn)三、片上串口發(fā)送一個(gè)字符串
上面介紹了如何發(fā)送一個(gè)字節(jié)，那如何發(fā)送一個(gè)字符串甚至文本呢？這里我們首先介紹下字符串的概念。
字符串：從存儲(chǔ)器的某個(gè)地址開始，連續(xù)存放多個(gè)字符的ASCII碼，并且在最后一個(gè)字符的后面存放一個(gè)0，這段連續(xù)的內(nèi)存空間就叫字符串，最后的0叫字符串的結(jié)束符。注意這里的0和加單引號(hào)的0不是一個(gè)概念，加單引號(hào)的0是指0的ASCII碼。
數(shù)組與字符串的關(guān)系：字符串是數(shù)組的一種特殊情況，數(shù)組在特定條件下可當(dāng)做字符串用。C語言用雙引號(hào)描述一個(gè)字符串，如“abcd”。
下面我們通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)來展示如何發(fā)送字符串。我們實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是打印字符串“Hello World ！ 第一！”到打印機(jī)。直接上代碼。
#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位異步模式
TMOD|=0x20; //定時(shí)器1工作方式2
TH1=253;//9600bit/s
TR1=1;
}
void Send_Byte（u8 dat） //串口發(fā)送一個(gè)字節(jié)
{
SBUF=dat; //啟動(dòng)發(fā)送，只需要把發(fā)送內(nèi)容給SBUF這個(gè)寄存器
while（TI==0）; //等待發(fā)送完成，因?yàn)門I為1時(shí)表示在發(fā)送停止位
TI=0;
}
void Send_String（u8 *str） //發(fā)送一個(gè)字符串 *str為字符串第一個(gè)字符的地址
{
abc： //標(biāo)號(hào)
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）;
}
}
實(shí)驗(yàn)效果
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