姓名：周崇杰? ?學號：16040120059? ? 專業(yè)：機械設計制造及其自動化
轉(zhuǎn)載自：http://blog.csdn.net/a514371309/article/details/73481423，有刪節(jié)
【嵌牛導讀】：單片機與計算機系統(tǒng)最關(guān)鍵的莫過于信息與數(shù)據(jù)，本文將在上篇文章的基礎上硝烂，詳細介紹了單片機的串口通信協(xié)議红伦。
【嵌牛鼻子】：單片機鸠踪，C語言碎紊，串口通信協(xié)議
【嵌牛提問】：單片機是通過協(xié)議進行通信的，那么協(xié)議是怎么一回事镇眷，它又是怎么讓單片機進行通信呢季惯？
【嵌牛正文】：
現(xiàn)實生活中吠各， 我們總是要與人打交道，互通有無勉抓。單片機也一樣贾漏，需要跟各種設備交互。例如汽車的顯示儀表需要知道汽車的轉(zhuǎn)速及電動機的運行參數(shù)藕筋，那么顯示儀表就需要從汽車的底層控制器取得數(shù)據(jù)纵散。而這個數(shù)據(jù)的獲得過程就是一個通信過程。類似的例子還有控制器通常是單片機或者PLC與變頻器的通信。通信的雙方需要遵守一套既定的規(guī)則也稱為協(xié)議伍掀，這就好比我們?nèi)酥g的對話掰茶，需要在雙方都遵守一套語言語法規(guī)則才有可能達成對話。
通信協(xié)議又分為硬件層協(xié)議和軟件層協(xié)議硕盹。硬件層協(xié)議主要規(guī)范了物理上的連線符匾，傳輸電平信號及傳輸?shù)闹刃虻扔布再|(zhì)的內(nèi)容。常用的硬件協(xié)議有串口瘩例，IIC， SPI甸各， RS485垛贤， CAN和 USB。軟件層協(xié)議則更側(cè)重上層應用的規(guī)范趣倾，比如modbus協(xié)議聘惦。
好了，那這里我們就著重介紹51單片機的串口通信協(xié)議儒恋，以下簡稱串口善绎。串口的6個特征如下。
（1）诫尽、物理上的連線至少3根禀酱，分別是Tx數(shù)據(jù)發(fā)送線，Rx數(shù)據(jù)接收線牧嫉，GND共用地線剂跟。
（2）、0與1的約定酣藻。RS232電平曹洽，約定﹣5V至﹣25V之間的電壓信號為1，﹢5V至﹢25V之間的電壓信號為0 辽剧。TTL電平送淆，約定5V的電壓信號為1，0V電壓信號為0 怕轿。CMOS電平偷崩，約定3.3V的電壓信號為1，0V電壓信號為0 撤卢。其中环凿，CMOS電平一般用于ARM芯片中。
（3）放吩、發(fā)送秩序智听。低位先發(fā)。
（4）、波特率到推。收發(fā)雙方共同約定的一個數(shù)據(jù)位（0或1）在數(shù)據(jù)傳輸線上維持的時間考赛。也可理解為每秒可以傳輸?shù)奈粩?shù)。常用的波特率有300bit/s, 600bit/s, 2400bit/s, 4800bit/s, 9600bit/s莉测。
（5）颜骤、通信的起始信號。發(fā)送方在沒有發(fā)送數(shù)據(jù)時捣卤，應該將Tx置1 忍抽。 當需發(fā)送時，先將Tx置0董朝，并且保持1位的時間鸠项。接受方不斷地偵測Rx，如果發(fā)現(xiàn)Rx常時間變高后子姜，突然被拉低（置為0）祟绊，則視為發(fā)送方將要發(fā)送數(shù)據(jù)，迅速啟動自己的定時器哥捕，從而保證了收發(fā)雙方定時器同步定時牧抽。
（6）、停止信號遥赚。發(fā)送方發(fā)送完最后一個有效位時扬舒，必須再將Tx保持1位的時間，即為停止位鸽捻。
好了呼巴，理論暫時到這里，現(xiàn)在我們要做一個實驗御蒲，將一個字節(jié)從51單片機發(fā)送到電腦串口調(diào)試助手上衣赶。這個實驗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
實驗一厚满、虛擬串口實驗
一般單片機都有專門的串口引腳府瞄，51里面分別是P3.0和P3.1，這些引腳擁有串口的硬件電路碘箍，因此使用它們并不需要設置信號的發(fā)送停止遵馆。為了掌握協(xié)議，我們使用其他的引腳來模擬串口丰榴，所以也叫虛擬串口货邓。這里我們選用P1.0，然而注意到我們51單片機要發(fā)送數(shù)據(jù)給電腦四濒，必須經(jīng)過一個串口轉(zhuǎn)USB設備（即TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平）换况，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設備职辨，所以我們可以將P1.0短接到P3.1 。 下圖是這個串口轉(zhuǎn)USB的原理圖戈二。
