嵌入式之硬件学习（三）通信方式、串口通信
目录
一、通信种类
1、并行通信
2、串行通信
3、单工模式(Simplex Communication)
4、半双工通信(Half-Duplex Communication)
5、全双工通信(Full-Duplex Communication)
6、串行的异步通信与同步通信
（1）异步通信
（2）同步通信
二、串行口通信
（一）UART定义（串行通信协议）
（二）串口通信通信时序（底层逻辑）
1、空闲时
2、起始位
3、数据位
4、校验位
5、停止位
6、简述串口通信的通信逻辑（面问）
（三）波特率（bps）
三、三种串行通信方式在物理表现形式的不同
（一）TTL(Transistor-Transistor Logic)
（二）RS232标准
（三）RS485标准
四、串行口寄存器
（一）SBUF寄存器（串行口数据缓冲寄存器）
（二）串行口控制寄存器SCON
（三）电源控制寄存器PCON
五、USB下载电路模块
六、练习（实现51单片机与电脑之间的通信）
uart.c
main.c
xdata 的作用
计算定时器初值的计算公式
七、MODBUS通信协议
一、通信种类
1、并行通信
并行通信是指多个比特同时通过并行线进行传输，这种方式的传输速率较高，但会占用大量的芯片资源；
2、串行通信
串行通信是指将数据拆分成一个个比特，按照先后次序在一根总线上进行发送，串行通信有着系统占用资源少，结构简单等优点，是主机间通信的常用方式。
注：串口通信(Serial Port)是串行通信的一种，属于串行通信中的异步通信。我们经常听到的RS232、RS485、RS422都是串行通信。
3、单工模式(Simplex Communication)
主机间通信时如果一方固定为发送端另外一方固定为接收端，通过一根总线实现数据通信。这种通信方式就像是你只能听别人说话，但无法回答他们一样，只能单向传递信息。
4、半双工通信(Half-Duplex Communication)
半双工通信是一种通信方式，其中数据传输可以在两个方向之间交替进行，但不能同时进行。换句话说，通信双方可以既发送数据又接收数据，但不能同时进行这两种操作。比方说，就像你可以和别人交替说话和倾听对方说话一样。当你在说话时，对方在听你说；当对方在说话时，你在倾听对方。这种方式允许双方之间在发送和接收数据之间切换，但不能同时进行。半双工通信常用于对话式交流和一些简单的通信场景中。
5、全双工通信(Full-Duplex Communication)
全双工通信是一种通信方式，其中数据传输可以同时在两个方向进行，允许通信双方同时发送和接收数据，实现双向通信。就像打电话一样，你可以同时说话也可以听对方说话，双方可以同时进行数据传输，实现双向沟通。
6、串行的异步通信与同步通信
（1）异步通信
指通信中两个字符（8位）之间的时间间隔是不固定的，而在一个字符内各位的时间间隔是固定的；
收发双方的波特率必须是事先约定好的；
（2）同步通信
要求发收双方具有同频同相的同步；
用专用时钟信号线来控制时钟的节奏，以
为例：
- SDA（数据线）
- SCL（时钟线）：用于同步双方时钟的节奏，一般由发送方决定；
异步通信
串口通信时，收发双方的波特率必须是事先约定好的，否则数据传输就会出现混乱。很明显，为保证每个比特占用数据线的时间，发送方和接收方需按照各自的系统计时且双方之间的误差不能太大。通常不能超过(6%)。这种双方各自“计时”的方式称为异步。就好比在打字一样，每次敲击键盘发送一个字母，速度快慢由打字者自己控制，没规定每敲击一个字母之间要等多久，只要保证接收端能够正确识别并解析即可。
同步通信
同步通信设备之间除了有数据线（SDA）以为还有一条时钟线(SCL)。其中SCL就是时钟线(serial clock)。发送方负责控制时钟线的变化，每发送一个比特，都需要将时钟线按照规则进行改变。就好比在合唱团里，大家一起唱歌的节奏是由指挥员指挥的，每个人都按照指挥员的节奏唱歌，保证大家唱的是同一首歌且节奏一致。这种通信方式就称为同步通信。譬如IIC、SPI等。
注：同步串行通信方式与异步串行通信方式的区别：存在时钟线的为同步串行
通信方式通信，没有时钟线的为异步串行通信方式。
二、串行口通信（全双工串行通信，异步通信）
（一）UART定义（串行通信协议）
UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种广泛使用的串行通信协议。它用于在计算机或其他设备之间传输数据。UART通信协议通过两根线（通常称为TXD和RXD）实现数据的异步传输。
TXD（Transmit，发送）线：用于从设备发送数据到另一设备。
RXD（Receive，接收）线：用于从另一设备接收数据到本设备。
（二）串口通信通信时序（底层逻辑）
作为常用的串行通信方式，以TTL为例，串口通信在不同主机之间的数据格式为：
1、空闲时
空闲时数据线为高电平；
2、起始位
发送放发送一个低电平表示起始位；
3、数据位
依据低位先行原则（发送的第一个比特是最低位(最右边)）发送;
4、校验位
分为奇校验，偶校验和无校验；校验位可发可不发
奇校验是指确保数据位加上校验位中"1"，1的总数为奇数；
偶校验是指确保数据位加上校验位中"1"，1的总数为偶数；
5、停止位
为保证下一个字节发送前的起始位能够表现出来（把两个数据二者之间分隔开），校验位之后发送一个停止位1。（停止位也可是1个、1.5个、2个）
6、简述串口通信的通信逻辑（面问）
双方在空闲时数据线保持高电平；发送数据时发送方先要发送一个起始位，起始位为低电平；发送数据位（8个bit）以低位先行原则发送（从右往左发）；发完后有一个可以选择的校验位，校验分三种，分别为奇校验、偶校验、无校验，奇校验是数据位加校验位中1的个数总数为奇数，偶校验数据位加校验位1的总数为偶数；校验位结束后还要发送一个停止位，停止位为高电平。
（三）波特率（bps）
串口通信用波特率来描述数据的传输速率问题：
很明显上图的纵坐标为电压值，横坐标就是时间了。无论起始位、数据为还是停止位、校验位，每个比特在数据线上的时间决定了数据传输的速率。
串行通信用波特率(bit per second)来描述数据传输的速率，记作bps。
常见的波特率有1200、2400，4800，9600，115200等，表示每秒钟传输的比特数。以9600为例，表明每秒能传输9600个比特。每个比特传输时所需的时间为1/9600秒=1.041*10-4秒。
三、三种串行通信方式在物理表现形式的不同
主机间通信无论采用并行还是串行方式，都无法避免一个物理现象：导线内阻不为零造成的电压衰减。以之前讨论的TTL电平为例，主机之间的距离会造成高电平在接收端出现衰减现象和串扰(指不同信号之间相互干扰导致信号失真)影响。
（一）TTL(Transistor-Transistor Logic)
TTL(Transistor-Transistor Logic)通常指的就是芯片引脚产生的电压，这个电压值跟选择的芯片有关，在51单片机系统下是5v；在2440下是3.3v等等。5vTTL通信距离通常被限制在10~20米之间。（使用TTL方式进行数据传输距离受到很大限制）
逻辑0：0V低电压
逻辑1：取决于芯片本身（供电电压）
（二）RS232标准
5vTTL通信距离通常被限制在10~20米之间，如果需要更远的距离，怎么解决呢？为解决这个问题IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)颁布了RS232标准，其中规定了：
逻辑高电平（逻辑1）：在-3V到-15V之间
逻辑低电平（逻辑0）：在+3V到+15V之间
收发主机间有三根线，分别是收、发和地，因此RS232是全双工的。
理论上RS232能够传输20~30米。
（三）RS485标准
同理RS485使用两根信号线（A和B）来传输数据，通过比较A和B之间的电压差来识别信息，电压范围分别为+7V到+12V和-7V到-12V。正电压表示高电平,负电压表示低电平。这种差分信号传输方式提高了抗干扰能力。RS485的传输距离可达1200米，适用于大范围的数据传输需求。由于采用的是压差，RS485在传输数据的某一时刻，两根线都要用到，所以它是半双工的。
比较A和B之间的电压差：
逻辑1：+7V到+12V
逻辑0：-7V到-12V
四、串行口寄存器
（一）SBUF寄存器（串行口数据缓冲寄存器）
（二）串行口控制寄存器SCON
（三）电源控制寄存器PCON
五、USB下载电路模块
六、练习（实现51单片机与电脑之间的通信）
uart.c
void init_uart(void)
{
//串口接收
SCON &= ~(3 << 6);
