串行口通信

一、并行与串行通信1、并行通信2、串行通信3、并行通信和串行通信优缺点1）并行通信2）串行通信4、异步串行通信、同步串行通信1）异步串行通信2）异步串行通信的俩个指标——字符帧格式、波特率3）异步串行通信的常用总线类型4）异步串行通信的特点5）同步串行通信6）串行通信的奇偶校验二、MAX232实现RS232电平与TTL电平转换（板子嵌用）三、波特率与定时器初值1、波特率2、波特率计算3、溢出率、波特率、定时器综合分析4、定时器工作方式选择——工作方式2四、电源管理寄存器PCON与串行口控制寄存器SCON1、电源管理寄存器PCON（Power Control）2、串行口控制寄存器SCON（Serial Control）五、串行口方式1+面向编程1、收、发时序图2、实现流程六、经典例题

一、并行与串行通信

1、并行通信

将数据每一字节的各位用多条数据线同时进行传送。每个字节8位，由8条数据线同时传送一位，同一时间总共传送1个字节。除了8条数据线外，还有一条信号线和若干控制线。

由于发送设备和接收设备之间需要的接线较多，采用长途信号传送使得成本激增，所以并行通信一般用于短途通信。

2、串行通信

将数据的一个字节分成8位，一位一位的在一条传输线上传送，数据线只需要一条即可，此外还需一条公共信号地线和若干控制信号线。由于只需要一条数据线，在长途通信中成本不会很高，并且可以利用电话网等现有的设备。

3、并行通信和串行通信优缺点

1）并行通信

优点：控制简单，相对传输速度快

缺点：长距离传输时成本高，一个字节的8位同时发送和接收存在困难，较串行通信抗干扰能力弱

2）串行通信

优点：传输线少，长距离传输成本低，可利用现有设备进行传输，较并行通信抗干扰能力强

缺点：控制比较复杂，较并行通信控制更复杂

4、异步串行通信、同步串行通信

1）异步串行通信

通信的接收方、发送方使用各自的时钟控制数据的接收和发送。（为使双方收发协调，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致）

2）异步串行通信的俩个指标——字符帧格式、波特率

异步串行通信中数据通常以字符或者字节为单位组成字符帧传送。字符帧在发送设备逐帧发送，接收设备逐帧接收。发送端和接收端由各自的时钟控制，俩个时钟互不影响、彼此独立。

字符与字符之间的间隔是任意的。任一字符内部的每一位之间的间隔是固定的。

波特率之后着重讲解

3）异步串行通信的常用总线类型

①RS-232

通常 RS-232 接口以9个引脚(DB-9) 或是25个引脚 (DB-25) 的型态出现

S232接口电平值较高，其任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”为-3V ~ -15V；逻辑“0”为+3V ~ +15V

RS232与TTL电平不兼容，故需要使用电平转换器才能让RS232与TTL电路连接。如MAX232把TTL电平从0V和5V转换到3V~15V或-3V ~ -15V

RS232传输距离较短，若距离过长，会导致信号失真、抗干扰能力较差。

②RS-485

在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。

RS-485采用半双工工作方式,所以收、发双方不能同时进行收和发，同一时间只有一方在发送、另一方在接收。

USB转RS485：

③USB（通用串行总线）

4）异步串行通信的特点

不要求收发双方时钟严格一致，实现容易，设备开销小，但每个字符需要附加2~3位用于起始位、校验位、停止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。

单片机与单片机、单片机与计算机之间的通信，都为异步串行通信方式

5）同步串行通信

要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使双方达到完全同步。此时，传输数据的位之间的距离均为“位间距”的整数倍，同时传送的字符间不留间隙即保持字符同步关系。

同步分为外同步和自同步。

外同步：

自同步：

6）串行通信的奇偶校验

发送数据时，在数据位后面尾随的一位是奇偶校验位。

奇校验时，数据中的1的个数+奇偶校验位中1的个数=奇数，若不为奇数，说明数据传输中出现错误。

偶校验时，数据中的1的个数+奇偶校验位中1的个数=偶数，若不为偶数，说明数据传输中出现错误

还想进一步了解的朋友可以去参考《通信原理》的【差错控制编码】——>【奇偶监督码】和【二维奇偶监督码】

二、MAX232实现RS232电平与TTL电平转换（板子嵌用）

中文参考手册：

单片机原理图：

图一可知：T1in与T2in为TTL电平输入，T1out、T2out为RS232输出。R1in与R2in为RS232电平输入，R1out与R2out为TTL电平输出。

