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c51串口通信原理及实操

news 2025/9/6 9:14:23

UART(外设)

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（通信主机）之间进行通信？
在这里插入图片描述
GND:
并行通信：一次性将多条数据传输
优点：效率高
缺点：单片机引脚资源有限，并行通信方法占用大量的应用层资源
解决方法：按位序依次发送部分数据

串行通信：同一时刻传输一个bit

例：USB
串口通信既可以是全双工的，也可以是半双工或单工的，这取决于具体的硬件设计和通信协议。

  • 全双工：最常见的串口（如RS-232、RS-422）支持全双工通信，即通信双方可以同时发送和接收数据。这是因为它们使用独立的发送线（TX）和接收线（RX），两条路信号传输互不干扰。例如，计算机与外部设备通过RS-232串口通信时，双方可同时收发数据。

  • 半双工：某些串口设计（如RS-485）默认工作在半双工模式，发送和接收共用同一组线路，因此同一时间只能单向传输（要么发送，要么接收），需要通过控制信号切换方向。

  • 单工：少数特殊场景下（如某些简单传感器的数据发送），串口可能被设计为单工模式，只能单向传输（要么只能发送，要么只能接收）。

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半双工通信：

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单工通信：

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串口通信：

串口通信是一种特殊的串行通信,属于全双工通信
接收信号：RXD
发送信号：TXD
在串口通信中，RXD和TXD是最核心的两根数据线，用于明确数据的传输方向，具体含义如下：

1. RXD（Receive Data）：接收信号线

  • 功能：用于接收外部设备发送过来的数据。
  • 例：当计算机与单片机通信时，计算机的RXD线连接单片机的TXD线，以接收单片机发送的数据；反之，单片机的RXD线连接计算机的TXD线，以接收计算机发送的指令。

2. TXD（Transmit Data）：发送信号线

  • 功能：用于向外部设备发送数据。
  • 例：单片机通过自身的TXD线，将采集到的传感器数据发送到计算机的RXD线；计算机也通过自身的TXD线，将控制指令发送到单片机的RXD线。

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&

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空闲位：高电平
起始位：低电平
发送顺序：低位先行
奇偶校验正确率：50%
奇校验：
偶校验：
无校验：
停止位：高电平

波特率bps：1200，2400，4800，9600，115200…（bit/s）

传输1bit所需时间：1/波特率

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根据所给参数计算每秒传输有效字节数：

  1. 波特率定义：9600波特率表示每秒传输9600个二进制位（bit）。

  2. 串口数据帧结构（按你的参数）：

    • 起始位：1bit（固定，用于标识数据开始）
    • 数据位：8bit（约定的传输比特数）
    • 校验位：0bit（n：无奇偶校验）
    • 停止位：1bit（约定的停止位长度）
    • 每帧总长度：1+8+0+1 = 10bit

  3. 每秒传输字节数计算：

    • 1字节（Byte）= 8bit（数据位，不包含控制位）
    • 每秒可传输的帧数：9600bit ÷ 10bit/帧 = 960帧
    • 每帧包含1个有效字节（8bit数据位），因此每秒传输字节数 = 960字节

关键说明

  • 停止位“不固定”是指可设置为1bit、1.5bit或2bit（根据协议约定），若你的场景中停止位为1bit，计算完全成立。
  • 若停止位为2bit，结果则为9600÷(1+8+0+2)=872字节/秒，需根据实际配置调整。

综上，在“9600波特率、8数据位、无校验、1停止位”的配置下，每秒可传输960字节

————————————————————————————————————————————

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1. 同步通信与异步通信的核心区别（以SCL为标志）

  • 同步通信：
    通信双方共用一条独立的时钟信号线（如I2C的SCL），发送方通过SCL线向接收方发送时钟信号，双方以该时钟的节拍同步数据传输（即“时钟同步”）。
    例如：I2C、SPI协议，均通过SCL（或SCK）时钟线实现同步，数据在时钟的上升沿/下降沿被采样。

  • 异步通信：
    没有独立的时钟信号线（无SCL），通信双方需提前约定相同的波特率（数据传输速率），通过数据信号中的起始位、停止位等“约定规则”实现同步。
    例如：串口通信（UART），发送方和接收方靠预设的波特率（如9600、115200）保持节奏一致，无需额外时钟线。