好了直接上代碼吧舒裤。
#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)
因為波特率是????9600bit/s
所以me發(fā)送一位的時間是?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;
voiddelay(u16?x)
{
while(x--);
}
voidTimer0_Init()
{
TMOD?|=?0x01;
TH0=65440/256;
TH0=65440%256;
TR0=0;
}
voidIsr_Init()
{
EA=1;
ET0=1;
}
voidSend_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)送完成標志
}
voidTF0_isr()?interrupt?1//每104us進入一次中斷
{
staticu8?i;//記錄進入中斷的次數(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
}
}
voidmain()
{
TX=1;//使TX處于空閑狀態(tài)
Timer0_Init();
Isr_Init();
while(1)
{
Send_Byte(65);//0x41
delay(60000);
}
}
實驗引入了定時器0來控制發(fā)送線上的各個位的保持時間觉吭。首先main函數(shù)進入腾供，TX置1則使發(fā)送線處于空閑，這時候發(fā)送方和接受方都處于空閑鲜滩。接下來初始化定時器0伴鳖，TR0置0表示還不要啟動定時器0。接著中斷系統(tǒng)初始化绒北，此時中斷系統(tǒng)已經(jīng)開啟黎侈。進入while循環(huán)，先進Send_Byte()函數(shù)闷游，將65傳給形參dat，dat再將65賦值給sbuf贴汪，到這里準備工作就做好了脐往。接著TX置0，這個是起始位扳埂，要保持這個起始位104us业簿。于是就啟動定時器TR0置1，計時器開始計數(shù)阳懂。當?shù)谝淮我绯龅臅r候梅尤，也就是過了104us，進入中斷岩调，同時接收方也偵測到了這個突然被拉低的信號巷燥，于是迅速啟動自己的定時器。進入中斷子函數(shù)后号枕，先是重裝定時器初值缰揪，然后i加1，也就是當i＝1時葱淳，就應該發(fā)送數(shù)據(jù)的最低位了钝腺，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)位赞厕。然后再通過if(i==9) 來發(fā)送停止位艳狐，最后當i=10時，也就是發(fā)送完了皿桑，這時候要關(guān)閉定時器（那么程序也就）毫目，同時i置0蔬啡，ti置1（才能跳出while(ti==0)循環(huán)），最后將ti置0蒜茴，保證下次要發(fā)送字節(jié)時讓程序停留在while(ti==0)星爪。
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粉私，事實上51單片機自帶片上串口顽腾，那這個串口又該怎么使用呢？
片上串口支持同步模式與異步模式诺核。簡單來說同步模式就是指有時鐘線抄肖，而異步模式無時鐘線。這里的時鐘線是指在同步通信時窖杀，用一根線專門傳輸時鐘信號漓摩，這個信號用來與要發(fā)送的每一位保持同步，這樣就避免了例如異步通信中因為采用定時器而引入的時間誤差入客。
片上串口還支持8位模式和9位模式管毙。如下圖所示
其中D0-D7是一個字節(jié)的8個位。9位模式只是多了一個位TB8桌硫，這個TB8的作用是奇偶校驗或多機通信夭咬。奇偶校驗原理這不加分析。多機通信時比如主機只發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡中的一臺地址為0x02的設備铆隘，這時候先讓TB8為1卓舵，前面的D0-D7則為地址即0x02，之后再讓TB8為0膀钠，前面的D0-D7則為數(shù)據(jù)了掏湾。
上面設置了片上串口的模式，另外還要設置串口的波特率肿嘲。
片上串口的波特率等于定時器1工作在方式2時溢出率的32分頻融击。如果要定時器1工作在方式2，那么TMOD＝0x20睦刃。另外要保證為32分頻砚嘴，我們還必須設置計數(shù)器初值。設晶振為11.0592Mhz涩拙，則定時器的計數(shù)脈沖為F＝f/12际长，則定時器每計一個脈沖的時間為T＝12/f。又令計數(shù)器的起點為x兴泥，則溢出一次要計的脈沖數(shù)為（256－x）工育。所以在計數(shù)起點為x時，溢出一次的時間為t＝12/f*（256－x）搓彻。則對應的溢出率為1/t＝f/（12*（256－x））如绸。對應的波特率就為b＝f/（384*（256－x））嘱朽。
