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51單片機(jī)的串口通信協(xié)議的6個(gè)特征

h1654155971.7688 ? 來源:未知 ? 作者:李倩 ? 2018-04-13 09:17 ? 次閱讀

現(xiàn)實(shí)生活中, 我們總是要與人打交道,互通有無。單片機(jī)也一樣,需要跟各種設(shè)備交互。例如汽車的顯示儀表需要知道汽車的轉(zhuǎn)速及電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù),那么顯示儀表就需要從汽車的底層控制器取得數(shù)據(jù)。而這個(gè)數(shù)據(jù)的獲得過程就是一個(gè)通信過程。類似的例子還有控制器通常是單片機(jī)或者PLC變頻器的通信。通信的雙方需要遵守一套既定的規(guī)則也稱為協(xié)議,這就好比我們?nèi)酥g的對話,需要在雙方都遵守一套語言語法規(guī)則才有可能達(dá)成對話。通信協(xié)議又分為硬件層協(xié)議和軟件層協(xié)議。硬件層協(xié)議主要規(guī)范了物理上的連線,傳輸電平信號及傳輸?shù)闹刃虻扔布再|(zhì)的內(nèi)容。常用的硬件協(xié)議有串口,IIC, SPI, RS485CANUSB。軟件層協(xié)議則更側(cè)重上層應(yīng)用的規(guī)范,比如modbus協(xié)議。好了,那這里我們就著重介紹51單片機(jī)的串口通信協(xié)議,以下簡稱串口。串口的6個(gè)特征如下。

(1)、物理上的連線至少3根,分別是Tx數(shù)據(jù)發(fā)送線,Rx數(shù)據(jù)接收線,GND共用地線。

(2)、0與1的約定。RS232電平,約定﹣5V至﹣25V之間的電壓信號為1,﹢5V至﹢25V之間的電壓信號為0 。TTL電平,約定5V的電壓信號為1,0V電壓信號為0 。CMOS電平,約定3.3V的電壓信號為1,0V電壓信號為0 。其中,CMOS電平一般用于ARM芯片中。

(3)、發(fā)送秩序。低位先發(fā)。

(4)、波特率。收發(fā)雙方共同約定的一個(gè)數(shù)據(jù)位(0或1)在數(shù)據(jù)傳輸線上維持的時(shí)間。也可理解為每秒可以傳輸?shù)奈粩?shù)。常用的波特率有300bit/s, 600bit/s, 2400bit/s, 4800bit/s, 9600bit/s。

(5)、通信的起始信號。發(fā)送方在沒有發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),應(yīng)該將Tx置1 。 當(dāng)需發(fā)送時(shí),先將Tx置0,并且保持1位的時(shí)間。接受方不斷地偵測Rx,如果發(fā)現(xiàn)Rx常時(shí)間變高后,突然被拉低(置為0),則視為發(fā)送方將要發(fā)送數(shù)據(jù),迅速啟動(dòng)自己的定時(shí)器,從而保證了收發(fā)雙方定時(shí)器同步定時(shí)。

(6)、停止信號。發(fā)送方發(fā)送完最后一個(gè)有效位時(shí),必須再將Tx保持1位的時(shí)間,即為停止位。

好了,理論暫時(shí)到這里,現(xiàn)在我們要做一個(gè)實(shí)驗(yàn),將一個(gè)字節(jié)從51單片機(jī)發(fā)送到電腦串口調(diào)試助手上。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是為了掌握串口通信協(xié)議的收發(fā)過程。

虛擬串口

實(shí)驗(yàn)一、虛擬串口實(shí)驗(yàn)

一般單片機(jī)都有專門的串口引腳,51里面分別是P3.0和P3.1,這些引腳擁有串口的硬件電路,因此使用它們并不需要設(shè)置信號的發(fā)送停止。為了掌握協(xié)議,我們使用其他的引腳來模擬串口,所以也叫虛擬串口。這里我們選用P1.0,然而注意到我們51單片機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)給電腦,必須經(jīng)過一個(gè)串口轉(zhuǎn)USB設(shè)備(即TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平),而限于我們的開發(fā)板只有P3.0與P3.1連接到了串口轉(zhuǎn)USB設(shè)備,所以我們可以將P1.0短接到P3.1 。 下圖是這個(gè)串口轉(zhuǎn)USB的原理圖。

好了直接上代碼吧。

[cpp]view plaincopy

#include"reg51.h"

/*

將P1.0虛擬成串口發(fā)送腳TX

以9600bit/s的比特率向外發(fā)送數(shù)據(jù)

因?yàn)椴ㄌ芈适?600bit/s

所以me發(fā)送一位的時(shí)間是t=1000000us/9600=104us

*/

sbitTX=P3^1;//P1^0outputTTLsignal,needtotransferredtors232signal,canbeconnectedtoP3^1

#defineu16unsignedint//宏定義

#defineu8unsignedchar

u8sbuf;

bitti=0;

voiddelay(u16x)

{

while(x--);

}

voidTimer0_Init()

{

TMOD|=0x01;

TH0=65440/256;

TH0=65440%256;

TR0=0;

}

voidIsr_Init()

{

EA=1;

ET0=1;

}

voidSend_Byte(u8dat)

{

sbuf=dat;//通過引入全局變量sbuf,可以保存形參dat

TX=0;//A起始位

TR0=1;

while(ti==0);//等待發(fā)送完成

ti=0;//清除發(fā)送完成標(biāo)志

}

voidTF0_isr()interrupt1//每104us進(jìn)入一次中斷

{

staticu8i;//記錄進(jìn)入中斷的次數(shù)

TH0=65440/256;

TL0=65440%256;

i++;

if(i>=1&&i<=8)??

