单片机C语言串口通信协议
现实生活中， 我们总是要与人打交道，互通有无。单片机也一样，需要跟各种设备交互。例如汽车的显示仪表需要知道汽车的转速及电动机的运行参数，那么显示仪表就需要从汽车的底层控制器取得数据。而这个数据的获得过程就是一个通信过程。类似的例子还有控制器通常是单片机或者plc与变频器的通信。通信的双方需要遵守一套既定的规则也称为协议，这就好比我们人之间的对话，需要在双方都遵守一套语言语法规则才有可能达成对话。
通信协议又分为硬件层协议和软件层协议。硬件层协议主要规范了物理上的连线，传输电平信号及传输的秩序等硬件性质的内容。常用的硬件协议有串口，iic， spi， rs485， can和 usb。软件层协议则更侧重上层应用的规范，比如modbus协议。
好了，那这里我们就着重介绍51单片机的串口通信协议，以下简称串口。串口的6个特征如下。
（1）、物理上的连线至少3根，分别是tx数据发送线，rx数据接收线，gnd共用地线。
（2）、0与1的约定。rs232电平，约定﹣5v至﹣25v之间的电压信号为1，﹢5v至﹢25v之间的电压信号为0 。ttl电平，约定5v的电压信号为1，0v电压信号为0 。cmos电平，约定3.3v的电压信号为1，0v电压信号为0 。其中，cmos电平一般用于arm芯片中。
（3）、发送秩序。低位先发。
（4）、波特率。收发双方共同约定的一个数据位（0或1）在数据传输线上维持的时间。也可理解为每秒可以传输的位数。常用的波特率有300bit/s, 600bit/s, 2400bit/s, 4800bit/s, 9600bit/s。
（5）、通信的起始信号。发送方在没有发送数据时，应该将tx置1 。当需发送时，先将tx置0，并且保持1位的时间。接受方不断地侦测rx，如果发现rx常时间变高后，突然被拉低（置为0），则视为发送方将要发送数据，迅速启动自己的定时器，从而保证了收发双方定时器同步定时。
（6）、停止信号。发送方发送完最后一个有效位时，必须再将tx保持1位的时间，即为停止位。
好了，理论暂时到这里，现在我们要做一个实验，将一个字节从51单片机发送到电脑串口调试助手上。这个实验的目的是为了掌握串口通信协议的收发过程。
虚拟串口
实验一、虚拟串口实验
一般单片机都有专门的串口引脚，51里面分别是p3.0和p3.1，这些引脚拥有串口的硬件电路，因此使用它们并不需要设置信号的发送停止。为了掌握协议，我们使用其他的引脚来模拟串口，所以也叫虚拟串口。这里我们选用p1.0，然而注意到我们51单片机要发送数据给电脑，必须经过一个串口转usb设备（即ttl电平转换为rs232电平），而限于我们的开发板只有p3.0与p3.1连接到了串口转usb设备，所以我们可以将p1.0短接到p3.1 。下图是这个串口转usb的原理图。
好了直接上代码吧。
#include reg51.h /* 将p1.0虚拟成串口发送脚tx 以9600bit/s的比特率向外发送数据 因为波特率是 9600bit/s 所以me发送一位的时间是 t=1000000us/9600=104us */ sbit tx=p3^1; //p1^0 output ttl signal, need to transferred to rs232 signal, can be connected to p3^1 #define u16 unsigned int //宏定义 #define u8 unsigned char u8 sbuf; bit ti=0; void delay(u16 x) { while(x--); } void timer0_init() { tmod |= 0x01; th0=65440/256; th0=65440%256; tr0=0; } void isr_init() { ea=1; et0=1; } void send_byte(u8 dat) { sbuf=dat;//通过引入全局变量sbuf，可以保存形参dat tx=0; //a 起始位 tr0=1; while(ti==0); //等待发送完成 ti=0; //清除发送完成标志 } void tf0_isr() interrupt 1 //每104us进入一次中断 { static u8 i; //记录进入中断的次数 th0=65440/256; tl0=65440%256; i++; if(i>=1 && i<=8) { if((sbuf&(1<<(i-1)))==0) // (sbuf&(1<=1 && i<=8)来判断是否发送完数据位。然后再通过if(i==9) 来发送停止位，最后当i=10时，也就是发送完了，这时候要关闭定时器（那么程序也就），同时i置0，ti置1（才能跳出while(ti==0)循环），最后将ti置0，保证下次要发送字节时让程序停留在while(ti==0)。