SCON |= (1 << 6) | (1 << 4);//使参数生效
PCON &= ~(1 << 6);
PCON |= (1 << 7);//设置波特率，51单片机使用定时器1
TMOD &= ~(0x0F << 4);
TMOD |= (2 << 4); //1<<5 与其效果是一样的，改变第四位和第五位，2为0000 0010
TL1 = 232;//计算出的定时器初值
TH1 = 232;// 打开定时器1
TCON |= (1 << 6);//打开中断控制位及串口控制位
IE |= (1 << 7) | (1 << 4);
}
/*
//全局变量字符型数组
char rcv_buffer[32];
*/
//数组不放到内部RAM放到外部扩展RAM(扩展内存不清0，数组内都是随机数)
xdata char rcv_buffer[32];
unsigned int pos = 0;//中断服务函数（TI RI都会导致中断）;接收需要使用中断
void uart_handler(void) interrupt 4
{
if((SCON & (1 << 0)) == 1)
{
if(pos < 32) //防止越界访问
{
rcv_buffer[pos++] = SBUF;//接收的数据依次存入到该数组
rcv_buffer[pos] = 0; //接收的字符串后加/0标志
}
//P2 = SBUF;
SCON &= ~(1 << 0);//软件复位RI(接收中断请求标志位)清0
}
}//发送（轮询）
void send_char(char ch)
{
SBUF = ch;
while((SCON & (1 << 1)) == 0);
SCON &= ~(1 << 1); //软件复位TI(发送中断请求标志位)清0
}void send_buffer(const char *p, unsigned int len)
{
while(len--)
{
send_char(*p++);
}
}// 发送字符串函数
void send_str(const char *str)
{
unsigned int len = 0;
while (str[len] != '\0') // 计算字符串长度
{
len++;
}
send_buffer(str, len); // 调用send_buffer函数发送字符串
}
main.c
int main(void)
{
const char *s = "Hello World!"; //不常用
//char buffer[] = {0xAA ,0xBB, 0x00, 0x1A};
xdata char buffer[16]; //???
init_uart();
while(1)
{
if(pos != 0)//至少收到一个字节
{
delay(0xAFFF);//保证数据全部收完,有延迟
if(strcmp(rcv_buffer,"Hello") == 0)
{
send_str("Hi");
}
else if(strcmp(rcv_buffer,"See You Later") == 0)
{
send_str("Bye");
}
/*
send_buffer(rcv_buffer, pos);
*/
pos = 0;//保证下一轮从头开始收
}
//send_buffer(buffer, sizeof(buffer) / sizeof(*buffer));
//send_buffer(s,strlen(s));
//send_char('A');
//delay(0xAFFF);
}
}
xdata 的作用
不将内容放在芯片内部的RAM中，放在扩展的RAM中 ；
计算定时器初值的计算公式
2^8-2^smod * focs / 32 / bps / 12
其中smod表示PCON的B7,根据实际情况带入，不是0就是1（SMOD=1波特率翻倍）；
focs晶振频率，我们这是11.0592M;
bps目标波特率我们这是2400
2^8 这里的8来自定时器的工作方式，因为我们使用的是8位自动重装方式，所以是8
按照我们的要求2400bps，smod=1时，该公式计算结果为：232。
七、MODBUS通信协议
modbus协议：
unsigned char s[xx] = ......
该协议对数组每个元素内容都做了定义
