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我们常用的通信通常可以分为单工、半双工、全双工通信。 单工就是指只允许一方向另外一方传送信息，而另一方不能回传信息。比如我们的电视遥控器，我们的收音机广播等，都是单工通信技术。 半双工是指数据可以在双方之间相互传播，但是同一时刻只能其中一方发给另外一方，比如我们的对讲机就是典型的半双工。 全双工通信就发送数据的同时也能够接受数据，两者同步进行，就如同我们的电话一样，我们说话的同时也可以听到对方的声音。 15.1典型UART模块介绍IO口模拟串口通信，大家了解了串口通信的实质，但是我们的单片机程序却需要不停的检测扫描单片机IO口收到的数据，大量占用了CPU资源。这时候就会有人想了，其实我们不是很关心通信的过程，我们只需要一个通信的结果，最终得到接收到的数据就行了。这样我们可以在单片机内部做一个硬件模块，让他自动接收数据，接收完了，通知我们一下就可以了，我们的51单片机内部就存在这样一个UART模块，要正确使用它，当然还得先把对应的特殊功能寄存器配置好。 51单片机的UART串行口的结构由串行口控制寄存器SCON、发送和接收电路三部分构成，先来了解一下串口控制寄存器SCON。 可位寻址；复位值：0x00；复位源：任何复位
前边学了那么多寄存器的配置，相信SCON这个地方，对于大多数同学来说已经不是难点了，应该能看懂并且可以自己配置了。对于串口的四种模式，模式1是最常用的，就是我们前边提到的1位起始位，8位数据位和1位结束位。因为我们的教程不同于教科书，只要有的功能都一一介绍，我们只介绍实用的技术，所以其他3种模式，真正遇到需要使用的时候大家再去查资料就行。 在我们使用IO口模拟串口通信的时候，我们串口的波特率是使用定时器0的中断体现出来的。在实际串口模块中，有一个专门的波特率发生器用来控制发送数据的速度和读取接收数据的速度。对于STC89C52RC单片机来讲，这个波特率发生器只能由定时器1或定时器2产生，而不能由定时器0产生，这和我们模拟的通信是完全不同的概念。 如果用定时器2，需要配置额外的寄存器，默认是使用定时器1的，我们本章内容主要是使用定时器1作为波特率发生器来讲解，方式1下的波特率发生器必须使用定时器1的模式2，也就是自动重装载模式，定时器的初值具体的计算公式是： TH1 = TL1 = 256 - 晶振值/12 /2/16 /波特率 和波特率有关的还有一个寄存器，是一个电源管理寄存器PCON，他的最高位可以把波特率提高一倍，也就是如果写PCON |=0x80以后，计算公式就成了 TH1 = TL1 = 256 - 晶振值/12 /16 /波特率 数字的含义这里解释一下，256是8位数据的溢出值，也就是TL1的溢出值，11059200就是单片机的晶振，12是说1个机器周期是12个时钟周期，值得关注的是这个16，重点说明。我们在IO口模拟串口通信接收数据的时候，我们采集的是这一位数据的中间位置，而实际上串口模块比我们模拟的要复杂和精确一些。他采取的方式是把一位信号采集16次，其中第7、8、9次取出来，这三次中其中两次如果是高电平，那么就认定这一位数据是1，如果两次是低电平，那么就认定这一位是0，这样一旦受到意外干扰读错一次数据，也依然可以保证最终数据的正确性。 了解了串口采集模式，在这里要给大家留一个思考题。“晶振值/12/2/16/波特率”这个地方计算的时候，出现不能除尽，或者出现小数怎么办，允许出现多大的偏差？把这部分理解了，也就理解了我们的晶振为何使用11.0592M了。 串口通信的发送和接收电路，我们主要了解一下他们在物理上有2个名字相同的SBUF寄存器，他们的地址也都是99H，但是一个用来做发送缓冲，一个用来做接收缓冲。意思就是说，有2个房间，两个房间的门牌号是一样的，其中一个只出人不进人，另外一个只进人不出人，这样的话，我们就可以实现UART的全双工通信，相互之间不会产生干扰。但是在逻辑上呢，我们每次只操作SBUF，单片机会自动根据对它执行的是“读”还是“写”操作来选择是接收SBUF还是发送SBUF，后边通过程序，我们就会彻底了解这个问题。 15.2UART串口程序一般情况下，我们编写串口通信程序的基本步骤如下所示： 1、配置串口为模式1。 