《嵌入式硬件（三）：串口通信》

发布于：2025-09-06 ⋅ 阅读:(18) ⋅ 点赞:(0)

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

  1. 空闲时数据线为高电平；
  2. 发送发发送一个低电平表示起始位；
  3. 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);
  4. 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
  5. 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 	0xD2
			 parse();	
			 pos = 0;
			 memset(rcv_buffer, 0, sizeof(rcv_buffer));
		}
		show_number(digiter_num);
	}

	return 0;
}

关键点总结

  • 校验和计算需匹配帧内数据
  • 中断处理接收数据时需清标志位

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