14.1串行通信的初步認(rèn)識 通信按照基本類型可以分為并行通信和串行通信。并行通信時數(shù)據(jù)的各個位同時傳送，可以實現(xiàn)字節(jié)為單位通信，但是因為通信線多占用資源多，成本高。比如我們前邊用到的P0 = 0xfe;一次給P0的8個IO口分別賦值，同時進行信號輸出，類似于有8個車道同時可以過去8輛車一樣，這種形式就是并行的，我們習(xí)慣上還稱P0、P1、P2和P3為51單片機的4組并行總線。 而串行通信，就如同一條車道，一次只能一輛車過去，如果一個0xfe這樣一個字節(jié)的數(shù)據(jù)要傳輸過去的話，假如低位在前高位在后，那發(fā)送方式就是0-1-1-1-1-1-1-1-1，一位一位的發(fā)送出去的，要發(fā)送8次才能發(fā)送完一個字節(jié)。 在我們的STC89C52上，有兩個引腳，是專門用來做UART串口通信的，一個是P3.0一個是P3.1，還分別有另外的名字叫做RXD和TXD，這兩個引腳是專門用來進行UART通信的，如果我們兩個單片機進行UART串口通信的話，那基本的演示圖如圖14-1所示。  圖中，GND表示單片機系統(tǒng)電源的參考地，TXD是串行發(fā)送引腳，RXD是串行接收引腳。兩個單片機之間要通信，首先電源基準(zhǔn)得一樣，所以我們要把兩個單片機的GND相互連起來，然后單片機1的TXD引腳接到單片機2的RXD引腳上，即此路為單片機1發(fā)送而單片機2接收的通道，單片機1的RXD引腳接到單片機2的TXD引腳上，即此路為單片機2發(fā)送而單片機2接收的通道。這個示意圖就體現(xiàn)了兩個單片機各自收發(fā)信息的過程。 當(dāng)單片機1想給單片機2發(fā)送數(shù)據(jù)時，比如發(fā)送一個0xE4這個數(shù)據(jù)，用二進制形式表示就是0b11100100，在UART通信過程中，是低位先發(fā)，高位后發(fā)的原則，那么就讓TXD首先拉低電平，持續(xù)一段時間，發(fā)送一位0，然后繼續(xù)拉低，再持續(xù)一段時間，又發(fā)送了一位0，然后拉高電平，持續(xù)一段時間，發(fā)了一位1......一直到把8位二進制數(shù)字0b11100100全部發(fā)送完畢。這里就牽扯到了一個問題，就是持續(xù)的這“一段時間”到底是多久？從這里引入我們通信中的另外重要概念——波特率，也叫做比特率。 波特率就是發(fā)送一位二進制數(shù)據(jù)的速率，習(xí)慣上用baud表示，即我們發(fā)送一位數(shù)據(jù)的持續(xù)時間=1/baud。在通信之前，單片機1和單片機2首先都要明確的約定好他們之間的通信波特率，必須保持一致，收發(fā)雙方才能正常實現(xiàn)通信，這一點大家一定要記清楚。 約定好速度后，我們還要考慮第二個問題，數(shù)據(jù)什么時候是起始，什么時候是結(jié)束呢？不管是提前接收還是延遲接收，數(shù)據(jù)都會接收錯誤。在UART串行通信的時候，一個字節(jié)是8位，規(guī)定當(dāng)沒有通信信號發(fā)生時，通信線路保持高電平，當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先發(fā)一位0表示起始位，然后發(fā)送8位數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)位是先低后高的順序，數(shù)據(jù)位發(fā)完后再發(fā)一位1表示停止位。這樣本來要發(fā)送一個字節(jié)8位數(shù)據(jù)，而實際上我們一共發(fā)送了10位，多出來的兩位其中一位起始位，一位停止位。而接收方呢，原本一直保持的高電平，一旦檢測到來了一位低電平，那就知道了要開始準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)了，接收到8位數(shù)據(jù)位后，然后檢測到停止位，再準(zhǔn)備下一個數(shù)據(jù)的接收了。我們圖示看一下，如圖14-2所示。  像我們的圖14-2串口數(shù)據(jù)發(fā)送示意圖，實際上是一個時域示意圖，就是信號隨著時間變化的對應(yīng)關(guān)系。比如在單片機的發(fā)送引腳上，左邊的是先發(fā)生的，右邊的是后發(fā)生的，數(shù)據(jù)位的切換時間就是波特率分之一秒，如果能夠理解時域的概念，后邊很多通信的時序圖就很容易理解了。 14.2串行RS232通信接口 在我們的臺式電腦上，經(jīng)常可以看到一個9針的串行接口，這個串行接口叫做RS232接口，它和UART通信有關(guān)聯(lián)，但是由于現(xiàn)在筆記本電腦都不帶這種9針串口了，所以和單片機通信越來越趨向于使用USB虛擬的串口和單片機通信，因此這一節(jié)的內(nèi)容作為了解內(nèi)容，大家知道有這么回事就行。 