片上串口
以上说的是虚拟串口，上文中谈到与串口相关的引脚p3.0与p3.1，事实上51单片机自带片上串口，那这个串口又该怎么使用呢？
片上串口支持同步模式与异步模式。简单来说同步模式就是指有时钟线，而异步模式无时钟线。这里的时钟线是指在同步通信时，用一根线专门传输时钟信号，这个信号用来与要发送的每一位保持同步，这样就避免了例如异步通信中因为采用定时器而引入的时间误差。
片上串口还支持8位模式和9位模式。如下图所示
其中d0-d7是一个字节的8个位。9位模式只是多了一个位tb8，这个tb8的作用是奇偶校验或多机通信。奇偶校验原理这不加分析。多机通信时比如主机只发送数据给网络中的一台地址为0x02的设备，这时候先让tb8为1，前面的d0-d7则为地址即0x02，之后再让tb8为0，前面的d0-d7则为数据了。
上面设置了片上串口的模式，另外还要设置串口的波特率。
片上串口的波特率等于定时器1工作在方式2时溢出率的32分频。如果要定时器1工作在方式2，那么tmod＝0x20。另外要保证为32分频，我们还必须设置计数器初值。设晶振为11.0592mhz，则定时器的计数脉冲为f＝f/12，则定时器每计一个脉冲的时间为t＝12/f。又令计数器的起点为x，则溢出一次要计的脉冲数为（256－x所以在计数起点为x时，溢出一次的时间为t＝12/f*（256－x则对应的溢出率为1/t＝f/（12*（256－x）对应的波特率就为b＝f/（384*（256－x）
x＝256－f/(384*b)
其中f为晶振频率，b为希望的波特率，x为定时器的计数起点th1的值。
例如当晶振为11.0592m，希望波特率为9600bit/s，则th1＝253。题外话，我们同样可以演算出在其他常用波特率情况下，th1始终为一个整数。这里也就解释了为什么51里面选用了11.0592m的晶振而不是12m，这样就保证了串口的时序更加准确，虽然牺牲了定时器的准确度。
实验二，片外串口发送一个字节。
好了现在开始我们的实验之旅。直接看代码吧。
# include reg51.h #define u16 unsigned int # define u8 unsigned char void delay(u16 x) { while (x--); } void uart_init() //串口初始化 { scon = 0x50; //8位异步模式 tmod |= 0x20; //定时器1工作方式2 th1 = 253; //9600bit/s tr1 = 1; } void send_byte(u8 dat) { sbuf = dat; //启动发送，只需要把发送内容给sbuf这个寄存器 while (ti == 0); //等待发送完成，因为ti为1时表示在发送停止位 ti = 0; } void main() { uart_init(); while (1) { send_byte('m'); delay(60000); } }
实验二较之实验一，代码减少了很多，而且不用考虑繁琐的位发送时序。只需要明白各个寄存器scon，tmod，tcon，sbuf的用法。ti是scon中的第一位，为发送中断请求标志位。在本方式中，在停止位开始发送时由内部硬件置位，响应中断后ti必须又软件清零。
实验三、片上串口发送一个字符串
上面介绍了如何发送一个字节，那如何发送一个字符串甚至文本呢？这里我们首先介绍下字符串的概念。
字符串：从存储器的某个地址开始，连续存放多个字符的ascii码，并且在最后一个字符的后面存放一个0，这段连续的内存空间就叫字符串，最后的0叫字符串的结束符。注意这里的0和加单引号的0不是一个概念，加单引号的0是指0的ascii码。
数组与字符串的关系：字符串是数组的一种特殊情况，数组在特定条件下可当做字符串用。c语言用双引号描述一个字符串，如“abcd”。
下面我们通过一个实验来展示如何发送字符串。我们实验的目标是打印字符串“hello world ! 第一!”到打印机。直接上代码。