所以MAX232可以将TTL电平转为RS232电平，也可以将RS232电平转为TTL电平

图二可知，单片机芯片P30接单片机R1out，为MAX232芯片的TTL电平输出引脚，单片机P31接T1in，为MAX芯片的TTL电平输入引脚。

信号流程：

单片机通过P31引脚发送信号，到MAX232的T1in引脚，经过转为，变为RS232电平，传输到其他设备，完成信号传送。

其他设备传送的信号，送入MAX232，进过转换，从R1out输出TTL电平，进入单片机P30引脚，单片机接收到其他设备的信号。

所以单片机P30是信号接收引脚，P31是信号发送引脚。

打开8051芯片，发现P30的确是接收引脚，P31的确是发送引脚。

再看MAX232的单片机原理图（上图二）：

注：J1是焊接在板子上的接口，我的板子是公口，外插母口进行信号传送

J1的2引脚接R1in，为RS232电平的输入引脚，所以外接的母口的对应2引脚为其他设备的信号输出端。（指另一端设备备接口转换器的输出端）

J1的3引脚接T1out，为RS232电平的输出，所以J1的3引脚接外接母口的对应3引脚，接其他设备的输人端。（指另一端设备备接口转换器的输入端）

总结：

.

发送：单片机P31引脚——>MAX232的T1in引脚——>经转换在MAX232的T1out引脚输出——>J1公口的3引脚——>外插母口的3引脚——>其他设备的接口转换器输入端（若接口也为MAX232，则接R1in或R2in）

接收：其他设备的接口转换器输出端（若接口也为MAX232，则为T1out或T2out）——>外接母口引脚2——>本单片机J1的2引脚——>MAX232的R1in——>经转换后MAX232的R1out输出——>单片机P30引脚

三、波特率与定时器初值

之前总结异步串行通信的俩个指标——字符帧格式与波特率时，未对波特率进行总结，现总结波特率以及与定时器初值的关系

1、波特率

单片机或计算机在串口通信时的速率用波特率表示,它表示每秒传输二进制代码的位数，即1波特=X位/秒，单位是bps（位/秒）。如当异步串行传输包含1个起始位、1个停止位、8位数据位，每秒传输200个字符，则此时的波特率为10×200=2000bps。

《通信原理》中将传信率（又称比特率）Rb，表示传输的信息速率，单位是比特/秒，b/s或bps。传码率RB表示码元传输速率，单位为波特（Baud），简记B，有兴趣的朋友可以去了解一下。

2、波特率计算

在串行通信中，收发双方的波特率需要约定使用同一波特率。通过编程可对单片机串行口设定工作方式，从而指定波特率。

四种工作方式的波特率：

①方式0：fosc/12

②方式1：（2SMOD/32）×（T1溢出率）

③方式2：（2SMOD/64）×fosc

④方式3：（2SMOD/32）×（T1溢出率）

可以看出只有方式1的波特率是固定的

上述式子中，fosc为系统时钟频率，一般为12MHZ或者11.0592MHZ（我的板子是11.0592MHZ）。SMOD是电源管理寄存器PCON的最高位（接下来总结）

T1溢出率即定时器T1溢出的频率，即1s溢出多少次，如之前总结《（四）定时器中断》时，设置为每50ms溢出一次（和寄存器装载的初值有关系），则1s溢出20次，溢出率为20HZ。

方式0的波特率为系统晶振的12分频，之前总结的+1计数器的时钟来源之一就是系统时钟的12分频。

一般情况下，都是用方式1，其他几种方式几乎不会用。

3、溢出率、波特率、定时器综合分析

由上面的工作方式0、1、2、3的波特率计算公式可以得出工作方式1、3与计数器T1的溢出率有关系，由于实际应用中，常见的是工作方式1，现以工作方式1为例来分析。

单片机通信时，一般需要很高的波特率，如常见的9600波特率，可以先选定通信的波特率，然后再求T1溢出率，而1/（T1溢出率）为T1定时器每中断溢出的时间Xms。通过以下公式：