我們先來認(rèn)識一下這個標(biāo)準(zhǔn)串口，串口分為9針的和9孔的，習(xí)慣上我們也稱之為公頭和母頭，如圖14-3所示。  RS232接口一共有9個引腳，分別定義是：1、載波檢測(DCD)；2、接收數(shù)據(jù)(RXD)；3、發(fā)送數(shù)據(jù)(TXD)；4、數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好(DTR)；5、信號地線(SG)；6、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好(DSR)；7、請求發(fā)送(RTS)；8、清除發(fā)送(CTS)；9、振鈴提示(RI)。我們要讓這個串口和我們單片機進行通信，我們只需要關(guān)心其中的2腳(RXD)，3腳(TXD)和5腳(GND)。 雖然這三個腳的名字和我們單片機上的串口名字一樣，但是卻不能直接和單片機對連直接通信，這是為什么呢？隨著我們了解的內(nèi)容越來越多，我們得慢慢知道，不是所有的電路都是5V代表高電平而0V代表低電平的。對于RS232標(biāo)準(zhǔn)來說，它是個反邏輯，也叫做負邏輯。為何叫負邏輯？它的TXD和RXD的電壓，-3V到-15V代表是1，3-15V之間的電壓代表是0。低電平代表的是1，而高電平代表的是0，所以稱之為負邏輯。因此電腦的9針232串口是不能和單片機直接連接的，需要用一個轉(zhuǎn)換芯片MAX232來完成，如圖14-4所示。  這個芯片就可以實現(xiàn)把標(biāo)準(zhǔn)RS232串口電平轉(zhuǎn)換成我們單片機能夠識別和承受的UART 0V/5V電平標(biāo)準(zhǔn)。從這里大家似乎慢慢有點明白了，其實RS232串口和UART串口，他們的協(xié)議類型是一樣，只是電平不同而已，而MAX232這個芯片起到的就是中間人的作用，他把UART電平轉(zhuǎn)換成RS232電平，也把RS232電平轉(zhuǎn)換成UART電平，從而實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)RS232接口和單片機UART之間的通信連接。 14.3USB轉(zhuǎn)串口通信 隨著技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)上還有RS232串口通信的大量使用，但是商業(yè)技術(shù)的應(yīng)用上，已經(jīng)慢慢的使用USB轉(zhuǎn)UART技術(shù)取代了RS232串口，絕大多數(shù)筆記本電腦已經(jīng)沒有串口這個東西了，那我們要實現(xiàn)單片機和電腦之間的通信該如何辦呢？ 我們只需要在我們電路上添加一個USB轉(zhuǎn)串口芯片，就可以成功實現(xiàn)USB通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)UART串行通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，在我們的開發(fā)板上，我們使用的是CH340T這個芯片，如圖14-5所示。  左側(cè)J2是一組跳線的組合，大家可以在我們板子左下角的跳線位置找到，我們是把3腳和5腳、4腳和6腳通過跳線帽短接到一起。右側(cè)的CH340T這個電路很簡單，把電源電路，晶振電路接好后，6腳和7腳的DP和DM分別接USB口的2個數(shù)據(jù)引腳上去，3腳和4腳通過跳線接到了我們單片機的TXD和RXD上去。 CH340T的電路里3腳位置加了個4148的二極管，是一個小技巧。因為我們的STC89C52RC這個單片機下載程序需要冷啟動，就是先點下載后上電，上電瞬間單片機會先檢測需要不需要下載程序。雖然單片機的VCC是由開關(guān)來控制，但是由于CH340T的3腳是輸出引腳，如果沒有此二極管，開關(guān)后級單片機在斷電的情況下，CH340T的3腳和單片機的P3.0（即RXD）引腳連在一起，有電流會通過這個引腳流入后級電路并且給后級的電容充電，造成后級有一定幅度的電壓，這個電壓值雖然只有兩三伏左右，但是可能會影響到我們的冷啟動。加了二極管后，一方面不影響通信，另外一個方面還可以消除這種問題。這個地方可以暫時作為了解，大家如果自己做這塊電路，可以參考一下。 14.4IO口模擬UART串口通信 為了讓大家充分理解UART串口通信的原理，我們先用P3.0和P3.1這兩個當(dāng)做IO口來進行模擬實際串口通信的過程，原理搞懂后，我們再使用寄存器配置實現(xiàn)串口通信過程。 