串口通信的原理及USB转串口通信

串口通信的原理

串口通信(SerialCommunicaTIons)概念很简单，串口按位(bit)发送和接收字节。尽管比较字节(byte)并行通信缓慢，但串口可以用另一根线接收数据，同时使用一根线发送数据。实现远距离通信非常简单。比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总长度不得超过20米，任何两个设备之间长度不得超过2米；串口长度可达1200米。串口用于典型ASCII传输代码字符。通信由地线、发送和接收三条线完成。由于串口通信是异步的，端口可以在另一条线上发送数据并接收数据。握手用其他线，但不必要。波特率、数据位、停止位和奇偶校验是串口通信最重要的参数。对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配。

a，波特率：这是衡量符号传输速率的参数。指信号调制后单位时间内的变化，即单位时间内载波参数的变化次数，如每秒传输240个字符，每个字符格式包含10个（1个起始位、1个停止位、8个数据位），波特率为240Bd，比特率为10位*240个/秒=2400bps。一般调制速率大于波特率，如曼彻斯特编码)。电话线的波特率一般为14400、28800和36600。波特率可以远远大于这些值，但波特率与距离成反比。高波特率常用于放置在非常近的仪器之间的通信。典型的例子是GPIB设备通信。

b，数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送信息包时，实际数据往往不是8，标准值是6、7和8。如何设置取决于您想要传输的信息。例如，标准ASCII代码为0~127(7位)。扩展的ASCII代码为0~255(8位)。如果数据使用简单的文本(标准)ASCII然后每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位、数据位和奇偶校准位。由于实际数据位取决于通信协议的选择，术语包是指任何通信。

c，停止：用来表示单个包的最后一个。典型值为1，1.5和2位。由于数据定期在传输线上，每个设备都有自己的时钟，通信中两个设备之间很可能会有小的不同步。因此，停止不仅是传输的结束，也是计算机校正时钟同步的机会。停止位数越多，对不同时钟同步的容忍度越大，但数据传输率也越慢。

d，奇偶校准位置：串口通信中检错的简单方法。偶、奇、高、低有四种检错方法。当然，没有验证位置也可以。对于偶和奇校验，串口将设置校验位（数据位后面的一个），以确保传输的数据具有偶或奇逻辑高。例如，如果数据为011，则对于偶校验，校验位为0，确保高逻辑位数为偶数。若为奇校验，校验位为1，则有3个逻辑高位。高低不真实的检查数据，简单的位置逻辑高或低逻辑验证。这样，接收设备就可以知道一个位置的状态，并有机会判断是否有噪音干扰通信或传输和接收数据是否不同步。

RS232概述

在我们的电脑上，通常有一个9针串行接口，称为RS232接口，它和UART通信是相关的，但由于笔记本电脑没有9针串口，与单片机通信的使用越来越多USB虚拟串口。

九针串口分工头和母头

公头5下4，上5从左到右.2.3.4.5.下4从左到右6.7.8.9；

母头5下4，上5从左到右.4.3.2.1.下4从左到右9.8.7.6；

RS232界面共有9个引脚，分别定义为：1.载波检测DCD；2、接收数据RXD；3、发送数据TXD；准备好数据终端DTR；5、信号地线SG；6.准备好数据DSR；7、请求发送RTS；8、清除发送CTS；9、振铃提示RI。我们要让这个串口和我们单片机进行通信，我们只需要关心其中的2脚RXD、3脚TXD和5脚GND即可

虽然这三个引脚的名字和我们单片机上的串口名字一样，但是却不能直接和单片机对连通信，这是为什么呢？随着我们知道的内容越来越多，我们必须知道并非所有的电路都是5V代表高电平和0V代表低电平。对于RS就232标准而言，它是一种反逻辑，也称为负逻辑。为什么叫负逻辑？它的TXD和RXD的电压，-3V～-15V电压代表为1， 3～ 15V电压代表是0。低电平代表的是1，而高电平代表的是0，所以称之为负逻辑。所以电脑9针RS232串口不能直接与单片机连接，芯片需要电平转换MAX232来完成

