单片机UART串口通信解析

出处:面包板 发布于:2020-03-03 15:07:06

  对于单片机来说,通信则与传感器、存储芯片、外围控制芯片等技术紧密结合,成为整个单片机系统的“神经中枢”。没有通信,单片机所实现的功能仅仅局限于单片机本身,就无法通过其它设备获得有用信息,也无法将自己产生的信息告诉其它设备。如果单片机通信没处理好的话,它和外围器件的合作程度就受到限制,最终整个系统也无法完成强大的功能,由此可见单片机通信技术的重要性。UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,即通用异步收发器)串行通信是单片机最常用的一种通信技术,通常用于单片机和电脑之间以及单片机和单片机之间的通信。
  通信按照基本类型可以分为并行通信和串行通信。并行通信时数据的各个位同时传送,可以实现字节为单位通信,但是通信线多占用资源多,成本高。比如我们前边用到的 P0 = 0xFE;一次给 P0 的 8 个 IO 口分别赋值,同时进行信号输出,类似于有 8 个车道同时可以过去 8 辆车一样,这种形式就是并行的,我们习惯上还称 P0、P1、P2 和 P3 为 51 单片机的 4 组并行总线。
  而串行通信,就如同一条车道,一次只能一辆车过去,如果一个 0xFE 这样一个字节的数据要传输过去的话,假如低位在前高位在后的话,那发送方式就是 0-1-1-1-1-1-1-1-1,一位一位的发送出去的,要发送 8 次才能发送完一个字节。
  STC89C52 有两个引脚是专门用来做 UART 串行通信的,一个是 P3.0 一个是 P3.1,它们还分别有另外的名字叫做 RXD 和 TXD,由它们组成的通信接口就叫做串行接口,简称串口。用两个单片机进行 UART 串口通信,基本的演示图如图 11-1 所示。


  图 11-1  单片机之间 UART 通信示意图
  图中,GND 表示单片机系统电源的参考地,TXD 是串行发送引脚,RXD 是串行接收引脚。两个单片机之间要通信,首先电源基准得一样,所以我们要把两个单片机的 GND 相互连接起来,然后单片机 1 的 TXD 引脚接到单片机 2 的 RXD 引脚上,即此路为单片机 1 发送而单片机 2 接收的通道,单片机 1 的 RXD 引脚接到单片机 2 的 TXD 引脚上,即此路为单片机 2 发送而单片机 1 接收的通道。这个示意图就体现了两个单片机相互收发信息的过程。
  当单片机 1 想给单片机 2 发送数据时,比如发送一个 0xE4 这个数据,用二进制形式表示就是 0b11100100,在 UART 通信过程中,是低位先发,高位后发的原则,那么就让 TXD首先拉低电平,持续一段时间,发送一位 0,然后继续拉低,再持续一段时间,又发送了一位 0,然后拉高电平,持续一段时间,发了一位 1??一直到把 8 位二进制数字 0b11100100全部发送完毕。这里就涉及到了一个问题,就是持续的这“一段时间”到底是多久?由此便引入了通信中的一个重要概念——波特率,也叫做比特率。
  波特率就是发送二进制数据位的速率,习惯上用 baud 表示,即我们发送一位二进制数据的持续时间=1/baud。在通信之前,单片机 1 和单片机 2 首先都要明确的约定好它们之间的通信波特率,必须保持一致,收发双方才能正常实现通信,这一点大家一定要记清楚。
  约定好速度后,我们还要考虑第二个问题,数据什么时候是起始,什么时候是结束呢?
  不管是提前接收还是延迟接收,数据都会接收错误。在 UART 通信的时候,一个字节是 8 位,规定当没有通信信号发生时,通信线路保持高电平,当要发送数据之前,先发一位 0 表示起始位,然后发送 8 位数据位,数据位是先低后高的顺序,数据位发完后再发一位 1 表示停止位。这样本来要发送一个字节的 8 位数据,而实际上我们一共发送了 10 位,多出来的两位其中一位起始位,一位停止位。而接收方呢,原本一直保持的高电平,一旦检测到了一位低电平,那就知道了要开始准备接收数据了,接收到 8 位数据位后,然后检测到停止位,再准备下一个数据的接收。我们图示看一下,如图 11-2 所示。