對于UART串口波特率，常用的值是300、600、1200、2400、4800、9600、14400、19200、28800、38400、57600、115200、128000、256000等速率。IO口模擬UART串行通信程序是一個簡單的演示程序，我們使用串口調(diào)試助手下發(fā)一個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)加1后，再自動返回。串口調(diào)試助手，在我們進行全板子測試視頻的時候，大家已經(jīng)見過，這里我們直接使用STC-ISP軟件自帶的串口調(diào)試助手，先把串口調(diào)試助手使用給大家說一下，如圖14-6所示。第一步要選擇串口助手菜單，第二步選擇十六進制顯示，第三步選擇十六進制發(fā)送，第四步選擇COM口，這個COM口要和自己電腦設(shè)備管理器里的那個COM口一致，波特率是我們程序設(shè)定好的選擇，我們程序中讓一個數(shù)據(jù)位持續(xù)時間是1/9600秒，那這個地方選擇波特率就是選9600，校驗位選N，數(shù)據(jù)位8，停止位1。  串口調(diào)試助手的實質(zhì)就是我們利用電腦上的UART通信接口，通過這個UART接口發(fā)送數(shù)據(jù)給我們的單片機，也可以把我們的單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)接收到這個調(diào)試助手界面上。 因為初次接觸通信方面的技術(shù)，所以我對這個程序進行一下解釋，大家可以邊看我的解釋邊看程序，把底層原理先徹底弄懂。 變量定義部分就不用說了，直接看main主函數(shù)。首先是對通信的波特率的設(shè)定，在這里我們配置的波特率是9600，那么串口調(diào)試助手也得是9600。配置波特率的時候，我們用的是定時器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在進行計數(shù)了。當(dāng)TL0溢出后，不僅僅會讓TF0變1，而且還會將TH0中的內(nèi)容重新自動裝到TL0中。這樣有一個好處，我們可以把我們想要的定時器初值提前存在TH0中，當(dāng)TL0溢出后，TH0自動把初值就重新送入TL0了，全自動的，不需要程序上再給TL0重新賦值了，配置方式很簡單，大家可以自己看下程序并且計算一下初值。 波特率設(shè)置好以后，打開中斷，然后等待接收串口調(diào)試助手下發(fā)的數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)的時候，首先要進行低電平檢測 while (PIN_RXD)，若沒有低電平則說明沒有數(shù)據(jù)，一旦檢測到低電平，就進入啟動接收函數(shù)StartRXD()。接收函數(shù)最開始啟動半個波特率周期，初學(xué)可能這里不是很明白。大家回頭看一下我們的圖14-2里邊的串口數(shù)據(jù)示意圖，信號在數(shù)據(jù)位電平變化的時候去讀，因為時序上的誤差以及信號穩(wěn)定性的問題很容易讀錯數(shù)據(jù)，所以我們希望在信號最穩(wěn)定的時候去讀數(shù)據(jù)。除了信號變化的那個沿的位置外，其他位置都很穩(wěn)定，那么我們現(xiàn)在就約定在信號中間位置去讀取電平狀態(tài)，這樣能夠保證我們信號讀的是對的。 一旦讀到了起始信號，我們就把當(dāng)前狀態(tài)設(shè)定成接受狀態(tài)，并且打開定時器中斷，第一次是半個周期進入中斷后，對起始位進行二次判斷一下，確認(rèn)一下起始位是低電平，而不是一個干擾信號。以后每經(jīng)過9600分之一秒進入一次中斷，并且把這個引腳的狀態(tài)讀到RxdBuf里邊。等待接收完畢之后，我們再把這個RxdBuf加1，再通過TXD引腳發(fā)送出去，同樣需要先發(fā)一位起始位，然后發(fā)8個數(shù)據(jù)位，再發(fā)結(jié)束位，發(fā)送完畢后，程序運行到while (PIN_RXD)，等待第二輪信號接收的開始。 #include <reg52.h> sbit PIN_RXD = P3^0; //接收引腳定義 sbit PIN_TXD = P3^1; //發(fā)送引腳定義 bit RxdOrTxd = 0; //指示當(dāng)前狀態(tài)為接收還是發(fā)送 bit RxdEnd = 0; //接收結(jié)束標(biāo)志 bit TxdEnd = 0; //發(fā)送結(jié)束標(biāo)志 unsigned char RxdBuf = 0; //接收緩沖器 unsigned char TxdBuf = 0; //發(fā)送緩沖器 void ConfigUART(unsigned int baud); void StartTXD(unsigned char dat); void StartRXD(); void main () { ConfigUART(9600); //配置波特率為9600 EA = 1; //開總中斷
