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《嵌入式硬件（三）：串口通信》

news 2025/9/6 9:51:52

UART通信基础概念

并行与串行

并行：同一时刻可传输多个比特
串行：同一时刻仅传输一个比特

通信模式

全双工：收发可同时进行
半双工：收发不可同时进行
单工：单向通信

串口通信格式（TTL电平）

串口通信格式，以TTL为例

空闲时数据线为高电平；
发送发发送一个低电平表示起始位；
LSB低位,MSB高位（先发低位），发送的第一个比特是最低为(最右边);
校验位分为奇校验，偶校验和无校验。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；Odd奇校验，enev，偶校验
为保证下一个字节发送前的起始位能够表现出来，校验位之后发送一个停止位1。

参数表示

示例：9600, n, 8, 1
- 波特率：9600
- 校验位：无（n），Odd奇校验，enev偶校验
- 数据位：8
- 停止位：1

异步与同步判断

同步：存在时钟线（SCL）
异步：无时钟线

长距离通信问题与解决方案

主机间通信时的电器物理问题

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。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。

解决长距离通信问题

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。

RS485的优势

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。

串口寄存器与波特率计算

寄存器配置

SCON：串口控制寄存器
PCON：电源控制寄存器（波特率倍增）

波特率公式
2^8-2^smod * focs / 32 / bps / 12

代码示例：数据类型大小测量

#include <reg52.h>
#include "delay.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>void init_uart(void)
{unsigned char t;t = SCON;t &= ~(3 << 6);t |= (1 << 6);t |= (1 << 4);SCON = t;t = IE;t |= (1 << 7);t |= (1 << 3);IE = t;PCON |= (1 << 7);t = TMOD;t &= ~(3 << 4);t |= (2 << 4);t &= ~(3 << 6);TMOD = t;TH1 = 204;TL1 = 204;TCON = (1 << 6);
}void send_char(char ch)
{SBUF = ch;while(0 == (SCON & (1 << 1)));SCON &= ~(1 << 1);
}void send_buffer(const char *p, int len)
{while(len--){send_char(*p++);}
}int main(void)
{int x;char y;const char *s = "Hello World!";int n = 10, m = 20;xdata char buffer[32];xdata char buffer1[1];init_uart();while(1){x = sizeof(int);sprintf(buffer, "size int = %d\n", x);send_buffer(buffer, strlen(buffer));x = sizeof(char);sprintf(buffer, "size char = %d\n", x);send_buffer(buffer, strlen(buffer));x = sizeof(float);sprintf(buffer, "size float = %d\n", x);send_buffer(buffer, strlen(buffer));x = sizeof(short);sprintf(buffer, "size short = %d\n", x);send_buffer(buffer, strlen(buffer));x = sizeof(double);sprintf(buffer, "size double = %d\n", x);send_buffer(buffer, strlen(buffer));x = sizeof(s);sprintf(buffer, "size * = %d\n", x);send_buffer(buffer, strlen(buffer));x = sizeof(short);sprintf(buffer, "size short = %d\n", x);send_buffer(buffer, strlen(buffer));x = sizeof(long);sprintf(buffer, "size long = %d\n", x);send_buffer(buffer, strlen(buffer));x = y;sprintf(buffer1, "big or small = %d", x);send_buffer(buffer1, strlen(buffer1));delay(0x9FFF);	}return 0;
}

输出结果示例
size int = 2
size char = 1
size float = 4
size short = 2
size double = 4
size * = 3
size short = 2
big or small = 0（大端）

主从通信协议解析

数据帧格式

示例：AA 01 01 04 D2 82 0D
- 起始符：AA
- 从机地址：01
- 功能码：01
- 数据长度/寄存器地址：04
- CRC16校验：D2 82
- 结束符：0D

代码实现（解析帧）

#include <reg52.h>
#include "delay.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "digiter.h"void init_uart(void)
{unsigned char t;t = SCON;t &= ~(3 << 6);t |= (1 << 6) | (1 << 4);SCON = t;PCON |= (1 << 7);IE |= (1 << 7) | (1 << 4);t = TMOD;t &= ~(3 << 4);t |= (2 << 4);t &= ~(3 << 6);TMOD = t;TH1 = 204;TL1 = 204;TCON |= (1 << 6);
}xdata char rcv_buffer[64] = {0};
int pos = 0;				  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);SCON &= ~(1 << 1);
}void send_buffer(const char *p, int len)
{while(len--){send_char(*p++);}	
}int digiter_num = 0;unsigned char sumOfTheArray(unsigned char *p, int len)
{unsigned char sum = 0;int i;for(i = 0;i < len;++i){sum += p[i];}return sum;
}void parse(void)		   //0xAA 0000 0000 1010 1010     unsigned char 
{if((unsigned char)rcv_buffer[0] == 0xAA && (unsigned char)rcv_buffer[pos - 1] == 0x0D){if((unsigned char)rcv_buffer[1] == 0x01){if(sumOfTheArray(rcv_buffer, 5) == (unsigned char)rcv_buffer[5]){unsigned char order;order = rcv_buffer[2];switch(order){case 1:digiter_num = 1234;break;case 2:P2 = 0;	break;default:break;}}}}
}int main(void)
{init_uart();while(1){if(pos != 0){delay(0xFFFF);	//0x04 	0xD2parse();	pos = 0;memset(rcv_buffer, 0, sizeof(rcv_buffer));}show_number(digiter_num);}return 0;
}