#include reg51.h #define u16 unsigned int #define u8 unsigned char void delay(u16 x) { while(x--); } void uart_init() //串口初始化 { scon=0x50; //8位异步模式 tmod|=0x20; //定时器1工作方式2 th1=253;//9600bit/s tr1=1; } void send_byte(u8 dat) //串口发送一个字节 { sbuf=dat; //启动发送，只需要把发送内容给sbuf这个寄存器 while(ti==0); //等待发送完成，因为ti为1时表示在发送停止位 ti=0; } void send_string(u8 *str) //发送一个字符串 *str为字符串第一个字符的地址 { abc: //标号 if(*str != 0) { send_byte(*str); str++; goto abc; } } void main() { uart_init(); while(1) { send_string(hello world! 第一！); send_byte(10); delay(60000); delay(60000); } }
实验效果
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好了，那这里我们就着重介绍51单片机的串口通信协议，以下简称串口。串口的6个特征如下。
（1）、物理上的连线至少3根，分别是tx数据发送线，rx数据接收线，gnd共用地线。
（2）、0与1的约定。rs232电平，约定﹣5v至﹣25v之间的电压信号为1，﹢5v至﹢25v之间的电压信号为0 。ttl电平，约定5v的电压信号为1，0v电压信号为0 。cmos电平，约定3.3v的电压信号为1，0v电压信号为0 。其中，cmos电平一般用于arm芯片中。
（3）、发送秩序。低位先发。
（4）、波特率。收发双方共同约定的一个数据位（0或1）在数据传输线上维持的时间。也可理解为每秒可以传输的位数。常用的波特率有300bit/s, 600bit/s, 2400bit/s, 4800bit/s, 9600bit/s。
（5）、通信的起始信号。发送方在没有发送数据时，应该将tx置1 。当需发送时，先将tx置0，并且保持1位的时间。接受方不断地侦测rx，如果发现rx常时间变高后，突然被拉低（置为0），则视为发送方将要发送数据，迅速启动自己的定时器，从而保证了收发双方定时器同步定时。
（6）、停止信号。发送方发送完最后一个有效位时，必须再将tx保持1位的时间，即为停止位。
好了，理论暂时到这里，现在我们要做一个实验，将一个字节从51单片机发送到电脑串口调试助手上。这个实验的目的是为了掌握串口通信协议的收发过程。
虚拟串口
实验一、虚拟串口实验
一般单片机都有专门的串口引脚，51里面分别是p3.0和p3.1，这些引脚拥有串口的硬件电路，因此使用它们并不需要设置信号的发送停止。为了掌握协议，我们使用其他的引脚来模拟串口，所以也叫虚拟串口。这里我们选用p1.0，然而注意到我们51单片机要发送数据给电脑，必须经过一个串口转usb设备（即ttl电平转换为rs232电平），而限于我们的开发板只有p3.0与p3.1连接到了串口转usb设备，所以我们可以将p1.0短接到p3.1 。下图是这个串口转usb的原理图。
好了直接上代码吧。
#include reg51.h /* 将p1.0虚拟成串口发送脚tx 以9600bit/s的比特率向外发送数据 因为波特率是 9600bit/s 所以me发送一位的时间是 t=1000000us/9600=104us */ sbit tx=p3^1; //p1^0 output ttl signal, need to transferred to rs232 signal, can be connected to p3^1 #define u16 unsigned int //宏定义 #define u8 unsigned char u8 sbuf; bit ti=0; void delay(u16 x) { while(x--); } void timer0_init() { tmod |= 0x01; th0=65440/256; th0=65440%256; tr0=0; } void isr_init() { ea=1; et0=1; } void send_byte(u8 dat) { sbuf=dat;//通过引入全局变量sbuf，可以保存形参dat tx=0; //a 起始位 tr0=1; while(ti==0); //等待发送完成 ti=0; //清除发送完成标志 } void tf0_isr() interrupt 1 //每104us进入一次中断 { static u8 i; //记录进入中断的次数 th0=65440/256; tl0=65440%256; i++; if(i>=1 && i<=8) { if((sbuf&(1<<(i-1)))==0) // (sbuf&(1<=1 && i<=8)来判断是否发送完数据位。然后再通过if(i==9) 来发送停止位，最后当i=10时，也就是发送完了，这时候要关闭定时器（那么程序也就），同时i置0，ti置1（才能跳出while(ti==0)循环），最后将ti置0，保证下次要发送字节时让程序停留在while(ti==0)。