{ if((sbuf&(1<<(i-1)))==0)??//?(sbuf&(1<<(i-1)))表示取出i-1位??

{

TX=0;

}

else

{

TX=1;

}

}

if(i==9)//停止位

{ TX=1;

}

if(i==10)

{

TR0=0;

i=0;

ti=1;//發(fā)送完成

}

}

voidmain()

{

TX=1;//使TX處于空閑狀態(tài)

Timer0_Init();

Isr_Init();

while(1)

{

Send_Byte(65);//0x41

delay(60000);

}

}

實(shí)驗(yàn)引入了定時(shí)器0來控制發(fā)送線上的各個(gè)位的保持時(shí)間。首先main函數(shù)進(jìn)入,TX置1則使發(fā)送線處于空閑,這時(shí)候發(fā)送方和接受方都處于空閑。接下來初始化定時(shí)器0,TR0置0表示還不要啟動(dòng)定時(shí)器0。接著中斷系統(tǒng)初始化,此時(shí)中斷系統(tǒng)已經(jīng)開啟。進(jìn)入while循環(huán),先進(jìn)Send_Byte()函數(shù),將65傳給形參dat,dat再將65賦值給sbuf,到這里準(zhǔn)備工作就做好了。接著TX置0,這個(gè)是起始位,要保持這個(gè)起始位104us。于是就啟動(dòng)定時(shí)器TR0置1,計(jì)時(shí)器開始計(jì)數(shù)。當(dāng)?shù)谝淮我绯龅臅r(shí)候,也就是過了104us,進(jìn)入中斷,同時(shí)接收方也偵測到了這個(gè)突然被拉低的信號,于是迅速啟動(dòng)自己的定時(shí)器。進(jìn)入中斷子函數(shù)后,先是重裝定時(shí)器初值,然后i加1,也就是當(dāng)i=1時(shí),就應(yīng)該發(fā)送數(shù)據(jù)的最低位了,總共有8位數(shù)據(jù),所以使用條件語句if(i>=1 && i<=8)來判斷是否發(fā)送完數(shù)據(jù)位。然后再通過if(i==9) 來發(fā)送停止位,最后當(dāng)i=10時(shí),也就是發(fā)送完了,這時(shí)候要關(guān)閉定時(shí)器(那么程序也就),同時(shí)i置0,ti置1(才能跳出while(ti==0)循環(huán)),最后將ti置0,保證下次要發(fā)送字節(jié)時(shí)讓程序停留在while(ti==0)。

片上串口

以上說的是虛擬串口,上文中談到與串口相關(guān)的引腳P3.0與P3.1,事實(shí)上51單片機(jī)自帶片上串口,那這個(gè)串口又該怎么使用呢?

片上串口支持同步模式與異步模式。簡單來說同步模式就是指有時(shí)鐘線,而異步模式無時(shí)鐘線。這里的時(shí)鐘線是指在同步通信時(shí),用一根線專門傳輸時(shí)鐘信號,這個(gè)信號用來與要發(fā)送的每一位保持同步,這樣就避免了例如異步通信中因?yàn)椴捎枚〞r(shí)器而引入的時(shí)間誤差。

片上串口還支持8位模式和9位模式。如下圖所示

其中D0-D7是一個(gè)字節(jié)的8個(gè)位。9位模式只是多了一個(gè)位TB8,這個(gè)TB8的作用是奇偶校驗(yàn)或多機(jī)通信。奇偶校驗(yàn)原理這不加分析。多機(jī)通信時(shí)比如主機(jī)只發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡(luò)中的一臺地址為0x02的設(shè)備,這時(shí)候先讓TB8為1,前面的D0-D7則為地址即0x02,之后再讓TB8為0,前面的D0-D7則為數(shù)據(jù)了。

上面設(shè)置了片上串口的模式,另外還要設(shè)置串口的波特率。

片上串口的波特率等于定時(shí)器1工作在方式2時(shí)溢出率的32分頻。如果要定時(shí)器1工作在方式2,那么TMOD=0x20。另外要保證為32分頻,我們還必須設(shè)置計(jì)數(shù)器初值。設(shè)晶振為11.0592Mhz,則定時(shí)器的計(jì)數(shù)脈沖為F=f/12,則定時(shí)器每計(jì)一個(gè)脈沖的時(shí)間為T=12/f。又令計(jì)數(shù)器的起點(diǎn)為x,則溢出一次要計(jì)的脈沖數(shù)為(256-x)。所以在計(jì)數(shù)起點(diǎn)為x時(shí),溢出一次的時(shí)間為t=12/f*(256-x)。則對應(yīng)的溢出率為1/t=f/(12*(256-x))。對應(yīng)的波特率就為b=f/(384*(256-x))。

x=256-f/(384*b)