2. 串口通信的本质：异步串行全双工

  • 异步：如上述，串口通信没有SCL时钟线，依赖波特率约定和数据帧格式（起始位、数据位、校验位、停止位）实现同步，属于异步通信。
  • 串行：数据按位依次传输（而非并行传输多位），仅通过一根数据线（如TX/RX）即可完成单向数据传输。
  • 全双工：标准串口（如RS-232）通过两根独立的数据线（TX发送线、RX接收线）实现双向通信，双方可同时发送和接收数据（如计算机与串口设备通信时，可一边发送指令，一边接收反馈）。

3. 对比I2C（含SCL/SDA）与串口通信

协议时钟线（SCL）数据线（SDA/TX/RX）通信方式典型应用场景
I2C有（必需）1根（双向复用）同步串行半双工芯片间短距离通信（如传感器与MCU）
串口（UART）无2根（TX发送、RX接收）异步串行全双工设备间远距离通信（如PLC与上位机）

简言之，SCL的有无是区分同步与异步通信的关键标志：有SCL（如I2C）为同步通信，无SCL（如串口）为异步通信。而串口通信凭借独立的收发线，同时具备了“全双工”能力，是工业控制、设备互联中最常用的异步串行通信方式。
以下是关于主机间通信及相关标准的清晰总结：

一、通信中的基础问题

单片机：使用TTL

  • 核心问题：导线存在内阻，导致电压随传输距离增加而衰减，同时易产生串扰（信号相互干扰失真）。
  • TTL电平限制：
    • 电压值与芯片相关（如51单片机为5V，2440为3.3V）。
    • 5V TTL通信距离通常仅10-20米，超过则信号不稳定。

二、RS232标准（解决短距离通信）

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  • 电平定义：
    • 逻辑高电平：-3V ~ -15V
    • 逻辑低电平：+3V ~ +15V
  • 线路结构：收线（RX）、发线（TX）、地线（GND），共3根线。
  • 通信方式：全双工（双方可同时收发数据）。
  • 传输距离：理论20-30米。

三、RS485标准（解决长距离通信）

  • 信号传输：通过A、B两根信号线，以两者的电压差识别信息：
    • 正电压差（A > B）：高电平
    • 负电压差（A < B）：低电平
    • 电压范围：±7V ~ ±12V
    • +7+12v：表1；-7-12v表0；
  • 抗干扰能力：差分信号设计，抗干扰性强。
  • 通信方式：半双工（同一时间只能单向传输）。
  • 传输距离：可达1200米，适合大范围数据传输。

三种方案对比：

类型通信方式传输距离抗干扰性适用场景
TTL全双工10-20米较弱短距离板间通信
RS232全双工20-30米中等短距离设备连接
RS485半双工可达1200米强长距离总线通信

实操：

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需要使用到定时器1
设置定时计数器1初值：
设置为8位自动重载模式
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定时器1初值计算：

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SMOD:0/1
focs：晶振频率： 单位MHZ
256-21*晶振频率（12）*106/32/设定的波特率（1200）/12=204；
——————————————————————————————
怎么计算不同串行口工作方式下的波特率？
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TB8：奇偶校验
TI:手动清零，发送中断请求标志位，用于中断其他请求待信息发送完毕后清零
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RI:手动清零，软件复位

总结：要做到发送数据：

1：打开中断开关（定时器一）

2：设置定时器一的工作模式

3：确定SCON下串行口的工作方式

4：修改SCON下的各位置一/零情况

收发数据寄存器：

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写发送代码：

1200 n，8，1

1：确认工作方式：
8位：数据位比特数
9位：数据位比特数加上一比特的的奇偶校验位
所以我们选择方式一
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为避免电路故障：

//1:初始化函数
void init_uart(void)
{unsigned char t;t=SCON;t &=~(3<<6);//先将第SM0和SM1清零t |=(1<<6);//使用方式一：SM1置1SCON=t;}

REN置1，

void init_uart(void)
{unsigned char t;t=SCON;t &=~(3<<6);//先将第SM0和SM1清零t |=(1<<6)|(1<<4);//使用方式一：SM1置1SCON=t;}

让SMOD置1，波特率加倍：
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void init_uart(void)
{unsigned char t;t=SCON;t &=~(3<<6);//先将第SM0和SM1清零t |=(1<<6)|(1<<4);//使用方式一：SM1置1SCON=t;PCON |=(1<<7);//SMOD置1//设置定时器一：}