这个芯片可以实现标准RS232串口电平转换为我们单片机能够识别和承受的UART0V/5V电平。从这里我们似乎慢慢明白了一点，事实上，RS232串口和UART串口，它们的协议类型相同，但电平标准不同，MAX232这个芯片起着中间人的作用，它把UART电平转换成RS232电平，也把RS232电平转换成UART实现标准的电平RS232接口和单片机UART通信连接。

USB转串口通信

随着技术的发展，还有工业RS大量使用232串口通信，但商业技术的应用已经缓慢使用USB转UART技术取代了RS232串口，绝大多数笔记本电脑都没有串口，那么我们应该如何实现单片机和电脑之间的通信呢？

只需在电路上添加一个USB可成功实现转串口芯片USB通信协议和标准UART在我们的开发板上，我们使用串行通信协议的转换CH340T这个芯片

我们需要用跳线帽把中间和下面的针短接在一起。CH340T这个电路很简单。连接电源和晶振后，6脚和7脚DP和DM分别接USB口的两个数据引脚，三脚和四脚通过跳线接收我们的单片机TXD和RXD上去。

CH340T在电路的三脚位置加一根4148二极管，是一个小技巧。因为STC89C52单片机下载程序时需要冷启动，即先下载后上电，上电时单片机会先检测是否需要下载程序。虽然单片机VCC它由开关控制，但因为CH340T三脚是输出引脚，如果没有这个二极管，开关后单片机断电，CH340T三脚和单片机P3.0(即RXD)引脚连接在一起，电流会通过引脚流入后电路，给后电容充电，导致后电压有一定范围，虽然电压值只有两三伏左右，但可能会影响正常的冷启动。添加二极管后，一方面不影响通信，另一方面也能消除这种不良影响。添加二极管后，一方面不影响通信，另一方面也可以消除这种不良影响。这个地方可以暂时理解，如果你自己做这种电路，你可以参考它。

IO口模拟UART串口通信

UART串口波特率，常用值为300、600、1200、2400、4800、9600、14400、19200、28800、38400、57600、115200等。IO口模拟UART串行通信程序是一个简单的演示程序，我们使用串口调试助手发送数据，数据添加1，然后自动返回。

我们直接在这里使用串口调试助手STC-ISP软件自带串口调试助手，先告诉大家串口调试助手的使用情况，如图11-6所示。第一步选择串口助手菜单，第二步选择16进制显示，第三步选择16进制发送，第四步选择COM口，这个COM自己电脑设备管理器里的嘴和嘴COM口是一样的。波特率是根据我们的程序设置的。在我们的程序中，数据位的持续时间是1/9600秒。在这个地方选择波特率是9600验证位置的选择N，数据位8，停止位1。

串口调试助手的本质是利用电脑UART通信接口，向我们的单片机发送数据，也可以将我们的单片机发送的数据接收到调试助手界面。

因为我第一次接触通信技术，我把后面的技术放在后面IO模拟串口通信程序进行解释可以边看我的解释边看程序，先彻底理解底层原理。

不用说，直接看变量定义部分main主函数。首先是通信波特率的设置，这里我们配置的波特率是9600，那么串口调试助手也必须是9600。配置波特率的时候，我们用的是定时器T0的模式2。模式2中，不再是TH0代表高8位，TL0代表低8位，只有TL计数，当TL0溢出后，不仅会让TF0变1，还会TH0中的内容自动重新安装TL0中。这样做的好处之一是，我们可以提前存在我们想要的定时器的初始值TH0中，当TL0溢出后，TH自动重新输入初始值TL0，全自动，不需要程序TL0重新赋值，配置方法很简单，可以自己看程序，计算初始值。

设置波特率后，打开中断，然后等待接收串口调试助手发布的数据。接收数据时，应先进行低电平检测while(PIN_RXD)，如果没有低电平，则表示没有数据。一旦检测到低电平，就进入启动接收函数StartRXD()。接收函数开始启动半个波特率周期，初学者在这里可能不太了解。让我们回顾一下我们图11-2中的串数据示意图。如果在数据位电平变化时读取，由于时间顺序上的误差和信号稳定性，很容易读取错误的数据，因此我们希望在信号最稳定时读取数据。除了信号变化的边缘位置外，其他位置都非常稳定，所以我们现在同意在信号中间读取电平状态，以确保我们读得正确。