x＝256－f/(384*b)
其中f為晶振頻率，b為希望的波特率怔接，x為定時器的計數(shù)起點TH1的值搪泳。
例如當晶振為11.0592M，希望波特率為9600bit/s扼脐，則TH1＝253岸军。題外話，我們同樣可以演算出在其他常用波特率情況下瓦侮，TH1始終為一個整數(shù)艰赞。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序更加準確肚吏，雖然犧牲了定時器的準確度方妖。
實驗二，片外串口發(fā)送一個字節(jié)罚攀。
好了現(xiàn)在開始我們的實驗之旅党觅。直接看代碼吧。
#include?"reg51.h"
#define?u16?unsigned?int
#define?u8?unsigned?char
voiddelay(u16?x)
{
while(x--);
}
voidUart_Init()//串口初始化
{
SCON=0x50;//8位異步模式
TMOD|=0x20;//定時器1工作方式2
TH1=253;//9600bit/s
TR1=1;
}
voidSend_Byte(u8?dat)
{
SBUF=dat;//啟動發(fā)送斋泄，只需要把發(fā)送內(nèi)容給SBUF這個寄存器
while(TI==0);//等待發(fā)送完成仔役，因為TI為1時表示在發(fā)送停止位
TI=0;
}
voidmain()
{
Uart_Init();
while(1)
{
Send_Byte('m');
delay(60000);
}
}
實驗二較之實驗一，代碼減少了很多是己，而且不用考慮繁瑣的位發(fā)送時序。只需要明白各個寄存器SCON任柜，TMOD卒废，TCON，SBUF的用法宙地。TI是SCON中的第一位摔认，為發(fā)送中斷請求標志位。在本方式中宅粥，在停止位開始發(fā)送時由內(nèi)部硬件置位参袱，響應中斷后TI必須又軟件清零。
實驗三秽梅、片上串口發(fā)送一個字符串
上面介紹了如何發(fā)送一個字節(jié)抹蚀，那如何發(fā)送一個字符串甚至文本呢？這里我們首先介紹下字符串的概念企垦。
字符串：從存儲器的某個地址開始环壤，連續(xù)存放多個字符的ASCII碼，并且在最后一個字符的后面存放一個0钞诡，這段連續(xù)的內(nèi)存空間就叫字符串郑现，最后的0叫字符串的結(jié)束符湃崩。注意這里的0和加單引號的0不是一個概念，加單引號的0是指0的ASCII碼接箫。
數(shù)組與字符串的關(guān)系：字符串是數(shù)組的一種特殊情況攒读，數(shù)組在特定條件下可當做字符串用。C語言用雙引號描述一個字符串辛友，如“abcd”薄扁。
下面我們通過一個實驗來展示如何發(fā)送字符串。我們實驗的目標是打印字符串“Hello World ! 第一!”到打印機瞎领。直接上代碼泌辫。
#include?"reg51.h"
#define?u16?unsigned?int
#define?u8?unsigned?char
voiddelay(u16?x)
{
while(x--);
}
voidUart_Init()//串口初始化
{
SCON=0x50;//8位異步模式
TMOD|=0x20;//定時器1工作方式2
TH1=253;//9600bit/s
TR1=1;
}
voidSend_Byte(u8?dat)//串口發(fā)送一個字節(jié)
{
SBUF=dat;//啟動發(fā)送，只需要把發(fā)送內(nèi)容給SBUF這個寄存器
while(TI==0);//等待發(fā)送完成九默，因為TI為1時表示在發(fā)送停止位
TI=0;
}
voidSend_String(u8?*str)//發(fā)送一個字符串??*str為字符串第一個字符的地址
{
abc://標號
if(*str?!=?0)
{
Send_Byte(*str);
str++;
gotoabc;
}
}
voidmain()
{
Uart_Init();
while(1)
{
Send_String("Hello?World!?第一震放！");
Send_Byte(10);
delay(60000);
delay(60000);
}
}
實驗效果