TH1=（65536-X）/256

TL1=（65536-X）%256

可以得出定时器的装载初值。这样，定时器中断的初值、溢出率、波特率都已解决。

51单片机只能通过这种方式规定波特率，不像Arduino、openMV这些单片机，可以在程序中直接指定波特率。

4、定时器工作方式选择——工作方式2

通信的波特率很大——>T1溢出率很大——>定时器1的中断间隔很小——>定时器装载初值很大。因为中断间隔很小，若采用之前的定时器1工作方式1，每次中断都需要软件重新装载初值，执行装载初值语句会浪费一定的时间并且不太稳定，所以定时器的工作方式1在这里不合适。采用定时器的工作方式2，使用8位初值自动装载计数器/定时器，进入中断服务函数后，无需进行任何操作，使定时器溢出速率变得绝对稳定。

使用工作方式2的8位自动重装载计数器/定时器1时，初值的计算公式也发生了变化，以波特率9600为例：（要区分定时器工作方式2和串口工作方式1）

①SMOD=0、12MHZ晶振

串口工作方式1的波特率：9600bps

SMOD=0（波特率不加倍）

T1溢出率=9600×32=307200HZ

中断间隔：1/307200=3255ms≈3.26us（即每3.26us中断一次）

12MHZ晶振的一个机器周期1us（即每计一次数1us）

每计3个数为3us

所以每计三个数中断一次，初值：256-3=253

②SMOD=1、12MHZ晶振

串口工作方式1的波特率：9600bps

SMOD=1（波特率加倍）

T1溢出率=9600×16=153600HZ

中断间隔：1/153600≈6.5us（即每6.5us中断一次）

12MHZ晶振的一个机器周期1us（即每计一次数1us）

每计5个数为5us

所以每计三个数中断一次，初值：256-5=251

12MHZ晶振时有很大误差，毕竟9600波特率是针对11.0592MHZ晶振的

③SMOD=0、11.0592MHZ晶振

串口工作方式1的波特率：9600bps

SMOD=0（波特率不加倍）

T1溢出率=9600×32=307200HZ

中断间隔：1/307200=3255ms≈3.26us（即每3.26us中断一次）

11.0592MHZ晶振的一个机器周期1.085us（即每计一次数1us）

3.26÷1.085=3

所以每计三个数中断一次，初值：256-3=253

④SMOD=1、12MHZ晶振

串口工作方式1的波特率：9600bps

SMOD=1（波特率加倍）

T1溢出率=9600×16=153600HZ

中断间隔：1/153600≈6.5us（即每6.5us中断一次）

11.0592MHZ晶振的一个机器周期1.085us（即每计一次数1us）

6.5÷1.085=6

所以每计三个数中断一次，初值：256-6=250

以上四个计算为了回顾之前博客总结的定时器内容，步骤都分开处理，使得中间公式产生约等于，导致最后结果有一点点误差，若省去中间公式，直接一个合公式导出初值，发现11.0592MHZ晶振时，SMOD=0，定时器初值为253，SMOD=1，定时器初值为250，没有误差。

常见波特率：

串口通信的波特率不能太大，否则会超过定时器的最短溢出时间，比如115200波特率就不能使用11.0592MHZ的晶振的串口通信。也正是为了使波特率为标准通信速率时计数器/定时器初值都为整数，才选用11.0592MHZ的晶振。

四、电源管理寄存器PCON与串行口控制寄存器SCON

1、电源管理寄存器PCON（Power Control）

电源管理寄存器用来管理单片机的电源部分，包括上电复位检测、掉电模式、空闲模式等，单片机复位时PCON全部清0。

电源管理寄存器：

D7——SMOD与波特率有关。SMOD=0：串口方式1、2、3波特率正常；SMOD=1,：串口方式1、2、3波特率加倍。(只需记D7位)

D6——（SMOD0）：与SCON寄存器的SM0有关，为帧错误检测有效控制位，当SMOD0=1，SCON寄存器中的SM0/FE位用于FE（帧错误检测）功能；SMOD0=0，SCON寄存器中的SM0/FE位用于SM0功能，和SM1一起指定串行口的工作方式。单片机复位时SMOD0=0；