一旦读取起始信号，我们将当前状态设置为接收状态，并打开定时器中断。第一次，在半个周期中断后，我们将对起始位置进行第二次判断，以确认起始位置为低电平，而不是干扰信号。之后每1/9600秒进入一次中断，读取引脚状态RxdBuf里边。接收完成后，我们将再次接收这个RxdBuf加1，再通过TXD发送引脚时，还需要先发送一个起始位，然后发送8个数据位，然后发送结束位。发送后，程序运行到while(PIN_RXD)，等待第二轮信号接收的开始。

uart模块介绍

IO口腔模拟串口通信，让大家了解串口通信的本质，但我们的单片机程序需要不断检测和扫描单片机IO口收到的数据占用了大量单片机的运行时间。在这个时候，会有聪明人认为，事实上，我们不太关心通信的过程，我们只需要一个通信结果，最终得到收到的数据。这样，我们就可以在单片机内部制作一个硬件模块，让它自动接收数据。接收后，我们可以通知我们。我们的51台单片机内部有这样一个模块UART要正确使用模块，必须首先配置相应的特殊功能寄存器。

51单片机的UART串口的结构由串行口控制SCON、发送和接收电路由三部分组成。首先，了解串口控制寄存器SCON。

SCON串行控制器的位分配(地址：0x98)

位：符号：复位： 0：RI：0；1：TI：0；2:RB8:0;3:TB8:0;4:REN:0;5:SM2:0;6:SM1:0;7:SM0:0;

0位RI：接收中断标位，当接收电路接收到停止位的中间位置时，RI由硬件置1，必须通过软件清零

1位TI：发送中断标志位，当发送电路发送到停止位的中间位置时，TI由硬件置1，必须通过软件清零。

2位RB8：模式2和3中接收到的第9位数据(很少用)，模式1用来接收停止位。

3位TB8：模式2和3中要发送的第9位数据(很少用)。

4位REN：使能串行接收。由软件置位使能接收，软件清零则禁止接收。

5位SM2：多机通信控制位(极少用)，模式1直接清零。

6位SM1和7位SM0：

这两位共同决定了串口通信的模式0～模式3共4种模式。我们最常用的就是模式1，也就是SM0=0，SM1=1，下边我们重点就讲模式1，其它模式从略。

对于串口的四种模式，模式1是最常用的，就是我们前边提到的1位起始位，8位数据位和1位停止位。下面我们就详细介绍模式1的工作细节和使用方法，至于其它3种模式与此也是大同小异，真正遇到需要使用的时候大家再去查阅相关资料就行了。

在我们使用IO口模拟串口通信的时候，串口的波特率是使用定时器T0的中断体现出来的。在硬件串口模块中，有一个专门的波特率发生器用来控制发送和接收数据的速度。对于STC89C52单片机来讲，这个波特率发生器只能由定时器T1或定时器T2产生，而不能由定时器T0产生，这和我们模拟的通信是完全不同的概念。

如果用定时器2，需要配置额外的寄存器，默认是使用定时器1的，我们本章内容主要就使用定时器T1作为波特率发生器来讲解，方式1下的波特率发生器必须使用定时器T1的模式2，也就是自动重装载模式，定时器的重载值计算公式为：

TH1 = TL1 = 256 - 晶振值/12 /2/16 /波特率

和波特率有关的还有一个寄存器，是一个电源管理寄存器PCON，他的最高位可以把波特率提高一倍，也就是如果写PCON |= 0x80以后，计算公式就成了：

TH1 = TL1 = 256 - 晶振值/12 /16 /波特率

公式中数字的含义这里解释一下，256是8位定时器的溢出值，也就是TL1的溢出值，晶振值在我们的开发板上就是11059200，12是说1个机器周期等于12个时钟周期，值得关注的是这个16，我们来重点说明。在IO口模拟串口通信接收数据的时候，采集的是这一位数据的中间位置，而实际上串口模块比我们模拟的要复杂和精确一些。他采取的方式是把一位信号采集16次，其中第7、8、9次取出来，这三次中其中两次如果是高电平，那么就认定这一位数据是1，如果两次是低电平，那么就认定这一位是0，这样一旦受到意外干扰读错一次数据，也依然可以保证最终数据的正确性。