while(1) { while (PIN_RXD); //等待接收引腳出現(xiàn)低電平，即起始位 StartRXD(); //啟動接收 while (!RxdEnd); //等待接收完成 StartTXD(RxdBuf+1); //接收到的數(shù)據(jù)+1后，發(fā)送回去 while (!TxdEnd); //等待發(fā)送完成 } } void ConfigUART(unsigned int baud) //串口配置函數(shù)，baud為波特率 { TMOD &= 0xF0; //清零T0的控制位 TMOD |= 0x02; //配置T0為模式2 TH0 = 256 - (11059200/12) / baud; //計算T0重載值 } void StartRXD() //啟動串行接收 { TL0 = 256 - ((256-TH0) >> 1); //接收啟動時的T0定時為半個波特率周期 ET0 = 1; //使能T0中斷 TR0 = 1; //啟動T0 RxdEnd = 0; //清零接收結(jié)束標(biāo)志 RxdOrTxd = 0; //設(shè)置當(dāng)前狀態(tài)為接收 } void StartTXD(unsigned char dat) //啟動串行發(fā)送，dat為待發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù) { TxdBuf = dat; //待發(fā)送數(shù)據(jù)保存到發(fā)送緩沖器 TL0 = TH0; //T0計數(shù)初值為重載值 ET0 = 1; //使能T0中斷 TR0 = 1; //啟動T0 PIN_TXD = 0; //發(fā)送起始位 TxdEnd = 0; //清零發(fā)送結(jié)束標(biāo)志 RxdOrTxd = 1; //設(shè)置當(dāng)前狀態(tài)為發(fā)送 } void InterruptTimer0() interrupt 1 //T0中斷服務(wù)函數(shù)，處理串行發(fā)送和接收 { static unsigned char cnt = 0; //bit計數(shù)器，記錄當(dāng)前正在處理的位 if (RxdOrTxd) //串行發(fā)送處理 { cnt++; if (cnt <= 8) //低位在先依次發(fā)送8bit數(shù)據(jù)位 { PIN_TXD = TxdBuf & 0x01; TxdBuf >>= 1; } else if (cnt == 9) //發(fā)送停止位 { PIN_TXD = 1; } else //發(fā)送結(jié)束 { cnt = 0; //復(fù)位bit計數(shù)器 TR0 = 0; //關(guān)閉T0 TxdEnd = 1; //置發(fā)送結(jié)束標(biāo)志 } } else //串行接收處理 { if (cnt == 0) //處理起始位 { if (!PIN_RXD) //起始位為0時，清零接收緩沖器，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)位 { RxdBuf = 0; cnt++; } else //起始位不為0時，中止接收 { TR0 = 0; //關(guān)閉T0 } } else if (cnt <= 8) //處理8位數(shù)據(jù)位 { RxdBuf >>= 1; //低位在先，所以將之前接收的位向右移 if (PIN_RXD) //接收腳為1時，緩沖器最高位置1；為0時不處理即仍保持移位后的0 { RxdBuf |= 0x80; } cnt++; } else //停止位處理 { cnt = 0; //復(fù)位bit計數(shù)器 TR0 = 0; //關(guān)閉T0 if (PIN_RXD) //停止位為1時，方能認(rèn)為數(shù)據(jù)有效 { RxdEnd = 1; //置接收結(jié)束標(biāo)志 } } } } 通過學(xué)習(xí)上面的程序，也慢慢感受到了，程序的延時部分已經(jīng)不再使用簡單的delay來完成了，我們要通過我們的程序編寫積累，慢慢提高自己靈活運用定時器的能力。一個小小的定時器，可以幫我們完成很多很多工作。 |
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