D5——（LVDF）：无效

D4——（POF）：上电复位标志，单片机停电后，上电复位标志为1，可由软件清零。

察看STC89C52技术手册（了解即可）：

D3——GF1、D2——GF0：俩个通用工作标志位，用户可以自由使用。

D1——PD：掉电模式设定位。PD=0，单片机正常工作；PD=1：单片机进入掉电（Power Down）模式，可由外部中断低电平触发或由下降沿触发或者硬件复位模式唤醒，进入掉电模式后，外部晶振停振，CPU、定时器、串行口全部停止工作，只有外部中断继续工作

D0——IDL：空闲模式设定位，IDL=0：单片机处于正常工作状态；IDL=1：单片机进入空闲（Idle）模式，除CPU不工作外，其余仍继续工作，在空闲模式下可由任一个中断或者硬件复位唤醒。

打开52的头文件：

定义了PCON寄存器

但是PCON寄存器的每一位没有通过sbit进行位定义，所以程序中只能对寄存器操作，而不能操作单独某一位。

若波特率不加倍，SMOD=0，程序：

PCON=0; //00000000

或者不用写上述语句，单片机上电后，PCON每一位都清零，默认SMOD=0。

若波特率加倍，SMOD=1，程序：

PCON=0x80; //10000000

2、串行口控制寄存器SCON（Serial Control）

51单片机的串行口是可编程全双工的通信接口，具有UART（通用异步收发器）的全部功能

51单片机的串行口组成：俩个串行数据缓冲寄存器SBUF（一个发送缓冲寄存器，一个接收缓冲寄存器）、发送控制器、接收控制器、输入移位寄存器及若干控制门电路组成

俩个SUBF数据缓冲寄存器共用一个地址，当执行写指令时，访问发送缓冲寄存器；当执行读指令时访问接收缓冲寄存器。从接收缓冲寄存器中读数据时，前一个字节还没有完全读出，就可以接收下一个字节，若第一个字节还没读出，下一个字节已经接收完毕，则会丢失第一个字节。

D7——SM0：工作方式选择位

D6——SM1：工作方式选择位

SM0、SM1设置串行口工作方式：

D5——SM2多机通信控制位，主要用于方式2、3，暂时不用

D4——REN——运行串行接收位，REN=1：运行串行口接收数据；REN=0：禁止串行口接收数据

D3——TB8：方式2、3中发送数据的第9位（暂时不用）

D2——RB8：方式2、3中接收数据的第9位（暂时不用），在方式1时，若SM2=0则接收数据时，停止位进RB8。

D1——TI：发送中断标志位，在串行工作方式0时，当发送第8位结束时，或在其他方式，串行发送停止位开始时，由内部硬件使TI置1，向CPU发出中断申请。在中断服务程序中，必须用软件将其清0，取消此中断申请。

D0——RI：接收中断标志位，当串行工作方式0时接收第8位数据结束，或在其他方式，串行接收停止位开始时，由内部硬件使RI值1，向CPU发出中断申请，在中断服务程序中，必须用软件将其清0，取消此中断申请。

打开52头文件：

可以看到SCON和SBUF寄存器都已经定义

SCON的每一位都已经定义，可以对每一位单独操作。

五、串行口方式1+面向编程

1、收、发时序图

串行口方式1一帧数据共10位，1位起始位、8位数据位、1位停止位（起始位为0，终止位为1）

方式1数据发送时序图：

当数据写入SBUF后，单片机开始发送数据，起始位（0）、8位数据位、停止位（1）等10位数据依次发送，当发送停止位开始时，由内部硬件使TI置1，向CPU发出中断申请。在中断服务程序中，可以软件将其清0，取消此中断申请，也可以不清零，停止数据输出。

方式1数据接收时序图：

首先需要串口接收允许，即REN=1（软件置1），当检测到RXD的电平发生负跳变，表示起始位已经开始，将其移入输入移位寄存器，并开始接收一帧的其他位（8位数据位、1位停止位），当接收到停止位时，将刚刚接收到的9位数据的前8位（即8位数据位）送入接收SBUF中，第9位（即停止位）进RB8（前提是SCON寄存器的SM2=0，之前总结过），并且RI=1，向CPU请求中断。

2、实现流程

①确定定时器T1的工作方式（TMOD寄存器）

T1计数器，所以低4位为0，高四位中，GATE=0，表示定时器开、关只收TR1控制；C/T=0，表示定时器；M1M0=10，表示工作方式2,8位自动重装载寄存器

所以程序：

TMOD=0x20;