串口通信的发送和接收电路在物理上有2个名字相同的SBUF寄存器，它们的地址也都是0x99，但是一个用来做发送缓冲，一个用来做接收缓冲。意思就是说，有2个房间，两个房间的门牌号是一样的，其中一个只出人不进人，另外一个只进人不出人，这样的话，我们就可以实现UART的全双工通信，相互之间不会产生干扰。但是在逻辑上呢，我们每次只操作SBUF，单片机会自动根据对它执行的是“读”还是“写”操作来选择是接收SBUF还是发送SBUF，后边通过程序，我们就会彻底了解这个问题。

UART串口程序：

一般情况下，我们编写串口通信程序的基本步骤如下所示：

1、配置串口为模式1。

2、配置定时器T1为模式2，即自动重装模式。

3、根据波特率计算TH1和TL1的初值，如果有需要可以使用PCON进行波特率加倍。

4、打开定时器控制寄存器TR1，让定时器跑起来。

这里还要特别注意一下，就是在使用T1做波特率发生器的时候，千万不要再使能T1的中断了。

我们先来看一下由IO口模拟串口通信直接改为使用硬件UART模块时的程序代码，看看程序是不是简单了很多，因为大部分的工作硬件模块都替我们做了。程序功能和IO口模拟的是完全一样的。

通信实例与ASCLL码

先抛开我们使用的汉字不谈，那么我们常用的字符就包含了0~9的数字、A~Z/a~z的字母、还有各种标点符号等。那么在单片机系统里面我们怎么来表示它们呢？ASCII码(AmericanStandardCodeforInformationInterchange，即美国信息互换标准代码)可以完成这个使命：我们知道，在单片机中一个字节的数据可以有0～255共256个值，我们取其中的0～127共128个值赋予了它另外一层涵义

我们用字符格式发送一个小写的a，返回一个十六进制的0x61，数码管上显示的也是61，ASCII码表里字符a对应十进制是97，等于十六进制的0x61；我们再用字符格式发送一个数字1，返回一个十六进制的0x31，数码管上显示的也是31，ASCII表里字符1对应的十进制是49，等于十六进制的0x31。这下大家就该清楚了：所谓的十六进制发送和十六进制接收，都是按字节数据的真实值进行的；而字符格式发送和字符格式接收，是按ASCII码表中字符形式进行的，但它实际上最终传输的还是一个字节数据。这个表格，当然不需要大家去记住，理解它，用的时候过来查就行了。

51单片机串口通信实例(字符串接收和发送)

#include《reg52.h》

//------------------串口通信协议-----------------//

/*

客户端数据包格式解释(长度恒为15)：

例如：A01_fmq_01Off___#

A--------数据包的开始标记(可以为A到Z，意味着数据包可以有26种)

01-----设备代号

fmq_01Off___--------指令(长度恒为10)，指令的前4个人字符是指令头部，指令的后6个字符是指令尾部

#---------数据包的结束标记

服务器端数据包格式解释(长度恒为15)：

例如：A02_SenT010250#

A--------数据包的开始标记(可以为A到Z，意味着数据包可以有26种)

02-----设备代号

SenT010250--------指令(长度恒为10)，指令的前4个人字符是指令头部，指令的后6个字符是指令尾部

#---------数据包的结束标记

*/

char buf_string［16］; //定义数据包长度为15个字符

#define deviceID_1Bit ‘0’ //用于串口通信时，定义本地设备ID的第1位

#define deviceID_2Bit ‘2’ //用于串口通信时，定义本地设备ID的第2位

#define datapackage_headflag ‘A’ //用于串口通信时，定义数据包头部的验证标记

char DataPackage_DS18B20［16］={datapackage_headflag，deviceID_1Bit，deviceID_2Bit，‘_’，‘S’，‘e’，‘n’，‘T’，‘X’，‘X’，‘X’，‘X’，‘X’，‘X’，‘#’};

char HeartBeat［16］={datapackage_headflag，deviceID_1Bit，deviceID_2Bit，‘_’，‘B’，‘e’，‘a’，‘t’，‘X’，‘X’，‘X’，‘X’，‘X’，‘X’，‘#’};

