51单片机——串口通信（重点）

1、通信

通信的方式可以分为多种，按照数据传送方式可分为串行通信和并行通信；

按照通信的数据同步方式，可分为异步通信和同步通信；

按照数据的传输方向又可分为单工、半双工和全双工通信

1.1 通信速率

        衡量通信性能的一个非常重要的参数就是通信速率，通常以比特率(Bitrate)来表示。比特率是每秒钟传输二进制代码的位数，单位是：位／秒（ bps）

如：每秒钟传送 240 个字符，而每个字符格式包含10位(1个起始位、1个停止位、8个数据位)，这时的比特率为：10位×240个/秒=2400bps

        波特率表示每秒钟传输了多少个码元。而码元是通信信号调制的概念，通信中常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的信号称为码元。

如：常见的通信传输中，用0V表示数字0，5V 表示数字1，那么一个码元可以表示两种状态0和1，所以一个码元等于一个二进制比特位，此时波特率的大小与比特率一致；如果在通信传输中，有0V、2V、4V以及6V分别表示二进制数00、01、10、11，那么每个码元可以表示四种状态，即两个二进制比特位，所以码元数是二进制比特位数的一半，这个时候的波特率为比特率的一半

由于很多常见的通信中一个码元都是表示两种状态，所以我们常常直接以波特率来表示比特率

1.2 串口通信简介

        串口通信(Serial Communication)，是指外设和计算机间通过数据信号线、地线等按位进行传输数据的一种通信方式，属于串行通信方式。串口是一种接口标准，它规定了接口的电气标准，没有规定接口插件电缆以及使用的协议

        串口通信中通常使用的是异步串口通信，即没有时钟线，所以两个设备要通信，必须要保持一致的波特率

1.3 串口内部结构

（1）51单片机均有的5个中断来介绍，其内部结构框图如下所示： 

        RXD和TXD对应的是P3.0和P3.1口的附加功能，RI(SCON.0)或TI(SCON.1)，串行口中断请求标志。当串行口接收完一帧串行数据时置位RI或当串行口发送完一帧串行数据时置位TI，向CPU申请中断，中断号为4

 （2）串口内部结构图如下所示：

        右边的TXD和RXD为单片机IO口，TXD对应的是P3.1管脚，RXD对应的是P3.0管脚

串口内部结构中有TH1和TL1，所以需要定时器T1

2、串口相关寄存器

2.1 串口控制寄存器 SCON

（1）SM0和SM1为工作方式选择位

（2）SM2：多机通信控制位，主要用于方式2和方式3

        当SM2=1时可以利用收到的RB8来控制是否激活RI（RB8＝0时不激活RI，收到的信息丢弃；RB8＝1时收到的数据进入SBUF，并激活RI，进而在中断服务中将数据从SBUF读走）

        当SM2=0时，不论收到的RB8为0和1，均可以使收到的数据进入SBUF，并激活RI（即此时RB8不具有控制RI激活的功能）。通过控制SM2，可以实现多机通信。

（3）REN：允许串行接收位。

        由软件置REN=1，则启动串行口接收数据；

        若软件置REN=0，则禁止接收。

（4）TB8：在方式2或方式3中，是发送数据的第9位，可以用软件规定其作用。可以用作数据的奇偶校验位，或在多机通信中，作为地址帧/数据帧的标志位。 在方式0和方式1中，该位未用到。

（5）RB8：在方式2或方式3中，是接收到数据的第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。

（6）TI：发送中断标志位。在方式0时，当串行发送第8位数据结束时，或在其它方式，串行发送停止位的开始时，由内部硬件使TI置1，向CPU发中断申请。在中断服务程序中，必须用软件将其清0，取消此中断申请。

（7）RI：接收中断标志位。在方式0时，当串行接收第8位数据结束时，或在其它方式，串行接收停止位的中间时，由内部硬件使RI置1，向CPU发中断申请。也必须在中断服务程序中，用软件将其清0，取消此中断申请 

2.2 电源控制寄存器 PCON

 

SMOD：波特率倍增位。在串口方式1、方式2、方式3时，波特率与SMOD有关，当SMOD=1时，波特率提高一倍。复位时，SMOD=0

3、计算波特率

波特率的计算公式：

        方式0的波特率=fosc/12

        方式1的波特率=（(2^SMOD)/32）*（T1溢出率）

        方式2的波特率=（(2^SMOD)/64）*fosc

        方式3的波特率=（(2^SMOD)/32）*（T1溢出率）

其中T1溢出率=fosc/{12×[256-（TH1）]}

一般借助51波特率初值计算软件得到一个波特率初值

为什么要计算一个初值？

        在串口通信中，通过波特率软件计算出一个初值，通常是为了配置定时器1所需的波特率

        这个初值对于确保数据的正确传输至关重要，因为它直接影响到定时器的溢出率，进而决定了串口通信的波特率

        初值的作用有：确定波特率、同步数据传输、避免数据丢失或错误

4、串口初始化步骤

①确定T1的工作方式（TMOD寄存器）

②确定串口工作方式（SCON寄存器）

③计算T1的初值（设定波特率），装载TH1、TL1

④启动T1（TCON中的TR1位）

⑤如果使用中断，需开启串口中断控制位（IE寄存器）

eg：设置串口为工作方式1、波特率为9600、波特率加倍、使用中断

void uart_init(u16 baud){  //baud：初值，由波特率计算工具得到
    TMOD|=0X20;  //定时器1的工作方式为2            定时器
    SCON=0x50;  //SCON寄存器的工作方式为1     串口
    PCON=0x80;  //PCON寄存器，波特率加倍       串口
    TH1=baud;  //定时计数器1的初值配置               定时器
    TL1=baud;                                                          定时器
    EA=1;  //打开总中断开关                                    串口                                  
    ES=1;  //打开接收中断                                        串口
    TR1=1;  //打开计算器                                          定时器（寄存器 TCON）
}

        在主函数中调用该函数并传入0XFA值即可，如下： 

uart_init(0xfa);  //定时器1的工作方式为2；晶振频率：11.0592；波特率：9600；SMOD：1 

5、软件设计

要实现的功能是：当串口助手发送数据给单片机，单片机原封不动转发给串口助手显示

#include "reg51.h"
typedef unsigned int u16;
typedef unsigned char u8;
//串口初始化
void uart_init(u16 baud){  //baud：初值，由波特率计算工具得到
    TMOD|=0X20;  //定时器1的工作方式为2
    SCON=0x50;  //SCON寄存器的工作方式为1
    PCON=0x80;  //PCON寄存器，波特率加倍
    TH1=baud;  //定时计数器1的初值配置
    TL1=baud; 
    EA=1;  //打开总中断开关
    ES=1;  //打开接收中断
    TR1=1;  //打开计算器
}
void main(){
    uart_init(0xfa);  //定时器1的工作方式为2；晶振频率：11.0592；波特率：9600；SMOD：1
    while(1){
        
    }
}
void uart() interrupt 4{
    u16 rec_data=0;  //接收数据变量
    RI=0;  //手动置0，清除接收中断的标志位
    rec_data=SBUF;  //SBUF接收完数据
    SBUF=rec_data;  //将总线上的数据再写入SBUF
    while(!TI);  //系统自动置1
    TI=0;  //手动置0
}

结果如下图所示：