小白向单片机笔记八：串口通信

前言
一、前置知识了解
二、51单片机寄存器
- 1. 串口控制寄存器SCON
- 2. 电源控制寄存器PCON
三、工作方式选择
- 方式0
- - 输出时序图
  - 输入时序图
- 方式1
- - 输出时序图
  - 输入时序图
- 方式2、3
- - 输出时序图
  - 输入时序图
四、串口通信代码
- 时延函数 delay.h
- 中断初始化函数 interrupt_utils.h
- 串口初始化及相关功能函数 uart_init.h
- 矩阵按键扫描函数 scan_button.h
- 主函数

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：

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。
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

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。
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

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

通信速率

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
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=6002400/4=6002400/4=600

二、51单片机寄存器

1. 串口控制寄存器SCON

位	7	6	5	4	3	2	1	0
字节地址：98H	SM0	SM1	SM2	REN	TB8	RB8	TI	RI	SCON

REN： 允许串行接收位。 REN=1REN=1REN=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=0SM2=0SM2=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=1SM2=1SM2=1时，启用多机通信；接收的第九位数据赋值给RB8，当RB8=0RB8=0RB8=0，不激活RI(即RI=0RI=0RI=0)，收到的数据丢弃；当RB8=1RB8=1RB8=1，激活RI(即RIRIRI硬件置1),产生中断从SBUF中读取数据。当SM2=0SM2=0SM2=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

SM0	SM1	方式	说明	波特率
0	0	0	移位寄存器	fosc/12f_{osc}/12fosc/12
0	1	1	10位异步收发器（8位数据）	可变
1	0	2	11位一步收发器（9位数据）	fosc/64f_{osc}/64fosc/64或fosc/32f_{osc}/32fosc/32
1	1	3	11位异步收发器（9位数据）	可变

foscf_{osc}fosc为外部晶振频率

2. 电源控制寄存器PCON

位	7	6	5	4	3	2	1	0
字节地址：97H	SMOD							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=1SMOD=1SMOD=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

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，但两段内存对外都命名为SBUF，因此对发送数据和接收数据的处理只需对SBUF处理即可。
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。
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位起始位，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：

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。
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();
}

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输入时序图

方式1

输出时序图

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方式2、3

输出时序图

输入时序图

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中断初始化函数 interrupt_utils.h

串口初始化及相关功能函数 uart_init.h

矩阵按键扫描函数 scan_button.h

主函数

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