//----------------------------------------------//

/*******************************

串口通信

MCU:89C52RC 11.0592MHz

//11.0592MHz 0xd0 1200bps

//12MHz 0xcc 1200bps

//11.0592MHz 0xfa 9600bps

//0xf4 11.0592MHz 0xf3 12MHz 4800bps

//均在SMOD=1的情况下(波特率倍增模式)

*******************************/

//串口发送函数

void PutString(unsigned char *TXStr)

{

ES=0;

while(*TXStr！=0)

{

SBUF=*TXStr;

while(TI==0);

TI=0;

TXStr++;

}

ES=1;

}

//串口接收函数

bit ReceiveString()

{

char * RecStr=buf_string;

char num=0;

unsigned char count=0;

loop：

*RecStr=SBUF;

count=0;

RI=0;

if(num《14) //数据包长度为15个字符，尝试连续接收15个字符

{

num++;

RecStr++;

while(！RI)

{

count++;

if(count》130)return 0; //接收数据等待延迟，等待时间太久会导致CPU运算闲置，太短会出现“数据包被分割”，默认count=130

}

goto loop;

}

return 1;

}

//定时器1用作波特率发生器

void Init_USART()

{

SCON=0x50; //串口方式1，使能接收

TMOD|=0x20; //定时器1工作方式2(8位自动重装初值)

TMOD&=~0x10;

TH1=0xfa; //9600bps

TL1=0xfa;

PCON|=0x80; //SMOD=1

TR1=1;

TI=0;

RI=0;

//PS=1; //提高串口中断优先级

ES=1; //开启串口中断使能

}

//比较指令头部

bit CompareCMD_head(char CMD_head［］)

{

unsigned char CharNum;

for(CharNum=0;CharNum《4;CharNum++) //指令长度为10个字符

{

if(！(buf_string［CharNum+4］==CMD_head［CharNum］))

{

return 0; //指令头部匹配失败

}

}

return 1; //指令头部匹配成功

}

//比较指令尾部(start：从哪里开始比较，quality：比较多少个字符，CMD_tail［］：要比较的字符串)

bit CompareCMD_tail(unsigned char start，unsigned char quality，char CMD_tail［］)

{

unsigned char CharNum;

for(CharNum=0;CharNum《quality;CharNum++)

{

if(！(buf_string［start+CharNum］==CMD_tail［CharNum］))

{

return 0;

}

}

return 1;

}

bit Deal_UART_RecData() //处理串口接收数据包函数(成功处理数据包则返回1，否则返回0)

{

//PutString(buf_string);

if(buf_string［0］==datapackage_headflag&&buf_string［14］==‘#’) //进行数据包头尾标记验证

{

switch(buf_string［1］) //识别发送者设备ID的第1位数字

{

case ‘0’：

switch(buf_string［2］) //识别发送者设备ID的第2位数字

{

case ‘3’：

if(CompareCMD_head(“Ligt”)) //判断指令头部是否为“Ligt”

{

//下面是指令尾部分析

switch(buf_string［8］)

{

case ‘0’：

switch(buf_string［9］)

{

case ‘0’：

return 0;

case ‘1’：

if(CompareCMD_tail(10，3，“Off”)) //A03_Ligt01Off_#

{

//要执行的代码

return 1;

}

if(CompareCMD_tail(10，3，“On_”))

{

return 1;

}

return 0;

default：

return 0;

}

case ‘1’：

default：

return 0;

}

}

if(CompareCMD_head(“SenT”))

{

}

if(CompareCMD_head(“jdq_”))

{

}

if(CompareCMD_head(“Try！”))

{

}

return 0;

default：

return 0;

}

default：

return 0;

}

}

return 0;

}

/************************

中断函数

************************/

//串口中断服务函数-----------

void USART() interrupt 4 //标志位TI和RI需要手动复位，TI和RI置位共用一个中断入口

{

if(ReceiveString())

{

//数据包长度正确则执行以下代码

Deal_UART_RecData();

}

else

{

//数据包长度错误则执行以下代码

//LED1=~LED1;

}

RI=0; //接收并处理一次数据后把接收中断标志清除一下，拒绝响应在中断接收忙的时候发来的请求

}

/***************************

主函数

***************************/

void main()

{

EA=1;

Init_USART();

while(1)

{

//PutString(buf_string);//空格20H，回车0DH

}

}