2、配置定时器T1为模式2，即自动重装模式。 3、确定波特率大小，计算定时器TH1和TL1的初值，如果有需要可以使用PCON进行波特率加倍。 4、打开定时器控制寄存器TR1，让定时器跑起来。 这个地方还要特别注意一下，就是在使用T1做波特率发生器的时候，千万不要再使能T1的中断了。 我们先来看一下由IO口模拟串口通信直接改为使用硬件UART模块时程序代码，看看程序是不是简单了很多，因为大部分的工作硬件模块都替我们做了。程序功能和IO口模拟的是完全一样的。 #include <reg52.h> void ConfigUART(unsigned int baud); void main () { ConfigUART(9600); //配置波特率为9600 while(1) { while (!RI); //等待接收完成 RI = 0; //清零接收中断标志位 SBUF = SBUF + 1; //接收到的数据+1后，发送回去； //等号左边的SBUF实际上就是发送SBUF，因为对它的操作是“写”； //等号右边的是接收SBUF，因为对它的操作是“读”。 while (!TI); //等待发送完成 TI = 0; //清零发送中断标志位 } } void ConfigUART(unsigned int baud) //串口配置函数，baud为波特率 { SCON = 0x50; //配置串口为模式1 TMOD &= 0x0F; //清零T1的控制位 TMOD |= 0x20; //配置T1为模式2 TH1 = 256 - (11059200/12/32) / baud; //计算T1重载值 TL1 = TH1; //初值等于重载值 ET1 = 0; //禁止T1中断 TR1 = 1; //启动T1 } 当然了，这个程序还是在主循环里等待接收中断标志位和发送中断标志位的方法来编写的，而实际工程开发中，当然就不能这么干了，所以就用到了串口中断，来看一下程序。 #include <reg52.h> void ConfigUART(unsigned int baud); void main () { ConfigUART(9600); //配置波特率为9600 while(1); } void ConfigUART(unsigned int baud) //串口配置函数，baud为波特率 { SCON = 0x50; //配置串口为模式1 TMOD &= 0x0F; //清零T1的控制位 TMOD |= 0x20; //配置T1为模式2 TH1 = 256 - (11059200/12/32) / baud; //计算T1重载值 TL1 = TH1; //初值等于重载值 ET1 = 0; //禁止T1中断 TR1 = 1; //启动T1 ES = 1; //打开串口中断 EA = 1; //打开总中断 } void InterruptUART() interrupt 4 { if (RI) //接收到字节 { RI = 0; //手动清零接收中断标志位 SBUF = SBUF + 1;//接收数据+1发回去，左边为发送SBUF，右边为接收SBUF。 } if (TI) //字节发送完毕 { TI = 0; //手动清零发送中断标志位 } } 大家可以试验一下试试，看看是不是和前边用IO口模拟通信实现的效果一致，而主循环却完全空出来了，我们就可以随意添加其它功能代码进去。 15.3字符和数据之间的转换 我们学串口通信的应用主要是实现单片机和电脑之间的信息互发，可以用电脑控制单片机的一些信息，可以把单片机的一些信息状况发给电脑上的软件。下面我们就做一个简单的例程，实现单片机串口调试助手发送的数据，在数码管上显示出来。 #include <reg52.h> sbit ADDR3 = P1^3; //LED选择地址线3 sbit ENLED = P1^4; //LED总使能引脚 unsigned char code LedChar[] = { //数码管显示字符转换表 0xC0, 0xF9, 0xA4, 0xB0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xF8, 0x80, 0x90, 0x88, 0x83, 0xC6, 0xA1, 0x86, 0x8E }; unsigned char LedBuff[6] = { //数码管 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF }; unsigned char T0RH = 0; //T0重载值的高字节 unsigned char T0RL = 0; //T0重载值的低字节 unsigned char RxdByte = 0; //串口接收到的字节 void ConfigTimer0(unsigned int ms); void ConfigUART(unsigned int baud); void main () { P0 = 0xFF; //P0口初始化 ADDR3 = 1; //选择数码管 ENLED = 0; //LED总使能 EA = 1; //开总中断 ConfigTimer0(1); //配置T0定时1ms ConfigUART(9600); //配置波特率为9600 while(1) { //将接收字节在数码管上以十六进制形式显示出来 LedBuff[0] = LedChar[RxdByte & 0x0F]; LedBuff[1] = LedChar[RxdByte >> 4]; } } void ConfigTimer0(unsigned int ms) //T0配置函数 { unsigned long tmp; tmp = 11059200 / 12; //定时器计数频率 tmp = (tmp * ms) / 1000; //计算所需的计数值 tmp = 65536 - tmp; //计算定时器重载值 tmp = tmp + 31; //修正中断响应延时造成的误差 T0RH = (unsigned char)(tmp >> 8); //定时器重载值拆分为高低字节 T0RL = (unsigned char)tmp; TMOD &= 0xF0; //清零T0的控制位 TMOD |= 0x01; //配置T0为模式1 TH0 = T0RH; //加载T0重载值 TL0 = T0RL; ET0 = 1; //使能T0中断 TR0 = 1; //启动T0 } void ConfigUART(unsigned int baud) //串口配置函数，baud为波特率 { SCON = 0x50; //配置串口为模式1 TMOD &= 0x0F; //清零T1的控制位 TMOD |= 0x20; //配置T1为模式2 TH1 = 256 - (11059200/12/32) / baud; //计算T1重载值 TL1 = TH1; //初值等于重载值 ET1 = 0; //禁止T1中断 ES = 1; //使能串口中断 TR1 = 1; //启动T1 } void LedScan() //LED显示扫描函数 { static unsigned char index = 0; P0 = 0xFF; //关闭所有段选位，显示消隐 P1 = (P1 & 0xF8) | index; //位选索引值赋值到P1口低3位 P0 = LedBuff[index]; //相应显示缓冲区的值赋值到P0口 if (index < 5) //位选索引0-5循环，因有6个数码管 index++; else index = 0; } void InterruptTimer0() interrupt 1 //T0中断服务函数 { TH0 = T0RH; //定时器重新加载重载值 TL0 = T0RL; LedScan(); //LED扫描显示 } void InterruptUART() interrupt 4 { if (RI) //接收到字节 { RI = 0; //手动清零接收中断标志位 RxdByte = SBUF; //接收到的数据保存到接收字节变量中 SBUF = RxdByte; //接收到的数据又直接发回，这叫回显-'echo'，以提示用户输入的信息是否已正确接收 } if (TI) //字节发送完毕 { TI = 0; //手动清零发送中断标志位 } } 大家在做这个实验的时候，有个小问题要注意一下。因为我们STC89C52RC下载程序是使用了UART串口下载，下载完程序后，程序运行起来了，可是下载软件最后还会通过串口发送一些额外的数据，所以程序刚下载进去不是显示00，而可能是其他数据。