UART串口通信浅谈之(一)--基础概述
通信按照传统的理解就是信息的传输与交换。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。
以下我们以STC98C52单片机为例子,简单讲述串行通信。
1.1 串行通信的初步认识
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,但是因为通信线多占用资源多,成本高。比如使用STC89C52的P0口设置为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,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。
在我们的STC89C52上,有两个引脚,是专门用来做UART串口通信的,一个是P3.0一个是P3.1,还分别有另外的名字叫做RXD和TXD,这两个引脚是专门用来进行UART通信的,如果我们两个单片机进行UART串口通信的话,那基本的演示图如图1-1所示。
图1-1 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2接收的通道。这个示意图就体现了两个单片机各自收发信息的过程。
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。这里就牵扯到了一个问题,就是持续的这“一段时间”到底是多久?从这里引入我们通信中的另外重要概念——波特率,也叫做比特率。
波特率就是发送一位二进制数据的速率,习惯上用baud表示,即我们发送一位数据的持续时间=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他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串行通信的时候,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,一旦检测到来了一位低电平,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了。我们图示看一下,如图1-2所示。
图1-2 串口数据发送示意图
如图1-2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。
1.2 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如何办呢?
我们只需要在我们电路上添加一个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CH340G这个芯片,如图1-3所示。
图1-3 USB转串口电路
CH340G这个电路很简单,把电源电路,晶振电路接好后,6脚和7脚的UD+和UD-分别接USB口的2个数据引脚上去,3脚和4脚接到了我们单片机的TXD和RXD上去。
CH340G的电路里2脚位置加了个4148的二极管,是一个小技巧。因为我们的STC89C52RC这个单片机下载程序需要冷启动,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CH340G的2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,CH340G的2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,但是可能会影响到我们的冷启动。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问题。这个地方可以暂时作为了解,大家如果自己做这块电路,可以参考一下。
1.3 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,我们先用P3.0和P3.1这两个当做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1200、2400、4800、9600、14400、19200、28800、38400、57600、115200、128000、256000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。波特率是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。
串口调试助手的实质就是我们利用电脑上的UART通信接口,通过这个UART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,所以我对这个程序进行一下解释,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0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在进行计数了。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,我们可以把我们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,不需要程序上再给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1-2里边的串口数据示意图,信号在数据位电平变化的时候去读,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,其他位置都很稳定,那么我们现在就约定在信号中间位置去读取电平状态,这样能够保证我们信号读的是对的。
一旦读到了起始信号,我们就把当前状态设定成接受状态,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9600分之一秒进入一次中断,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。
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#include <reg52.h>
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sbit PIN_RXD = P3^0; //接收引脚定义
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sbit PIN_TXD = P3^1; //发送引脚定义
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bit RxdOrTxd = 0; //指示当前状态为接收还是发送
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bit RxdEnd = 0; //接收结束标志
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bit TxdEnd = 0; //发送结束标志
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unsigned char RxdBuf = 0; //接收缓冲器
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unsigned char TxdBuf = 0; //发送缓冲器
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void ConfigUART(unsigned int baud);
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void StartTXD(unsigned char dat);
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void StartRXD();
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void main ()
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{
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ConfigUART(9600); //配置波特率为9600
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EA = 1; //开总中断
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while(1)
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{
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while (PIN_RXD); //等待接收引脚出现低电平,即起始位
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StartRXD(); //启动接收
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while (!RxdEnd); //等待接收完成
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StartTXD(RxdBuf+1); //接收到的数据+1后,发送回去
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while (!TxdEnd); //等待发送完成
-
}
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}
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void ConfigUART(unsigned int baud) //串口配置函数,baud为波特率
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{
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TMOD &= 0xF0; //清零T0的控制位
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TMOD |= 0x02; //配置T0为模式2
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TH0 = 256 - (11059200/12) / baud; //计算T0重载值
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}
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void StartRXD() //启动串行接收
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{
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TL0 = 256 - ((256-TH0) >> 1); //接收启动时的T0定时为半个波特率周期
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ET0 = 1; //使能T0中断
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TR0 = 1; //启动T0
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RxdEnd = 0; //清零接收结束标志
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RxdOrTxd = 0; //设置当前状态为接收
-
}
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void StartTXD(unsigned char dat) //启动串行发送,dat为待发送字节数据
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{
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TxdBuf = dat; //待发送数据保存到发送缓冲器
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TL0 = TH0; //T0计数初值为重载值
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ET0 = 1; //使能T0中断
-
TR0 = 1; //启动T0
-
PIN_TXD = 0; //发送起始位
-
TxdEnd = 0; //清零发送结束标志
-
RxdOrTxd = 1; //设置当前状态为发送
-
}
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void InterruptTimer0() interrupt 1 //T0中断服务函数,处理串行发送和接收
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{
-
static unsigned char cnt = 0; //bit计数器,记录当前正在处理的位
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if (RxdOrTxd) //串行发送处理
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{
-
cnt++;
-
if (cnt <= 8) //低位在先依次发送8bit数据位
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{
-
PIN_TXD = TxdBuf & 0x01;
-
TxdBuf >>= 1;
-
}
-
else if (cnt == 9) //发送停止位
-
{
-
PIN_TXD = 1;
-
}
-
else //发送结束
-
{
-
cnt = 0; //复位bit计数器
-
TR0 = 0; //关闭T0
-
TxdEnd = 1; //置发送结束标志
-
}
-
}
-
else //串行接收处理
-
{
-
if (cnt == 0) //处理起始位
-
{
-
if (!PIN_RXD) //起始位为0时,清零接收缓冲器,准备接收数据位
-
{
-
RxdBuf = 0;
-
cnt++;
-
}
-
else //起始位不为0时,中止接收
-
{
-
TR0 = 0; //关闭T0
-
}
-
}
-
else if (cnt <= 8) //处理8位数据位
-
{
-
RxdBuf >>= 1; //低位在先,所以将之前接收的位向右移
-
if (PIN_RXD) //接收脚为1时,缓冲器最高位置1;为0时不处理即仍保持移位后的0
-
{
-
RxdBuf |= 0x80;
-
}
-
cnt++;
-
}
-
else //停止位处理
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{
-
cnt = 0; //复位bit计数器
-
TR0 = 0; //关闭T0
-
if (PIN_RXD) //停止位为1时,方能认为数据有效
-
{
-
RxdEnd = 1; //置接收结束标志
-
}
-
}
-
}
-
}