设置定时器一：
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使用单片机晶振为11.0596MHZ

//1:初始化函数
void init_uart(void)
{//设置串口：unsigned char t;t=SCON;t &=~(3<<6);//先将第SM0和SM1清零t |=(1<<6)|(1<<4);//使用方式一：SM1置1SCON=t;PCON |=(1<<7);//SMOD置1//设置定时器一：t=TMOD;t&= ~(3<<4);t |= (2<<4);t &= ~(3 << 6);TMOD = t;TH1 = 208;TL1 = 208;TCON |= (1 << 6);}

发送数据：

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void send_char(char ch)
{SBUF = ch;while((SCON & (1 << 1)) == 0);	 //TI为1时数据发送完毕，TI为0时数据正在发送SCON &= ~(1 << 1);//手动置0
}

总代码：发送字符

#include<reg52.h>
#include"delay.h"
//1:初始化函数
void init_uart(void)
{//设置串口：unsigned char t;t=SCON;t &=~(3<<6);//先将第SM0和SM1清零t |=(1<<6)|(1<<4);//使用方式一：SM1置1SCON=t;PCON |=(1<<7);//SMOD置1//设置定时器一：t=TMOD;t &= ~(3<<4);t |= (2<<4);t &= ~(3<< 6);TMOD = t;TH1 = 208;	//256-2*11.0596*1000000/32/1200/12=208TL1 = 208;TCON |= (1 << 6);	//	打开定时器t1的运行控制位，置1}void send_char(char ch)
{SBUF = ch;while((SCON & (1 << 1)) == 0);	 //TI为1时数据发送完毕，TI为0时数据正在发送SCON &= ~(1 << 1);		//手动置0
}int main(void)
{init_uart();while(1){send_char('A');//65delay(0x9FFF);	}return 0;
}

发送字符串：（不能使用printf，但是可以使用sprintf）

记得包string.h和strlen.h库

#include<reg52.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include"delay.h"
//1:初始化函数
void init_uart(void)
{//设置串口：unsigned char t;t=SCON;t &=~(3<<6);//先将第SM0和SM1清零t |=(1<<6)|(1<<4);//使用方式一：SM1置1SCON=t;PCON |=(1<<7);//SMOD置1//设置定时器一：t=TMOD;t &= ~(3<<4);t |= (2<<4);t &= ~(3<< 6);TMOD = t;TH1 = 208;	//256-2*11.0596*1000000/32/1200/12=208TL1 = 208;TCON |= (1 << 6);	//	打开定时器t1的运行控制位，置1}void send_char(char ch)
{SBUF = ch;while((SCON & (1 << 1)) == 0);	 //TI为1时数据发送完毕，TI为0时数据正在发送SCON &= ~(1 << 1);		//手动置0
}
void send_buff(const char *p,int len)
{while(len--){send_char(*p++);}
}
int main(void)
{const char *s="HELLO WORLD!";int n=10,m=20;xdata char buffer[32];init_uart();while(1){//	send_char('A');//65sprintf(buffer,"%d+%d=%d我去",m,n,m+n);send_buff(buffer,strlen(buffer));delay(0x9FFF);	}return 0;
}

51单片机：大端字节序

接收数据：

IE |= (1<<7)|(1<<4);  //打开允许中断寄存器

void uart_handler(void) interrupt 4
{if((SCON & (1<<0)) != 0){P2 = SBUF;SCON &= ~ (1<<0);//手动（软件）置0}
}

#include<reg52.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include"delay.h"
//1:初始化函数
void init_uart(void)
{//设置串口：unsigned char t;t=SCON;t &=~(3<<6);//先将第SM0和SM1清零t |=(1<<6)|(1<<4);//使用方式一：SM1置1SCON=t;PCON |=(1<<7);//SMOD置1IE |= (1<<7)|(1<<4);  //打开允许中断寄存器//设置定时器一：t=TMOD;t &= ~(3<<4);t |= (2<<4);t &= ~(3<< 6);TMOD = t;TH1 = 208;	//256-2*11.0596*1000000/32/1200/12=208TL1 = 208;TCON |= (1 << 6);	//	打开定时器t1的运行控制位，置1}void uart_handler(void) interrupt 4
{if((SCON & (1<<0)) != 0){P2 = SBUF;SCON &= ~ (1<<0);//手动（软件）置0}
}void send_char(char ch)
{SBUF = ch;while((SCON & (1 << 1)) == 0);	 //TI为1时数据发送完毕，TI为0时数据正在发送SCON &= ~(1 << 1);		//手动置0
}
void send_buff(const char *p,int len)
{while(len--){send_char(*p++);}
}
int main(void)
{int a,b,c,d,f,g;const char *s="HELLO WORLD!";int n=10,m=20;xdata char buffer[32];a=sizeof(int);	//2b=sizeof(char);	 //1c=sizeof(short); //2d=sizeof(long);	//4
//	e=sizeof(longlong);//f=sizeof(float); //	4g=sizeof(double);//	4init_uart();while(1){//	send_char('A');//65sprintf(buffer,"size=%d\n",g);send_buff(buffer,strlen(buffer));delay(0x9FFF);	}return 0;
}