  图 11-2  串口数据发送示意图
  图 11-2 串口数据发送示意图,实际上是一个时域示意图,就是信号随着时间变化的对应关系。比如在单片机的发送引脚上,左边的是先发生的,右边的是后发生的,数据位的切换时间就是波特率分之一秒,如果能够理解时域的概念,后边很多通信的时序图就很容易理解了。
  RS232通信接口
  在我们的台式电脑上,一般都会有一个 9 针的串行接口,这个串行接口叫做 RS232 接口,它和 UART 通信有关联,但是由于现在笔记本电脑都不带这种 9 针串口了,所以和单片机通信越来越趋向于使用 USB 虚拟的串口,因此这一节的内容作为了解内容,大家知道有这么回事就行了。
  我们先来认识一下这个标准串口,在物理结构上分为 9 针的和 9 孔的,习惯上我们也称之为公头和母头,如图 11-3 所示。


  图 11-3  RS232 通信接口
  RS232 接口一共有 9 个引脚,分别定义是:1、载波检测 DCD;2、接收数据 RXD;3、发送数据 TXD;4、数据终端准备好 DTR;5、信号地线 SG;6、数据准备好 DSR;7、请求发送 RTS;8、清除发送 CTS;9、振铃提示 RI。我们要让这个串口和我们单片机进行通信,我们只需要关心其中的 2 脚 RXD、3 脚 TXD 和 5 脚 GND 即可。
  虽然这三个引脚的名字和我们单片机上的串口名字一样,但是却不能直接和单片机对连通信,这是为什么呢?随着我们了解的内容越来越多,我们得慢慢知道,不是所有的电路都是 5V 代表高电平而 0V 代表低电平的。对于 RS232 标准来说,它是个反逻辑,也叫做负逻辑。为何叫负逻辑?它的 TXD 和 RXD 的电压,-3V~-15V 电压代表是 1,+3~+15V 电压代表是 0。低电平代表的是 1,而高电平代表的是 0,所以称之为负逻辑。因此电脑的 9 针 RS232串口是不能和单片机直接连接的,需要用一个电平转换芯片 MAX232 来完成,如图 11-4 所示。


  图 11-4  MAX232 转接图
  这个芯片就可以实现把标准 RS232 串口电平转换成我们单片机能够识别和承受的 UART 0V/5V 电平。从这里大家似乎慢慢有点明白了,其实 RS232 串口和 UART 串口,它们的协议类型是一样的,只是电平标准不同而已,而 MAX232 这个芯片起到的就是中间人的作用,它把 UART 电平转换成 RS232 电平,也把 RS232 电平转换成 UART 电平,从而实现标准 RS232接口和单片机 UART 之间的通信连接。
  USB转串口通信
  随着技术的发展,工业上还有 RS232 串口通信的大量使用,但是商业技术的应用上,已经慢慢的使用 USB 转 UART 技术取代了 RS232 串口,绝大多数笔记本电脑已经没有串口这个东西了,那我们要实现单片机和电脑之间的通信该怎么办呢?
  我们只需要在电路上添加一个 USB 转串口芯片,就可以成功实现 USB 通信协议和标准UART 串行通信协议的转换,在我们的开发板上,我们使用的是 CH340T 这个芯片,