其中f為晶振頻率,b為希望的波特率,x為定時(shí)器的計(jì)數(shù)起點(diǎn)TH1的值。

例如當(dāng)晶振為11.0592M,希望波特率為9600bit/s,則TH1=253。題外話,我們同樣可以演算出在其他常用波特率情況下,TH1始終為一個(gè)整數(shù)。這里也就解釋了為什么51里面選用了11.0592M的晶振而不是12M,這樣就保證了串口的時(shí)序更加準(zhǔn)確,雖然犧牲了定時(shí)器的準(zhǔn)確度。

實(shí)驗(yàn)二,片外串口發(fā)送一個(gè)字節(jié)。

好了現(xiàn)在開始我們的實(shí)驗(yàn)之旅。直接看代碼吧。

[cpp] view plain copy

# include "reg51.h"

#

define u16 unsigned int

# define u8 unsigned char

void delay(u16 x)

{

while (x--);

}

void Uart_Init() //串口初始化

{

SCON = 0x50; //8位異步模式

TMOD |= 0x20; //定時(shí)器1工作方式2

TH1 = 253; //9600bit/s

TR1 = 1;

}

void Send_Byte(u8 dat)

{

SBUF = dat; //啟動(dòng)發(fā)送,只需要把發(fā)送內(nèi)容給SBUF這個(gè)寄存器

while (TI == 0); //等待發(fā)送完成,因?yàn)門I為1時(shí)表示在發(fā)送停止位

TI = 0;

}

void main()

{

Uart_Init();

while (1)

{

Send_Byte('m');

delay(60000);

}

}

實(shí)驗(yàn)二較之實(shí)驗(yàn)一,代碼減少了很多,而且不用考慮繁瑣的位發(fā)送時(shí)序。只需要明白各個(gè)寄存器SCON,TMOD,TCON,SBUF的用法。TI是SCON中的第一位,為發(fā)送中斷請求標(biāo)志位。在本方式中,在停止位開始發(fā)送時(shí)由內(nèi)部硬件置位,響應(yīng)中斷后TI必須又軟件清零。

實(shí)驗(yàn)三、片上串口發(fā)送一個(gè)字符串

上面介紹了如何發(fā)送一個(gè)字節(jié),那如何發(fā)送一個(gè)字符串甚至文本呢?這里我們首先介紹下字符串的概念。

字符串:從存儲器的某個(gè)地址開始,連續(xù)存放多個(gè)字符的ASCII碼,并且在最后一個(gè)字符的后面存放一個(gè)0,這段連續(xù)的內(nèi)存空間就叫字符串,最后的0叫字符串的結(jié)束符。注意這里的0和加單引號的0不是一個(gè)概念,加單引號的0是指0的ASCII碼。

數(shù)組與字符串的關(guān)系:字符串是數(shù)組的一種特殊情況,數(shù)組在特定條件下可當(dāng)做字符串用。C語言用雙引號描述一個(gè)字符串,如“abcd”。

下面我們通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)來展示如何發(fā)送字符串。我們實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是打印字符串“Hello World ! 第一!”到打印機(jī)。直接上代碼。

[cpp]view plaincopy

#include"reg51.h"

#defineu16unsignedint

#defineu8unsignedchar

voiddelay(u16x)

{

while(x--);

}

voidUart_Init()//串口初始化

{

SCON=0x50;//8位異步模式

TMOD|=0x20;//定時(shí)器1工作方式2

TH1=253;//9600bit/s

TR1=1;

}

voidSend_Byte(u8dat)//串口發(fā)送一個(gè)字節(jié)

{

SBUF=dat;//啟動(dòng)發(fā)送,只需要把發(fā)送內(nèi)容給SBUF這個(gè)寄存器

while(TI==0);//等待發(fā)送完成,因?yàn)門I為1時(shí)表示在發(fā)送停止位

TI=0;

}

voidSend_String(u8*str)//發(fā)送一個(gè)字符串*str為字符串第一個(gè)字符的地址

{

abc://標(biāo)號

if(*str!=0) {

Send_Byte(*str);

str++;

gotoabc;

}

}

voidmain()

{

Uart_Init();

while(1)

{

Send_String("HelloWorld!第一!");

Send_Byte(10);

delay(60000);

delay(60000);

}

}

實(shí)驗(yàn)效果

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原文標(biāo)題:單片機(jī)C語言之串口通信協(xié)議

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    * @author Byron (from3900@gmail.com) * @version V1.0.0 * @date 05/12/2020 * @brief 51系列單片機(jī)I2C通信協(xié)議頭文件 * ----
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    制定通信協(xié)議,實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)通信

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