主从应答：

#include<reg52.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include"delay.h"
//1:初始化函数
void init_uart(void)
{//设置串口：unsigned char t;t=SCON;t &=~(3<<6);//先将第SM0和SM1清零t |=(1<<6)|(1<<4);//使用方式一：SM1置1SCON=t;PCON |=(1<<7);//SMOD置1IE |= (1<<7)|(1<<4);  //打开允许中断寄存器//设置定时器一：t=TMOD;t &= ~(3<<4);t |= (2<<4);t &= ~(3<< 6);TMOD = t;TH1 = 208;	//256-2*11.0596*1000000/32/1200/12=208TL1 = 208;TCON |= (1 << 6);	//	打开定时器t1的运行控制位，置1}//定义片外缓冲区
xdata char rcv_buffer[64];
int pos = 0;//接收字符个数void uart_handler(void) interrupt 4
{if((SCON & (1<<0)) != 0){rcv_buffer[pos++] = SBUF;SCON &= ~ (1<<0);}
}void send_char(char ch)
{SBUF = ch;while((SCON & (1 << 1)) == 0);	 //TI为1时数据发送完毕，TI为0时数据正在发送SCON &= ~(1 << 1);		//手动置0
}
void send_buff(const char *p,int len)
{while(len--){send_char(*p++);}
}
int main(void)
{init_uart();while(1){//	send_char('A');//65if(pos !=0){delay(0xFFFF);send_buff(rcv_buffer,pos);}}return 0;
}

规定应答：

xdata char rcv_buffer[64]={0};//初始化

memset(rcv_buffer,0,sizeof(rcv_buffer));//记得清空缓冲区！！！

#include<reg52.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include"delay.h"
//1:初始化函数
void init_uart(void)
{//设置串口：unsigned char t;t=SCON;t &=~(3<<6);//先将第SM0和SM1清零t |=(1<<6)|(1<<4);//使用方式一：SM1置1SCON=t;PCON |=(1<<7);//SMOD置1IE |= (1<<7)|(1<<4);  //打开允许中断寄存器//设置定时器一：t=TMOD;t &= ~(3<<4);t |= (2<<4);t &= ~(3<< 6);TMOD = t;TH1 = 208;	//256-2*11.0596*1000000/32/1200/12=208TL1 = 208;TCON |= (1 << 6);	//	打开定时器t1的运行控制位，置1}//定义片外缓冲区
xdata char rcv_buffer[64]={0};
int pos = 0;//接收字符个数void uart_handler(void) interrupt 4
{if((SCON & (1<<0)) != 0){rcv_buffer[pos++] = SBUF;SCON &= ~ (1<<0);}
}void send_char(char ch)
{SBUF = ch;while((SCON & (1 << 1)) == 0);	 //TI为1时数据发送完毕，TI为0时数据正在发送SCON &= ~(1 << 1);		//手动置0
}
void send_buff(const char *p,int len)
{while(len--){send_char(*p++);}
}
int main(void)
{init_uart();while(1){//	send_char('A');//65if(pos !=0){delay(0xFFFF);if(strcmp(rcv_buffer,"china")==0){send_buff("ok",2);}else if(strcmp(rcv_buffer,"hello")==0){send_buff("confirm",7);}pos = 0;memset(rcv_buffer,0,sizeof(rcv_buffer));//记得清空缓冲区！！！}}return 0;
}

传递数据时常用hex：十六进制数传递

modbus协议：

通常上位机一个，下位机若干个
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上位机生成协议数据：

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下位机读取执行


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