片上串口
以上说的是虚拟串口，上文中谈到与串口相关的引脚p3.0与p3.1，事实上51单片机自带片上串口，那这个串口又该怎么使用呢？
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其中d0-d7是一个字节的8个位。9位模式只是多了一个位tb8，这个tb8的作用是奇偶校验或多机通信。奇偶校验原理这不加分析。多机通信时比如主机只发送数据给网络中的一台地址为0x02的设备，这时候先让tb8为1，前面的d0-d7则为地址即0x02，之后再让tb8为0，前面的d0-d7则为数据了。
上面设置了片上串口的模式，另外还要设置串口的波特率。
片上串口的波特率等于定时器1工作在方式2时溢出率的32分频。如果要定时器1工作在方式2，那么tmod＝0x20。另外要保证为32分频，我们还必须设置计数器初值。设晶振为11.0592mhz，则定时器的计数脉冲为f＝f/12，则定时器每计一个脉冲的时间为t＝12/f。又令计数器的起点为x，则溢出一次要计的脉冲数为（256－x所以在计数起点为x时，溢出一次的时间为t＝12/f*（256－x则对应的溢出率为1/t＝f/（12*（256－x）对应的波特率就为b＝f/（384*（256－x）
x＝256－f/(384*b)
其中f为晶振频率，b为希望的波特率，x为定时器的计数起点th1的值。
例如当晶振为11.0592m，希望波特率为9600bit/s，则th1＝253。题外话，我们同样可以演算出在其他常用波特率情况下，th1始终为一个整数。这里也就解释了为什么51里面选用了11.0592m的晶振而不是12m，这样就保证了串口的时序更加准确，虽然牺牲了定时器的准确度。
实验二，片外串口发送一个字节。
好了现在开始我们的实验之旅。直接看代码吧。
# include reg51.h #define u16 unsigned int # define u8 unsigned char void delay(u16 x) { while (x--); } void uart_init() //串口初始化 { scon = 0x50; //8位异步模式 tmod |= 0x20; //定时器1工作方式2 th1 = 253; //9600bit/s tr1 = 1; } void send_byte(u8 dat) { sbuf = dat; //启动发送，只需要把发送内容给sbuf这个寄存器 while (ti == 0); //等待发送完成，因为ti为1时表示在发送停止位 ti = 0; } void main() { uart_init(); while (1) { send_byte('m'); delay(60000); } }
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实验三、片上串口发送一个字符串
上面介绍了如何发送一个字节，那如何发送一个字符串甚至文本呢？这里我们首先介绍下字符串的概念。
字符串：从存储器的某个地址开始，连续存放多个字符的ascii码，并且在最后一个字符的后面存放一个0，这段连续的内存空间就叫字符串，最后的0叫字符串的结束符。注意这里的0和加单引号的0不是一个概念，加单引号的0是指0的ascii码。
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实验效果
版权声明：本文为博主原创文章，遵循 cc 4.0 by-sa 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。
本文链接：https://blog.csdn.net/a514371309/article/details/73481423
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