  图中左下方 J1 和 J2 是两个跳线的组合,大家可以在我们板子左下方的位置找到,我们需要用跳线帽把中间和下边的针短接在一起。右侧的 CH340T 这个电路很简单,把电源、晶振接好后,6 脚和 7 脚的 DP 和 DM 分别接 USB 口的 2 个数据引脚上去,3 脚和 4 脚通过跳线接到了我们单片机的 TXD 和 RXD 上去。
  CH340T 的电路里 3 脚位置加了个 4148 的二极管,是一个小技巧。因为 STC89C52 这个单片机下载程序时需要冷启动,就是先点下载后上电,上电瞬间单片机会先检测需要不需要下载程序。虽然单片机的 VCC 是由开关来控制,但是由于 CH340T 的 3 脚是输出引脚,如果没有此二极管,开关后级单片机在断电的情况下,CH340T 的 3 脚和单片机的 P3.0(即 RXD)引脚连在一起,有电流会通过这个引脚流入后级电路并且给后级的电容充电,造成后级有一定幅度的电压,这个电压值虽然只有两三伏左右,但是可能会影响到正常的冷启动。加了二极管后,一方面不影响通信,另外一个方面还可以消除这种不良影响。这个地方可以暂时作为了解,大家如果自己做这类电路,可以参考一下。
  IO口模拟UART串口通信
  为了让大家充分理解 UART 串口通信的原理,我们先把 P3.0 和 P3.1 当做 IO 口来进行模拟实际串口通信的过程,原理搞懂后,我们再使用寄存器配置实现串口通信过程。
  对于 UART 串口波特率,常用的值是 300、600、1200、2400、4800、9600、14400、19200、28800、38400、57600、115200 等速率。IO 口模拟 UART 串行通信程序是一个简单的演示程序,我们使用串口调试助手下发一个数据,数据加 1 后,再自动返回。
  串口调试助手,这里我们直接使用 STC-ISP 软件自带的串口调试助手,先把串口调试助手的使用给大家说一下,如图 11-6 所示。第一步要选择串口助手菜单,第二步选择十六进制显示,第三步选择十六进制发送,第四步选择 COM 口,这个 COM 口要和自己电脑设备管理器里的那个 COM 口一致,波特率按我们程序设定好的选择,我们程序中让一个数据位持续时间是 1/9600 秒,那这个地方选择波特率就是选 9600,校验位选 N,数据位 8,停止位 1。
  图 11-6   串口调试助手示意图
  串口调试助手的实质就是利用电脑上的 UART 通信接口,发送数据给我们的单片机,也可以把我们的单片机发送的数据接收到这个调试助手界面上。
  因为初次接触通信方面的技术,所以我把后面的 IO 模拟串口通信程序进行一下解释,大家可以边看我的解释边看程序,把底层原理先彻底弄懂。
  变量定义部分就不用说了,直接看 main 主函数。首先是对通信的波特率的设定,在这里我们配置的波特率是 9600,那么串口调试助手也得是 9600。配置波特率的时候,我们用的是定时器 T0 的模式 2。模式 2 中,不再是 TH0 代表高 8 位,TL0 代表低 8 位了,而只有TL0 在进行计数,当 TL0 溢出后,不仅仅会让 TF0 变 1,而且还会将 TH0 中的内容重新自动装到 TL0 中。这样有一个好处,就是我们可以把想要的定时器初值提前存在 TH0 中,当 TL0溢出后,TH0 自动把初值就重新送入 TL0 了,全自动的,不需要程序中再给 TL0 重新赋值了,配置方式很简单,大家可以自己看下程序并且计算一下初值。
  波特率设置好以后,打开中断,然后等待接收串口调试助手下发的数据。接收数据的时候,首先要进行低电平检测 while (PIN_RXD),若没有低电平则说明没有数据,一旦检测到低电平,就进入启动接收函数 StartRXD()。接收函数最开始启动半个波特率周期,初学可能这里不是很明白。大家回头看一下我们的图 11-2 里边的串口数据示意图,如果在数据位电平变化的时候去读取,因为时序上的误差以及信号稳定性的问题很容易读错数据,所以我们希望在信号最稳定的时候去读数据。除了信号变化的那个沿的位置外,其它位置都很稳定,那么我们现在就约定在信号中间位置去读取电平状态,这样能够保证我们读的一定是正确的。
  一旦读到了起始信号,我们就把当前状态设定成接收状态,并且打开定时器中断,第一次是半个周期进入中断后,对起始位进行二次判断一下,确认一下起始位是低电平,而不是一个干扰信号。以后每经过 1/9600 秒进入一次中断,并且把这个引脚的状态读到 RxdBuf 里边。等待接收完毕之后,我们再把这个 RxdBuf 加 1,再通过 TXD 引脚发送出去,同样需要先发一位起始位,然后发 8 个数据位,再发结束位,发送完毕后,程序运行到 while (PIN_RXD),等待第二轮信号接收的开始。

关键词:单片机

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