大家只要把开关关闭，重新打开一次就好了。 细心的同学可能会发现，在串口调试助手发送选项和接收选项处，还有个“字符格式发送”和“字符格式显示”，这是什么意思呢？ 先抛开我们使用的汉字不谈，那么我们常用的字符就包含了0~9的数字、A~Z/a~z的字母、还有各种标点符号等。那么在单片机系统里面我们怎么来表示它们呢？ASCII码（American Standard Code for Information Interchange，即美国信息互换标准代码）可以完成这个使命：我们知道，在单片机中一个字节的数据可以有0～255共256个值，我们取其中的0～127共128个值赋予了它另外一层涵义，即让它们分别来代表一个常用字符，其具体的对应关系如下表。
这样我们就在常用字符和字节数据之间建立了一一对应的关系，那么现在一个字节就既可以代表一个整数又可以代表一个字符了，但它本质上只是一个字节的数据，而我们赋予了它不同的涵义，什么时候赋予它那种涵义就看编程者的意图了。ASCII码在单片机系统中应用非常广泛，我们后续的课程也会经常使用到它，下面我们来对它做一个直观的认识，同学们一定要深刻理解其本质。 对照上述表格，我们就可以实现字符和数字之间的转换了，比如还是这个程序，我们发送的时候改成字符格式发送，接收还是用十六进制接收，这样接收和数码管好做一下对比。 我们用字符格式发送一个小写的a，返回一个十六进制的0x61，数码管上显示的也是61，ASCII码表里字符a对应十进制是97，等于十六进制的0x61；我们再用字符格式发送一个数字1，返回一个十六进制的0x31，数码管上显示的也是31，ASCII表里字符1对应的十进制是49，等于十六进制的0x31。这下大家就该清楚了：所谓的十六进制发送和十六进制接收，都是按字节数据的真实值进行的；而字符格式发送和字符格式接收，是按ASCII码表中字符形式进行的，但它实际上最终传输的还是一个字节数据。这个表格，当然不需要大家去记住，理解它，用的时候过来查就行了。 通信的学习，不像前边控制部分那么直观了，通信部分我们的程序只能获得一个结果，而其过程我们却无法直接看到，所以慢慢的可能大家就会知道有示波器和逻辑分析仪这类测量仪器。如果学校实验室或者公司里有示波器或者逻辑分析仪这类仪器，可以拿过来抓一下串口波形，直观的了解一下。如果暂时还没有这些仪器，先知道这么回事，有条件再说。因为工具类的东西有的比较昂贵，有条件可以尽量使用学校或者公司的。在这里我用一款简易的逻辑分析仪把串口通信的波形抓出来给大家看一下，大家了解一下即可，如图15-7所示。   分析仪和示波器的作用，就是把通信过程的波形抓出来进行分析。先大概说一下波形的意思。波形左边是低位，右边是高位，上边这个波形是电脑发送给单片机的，下边这个波形是单片机回发给电脑的。以上边的波形为例，左边第一位是起始位0，从低位到高位依次是10001100，顺序倒一下，就是数据0x31，也就是ASCII码表里的‘1’。大家可以注意到分析仪在每个数据位都给标了一个白色的点，表示是数据，起始位和无数据的时候都没有这个白点。时间标T1和T2的差值在右边显示出来是0.102ms，大概是9600分之一，稍微有点偏差，在容许范围内即可。通过图15-7，我们可以清晰的了解了串口通信的收发的详细过程。 那我们这里再来了解一下，如果我们使用串口调试助手，用字符格式直接发送一个“12”，我们在数码管上应该显示什么呢？串口调试助手应该返回什么呢？经过试验发现，我们数码管显示的是32，而串口调试助手返回十六进制显示的是31、32两个数据，如图15-8所示。  我们用逻辑分析仪把这个数据抓出来看一下，如图15-9所示。  对于ASCII码表来说，数字本身是字符而非数据，所以如果发送“12”的话，实际上是是分别发送了“1”和“2”两个字符，单片机呢，先收到第一个字符“1”，在数码管上会显示出31这个对应数字，但是瞬间马上就又收到了“2”这个字符，数码管瞬间从31变成了32，而我们视觉上呢，根本是没有办法发现这种快速变化的，所以我们感觉数码管直接显示的是32。 |
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