②计算T1计数器的初值，转载TH1、TL1；

前面第三部分总结过9600波特率时初值的方法，其他波特率计算方法相似。得出11.0592MHZ晶振波特率为9600，SMOD=0时初值为253，SMOD=1时初值为250。

253——>11111101B——>0xfd

250——>11111010B——>0xfa

因为是八位寄存器，所以TH1和TL1只用到一个（不清楚用到哪个寄存器），TH1与TL1赋同样值就好了

TH1=0xfd; //9600波特率 11.0592MHZTL1=0xfd;

这里不妨算一下串口通信的最大波特率，即当+1计数器每+1就中断，根据第三部分的计算方法：

当SMOD=0时

11059200/（X×32×12）=1，解之得：X=28800bps

当SMOD=1时

11059200/（X×16×12）=1，解之得：X=57600bps

通过上述方法，可以得出可用的波特率（51全部可用波特率【全】）如下程序：

/* //11.0592MHZ晶振下//C51通用波特率配置定时器初值和PCON寄存器TH1=0xff; //SMOD=0 28800bpsTL1=0xff; //SMOD=1 57600bpsTH1=0xfe; //SMOD=0 14400bpsTL1=0xfe; //SMOD=1 28800bpsTH1=0xfd; //SMOD=0 9600bpsTL1=0xfd;//SMOD=1 19200bpsTH1=0xfa;//SMOD=0 4800bpsTL1=0xfa;//SMOD=1 9600bpsTH1=0xf4;//SMOD=0 2400bpsTL1=0xf4;//SMOD=1 4800bpsTH1=0xe8;//SMOD=0 1200bpsTL1=0xe8;//SMOD=1 2400bps*/

③启动T1计数器（TCON的TR1软件置1）

当然启动T1之前需要打开全局中断允许位，即EA

=1;打开串口中断允许位，即ES=1；

EA=1//打开全局中断允许ES=1;//打开串口中断允许位TR1=1;//打开定时器1

④确定串行口工作方式（SCON寄存器）

一般为工作方式1，即SM0=0；SM1=1；

⑤中断设置（发生中断后，需要处理什么？）

六、经典例题

例1：

在上位机（上位机为电脑端，下位机为单片机）上用串口调试助手发送一个字符X，单片机收到后返回上位机“I get X”，串口波特率为9600bps

分析：

①确定T1计数器工作方式

TMOD=0x20;//工作方式2

②确定T1的初值

TH1=0xfd;//SMOD=0TL1=0xfd;

③T1中断器配置

EA=1;//打开全局中断允许ES=1;//打开定时器1中断允许TR1=1;//启动定时器

④确定串口工作方式

SM0=0;SM1=1;//工作方式1REN=1;//允许串行口接收数据

完整程序：

#include <reg52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar flag,a,i;uchar code table[]="I get ";void main(){TMOD=0x20;//工作方式2TH1=0xfd;//SMOD=0TL1=0xfd;EA=1;//打开全局中断允许ES=1;//打开串口中断允许位TR1=1;//启动定时器SM0=0;SM1=1;//工作方式1REN=1;//允许串行口接收数据while(1){if(flag==1)//表示接收缓冲区有数据{ES=0;//关闭串口中断，防止下次中断打断这次传送for(i=0;i<6;i++)//table数组里的字符串末尾还有一个空格{SBUF=table[i];//单片机发送消息while(!TI);//等待传送完成TI=0;//一位一位的传送，分6次传送，每次传送完成T1都需软件置0}SBUF=a;while(!TI);//等待传送完成TI=0;ES=1;flag=0;}}}//注意是全双工，即同时收发，只要数据写入SBUF，单片机就开始传送数据void serial() interrupt 4//串行口中断，无论接收到数据还是发生数据，都调用{RI=0;//接收数据完毕后发生中断，此时RI硬件置1，需在服务函数中软件置0a=SBUF;flag=1;//标志接收缓冲寄存器接收到一帧的数据}

打开单片机的供电电路，发现单片机的引脚TXD与RXD即P31与P30接了USB接口，所以直接使用下载/供电的USB接口即可传送信号。当然也可以使用板子上的RS232接口，不过需要一个RS232转USB接电脑的USB接口。

下载完程序后，打开串口助手

输入任何字符：