硬核干货/单片机C语言之串口通信协议

现实生活中， 我们总是要与人打交道，互通有无。和我们一样，单片机也需要跟各种设备做交互。例如汽车的显示仪表需要知道汽车的转速及电动机的运行参数，那么显示仪表就需要从汽车的底层控制器取得数据。而这个数据的获得过程就是一个通信过程。类似的例子还有控制器通常是单片机或者PLC与变频器的通信。通信的双方需要遵守一套既定的规则也称为协议，这就好比我们人之间的对话，需要在双方都遵守一套语言语法规则的基础上才有可能达成对话。

通信协议又分为硬件层协议和软件层协议。硬件层协议主要规范了物理上的连线，传输电平信号及传输的秩序等硬件性质的内容。常用的硬件协议有串口，IIC， SPI， RS485， CAN和 USB。软件层协议则更侧重上层应用的规范，比如modbus协议。

51单片机的串口通信协议

下面我们就着重介绍51单片机的串口通信协议，以下简称串口。串口的6个特征如下。

（1）、物理上的连线至少3根，分别是Tx数据发送线，Rx数据接收线，GND共用地线。

（2）、0与1的约定。RS232电平，约定﹣5V至﹣25V之间的电压信号为1，﹢5V至﹢25V之间的电压信号为0 。TTL电平，约定5V的电压信号为1，0V电压信号为0 。CMOS电平，约定3.3V的电压信号为1，0V电压信号为0 。其中，CMOS电平一般用于ARM芯片中。

（3）、发送秩序。低位先发。

（4）、波特率。收发双方共同约定的一个数据位（0或1）在数据传输线上维持的时间。也可理解为每秒可以传输的位数。常用的波特率有300bit/s, 600bit/s, 2400bit/s, 4800bit/s, 9600bit/s。

（5）、通信的起始信号。发送方在没有发送数据时，应该将Tx置1 。当需发送时，先将Tx置0，并且保持1位的时间。接受方不断地侦测Rx，如果发现Rx常时间变高后，突然被拉低（置为0），则视为发送方将要发送数据，迅速启动自己的定时器，从而保证了收发双方定时器同步定时。

（6）、停止信号。发送方发送完最后一个有效位时，必须再将Tx保持1位的时间，即为停止位。

理论暂时就先到这里，现在我们做一个实验，将一个字节从51单片机发送到电脑串口调试助手上。这个实验的目的是为了掌握串口通信协议的收发过程。

虚拟串口试验

实验一、虚拟串口实验

一般单片机都有专门的串口引脚，51里面分别是P3.0和P3.1，这些引脚拥有串口的硬件电路，因此使用它们并不需要设置信号的发送停止。为了掌握协议，我们使用其他的引脚来模拟串口，所以也叫虚拟串口。这里我们选用P1.0，然而注意到我们51单片机要发送数据给电脑，必须经过一个串口转USB设备（即TTL电平转换为RS232电平），而限于我们的开发板只有P3.0与P3.1连接到了串口转USB设备，所以我们可以将P1.0短接到P3.1 。下图是这个串口转USB的原理图。

好了直接上代码吧。

实验引入了定时器0来控制发送线上的各个位的保持时间。首先main函数进入，TX置1则使发送线处于空闲，这时候发送方和接受方都处于空闲。接下来初始化定时器0，TR0置0表示还不要启动定时器0。接着中断系统初始化，此时中断系统已经开启。进入while循环，先进Send_Byte()函数，将65传给形参dat，dat再将65赋值给sbuf，到这里准备工作就做好了。接着TX置0，这个是起始位，要保持这个起始位104us。于是就启动定时器TR0置1，计时器开始计数。当第一次溢出的时候，也就是过了104us，进入中断，同时接收方也侦测到了这个突然被拉低的信号，于是迅速启动自己的定时器。进入中断子函数后，先是重装定时器初值，然后i加1，也就是当i＝1时，就应该发送数据的最低位了，总共有8位数据，所以使用条件语句if(i>=1 && i

片上串口试验

以上说的是虚拟串口，上文中谈到与串口相关的引脚P3.0与P3.1，事实上51单片机自带片上串口，那这个串口又该怎么使用呢？

片上串口支持同步模式与异步模式。简单来说同步模式就是指有时钟线，而异步模式无时钟线。这里的时钟线是指在同步通信时，用一根线专门传输时钟信号，这个信号用来与要发送的每一位保持同步，这样就避免了例如异步通信中因为采用定时器而引入的时间误差。

片上串口还支持8位模式和9位模式。如下图所示

其中D0-D7是一个字节的8个位。9位模式只是多了一个位TB8，这个TB8的作用是奇偶校验或多机通信。奇偶校验原理这不加分析。多机通信时比如主机只发送数据给网络中的一台地址为0x02的设备，这时候先让TB8为1，前面的D0-D7则为地址即0x02，之后再让TB8为0，前面的D0-D7则为数据了。

上面设置了片上串口的模式，另外还要设置串口的波特率。

片上串口的波特率等于定时器1工作在方式2时溢出率的32分频。如果要定时器1工作在方式2，那么TMOD＝0x20。另外要保证为32分频，我们还必须设置计数器初值。设晶振为11.0592Mhz，则定时器的计数脉冲为F＝f/12，则定时器每计一个脉冲的时间为T＝12/f。又令计数器的起点为x，则溢出一次要计的脉冲数为（256－x）。所以在计数起点为x时，溢出一次的时间为t＝12/f*（256－x）。则对应的溢出率为1/t＝f/（12*（256－x））。对应的波特率就为b＝f/（384*（256－x））。

x＝256－f/(384*b)

其中f为晶振频率，b为希望的波特率，x为定时器的计数起点TH1的值。

例如当晶振为11.0592M，希望波特率为9600bit/s，则TH1＝253。题外话，我们同样可以演算出在其他常用波特率情况下，TH1始终为一个整数。这里也就解释了为什么51里面选用了11.0592M的晶振而不是12M，这样就保证了串口的时序更加准确，虽然牺牲了定时器的准确度。

片外串口发送一个字节

实验二，片外串口发送一个字节。

好了现在开始我们的实验之旅。直接看代码吧。

实验二较之实验一，代码减少了很多，而且不用考虑繁琐的位发送时序。只需要明白各个寄存器SCON，TMOD，TCON，SBUF的用法。TI是SCON中的第一位，为发送中断请求标志位。在本方式中，在停止位开始发送时由内部硬件置位，响应中断后TI必须又软件清零。

片上串口发送一个字符串

实验三、片上串口发送一个字符串

上面介绍了如何发送一个字节，那如何发送一个字符串甚至文本呢？这里我们首先介绍下字符串的概念。

字符串：从存储器的某个地址开始，连续存放多个字符的ASCII码，并且在最后一个字符的后面存放一个0，这段连续的内存空间就叫字符串，最后的0叫字符串的结束符。注意这里的0和加单引号的0不是一个概念，加单引号的0是指0的ASCII码。

数组与字符串的关系：字符串是数组的一种特殊情况，数组在特定条件下可当做字符串用。C语言用双引号描述一个字符串，如“abcd”。

下面我们通过一个实验来展示如何发送字符串。我们实验的目标是打印字符串“Hello World ! 第一!”到打印机。直接上代码。

实验结果展示

实验效果