通信按照传统的理解就是信息的传输与交换。对于单片机来说，通信则与传感器、存储芯片、外围控制芯片等技术紧密结合，成为整个单片机系统的“神经中枢”。没有通信，单片机所实现的功能仅仅局限于单片机本身，就无法通过其他设备获得有用信息，也无法将自己产生的信息告诉其它设备。如果单片机通信没处理好的话，它和外围器件的合作程度就受到限制，最终整个系统也无法完成强大的功能，由此可见单片机通信技术的重要性。UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，即通用异步收发器）串行通信是单片机最常用的一种通信技术，通常用于单片机和电脑之间以及单片机和单片机之间的通信。 11.1 串行通信的初步认识 通信按照基本类型可以分为并行通信和串行通信。并行通信时数据的各个位同时传送，可以实现字节为单位通信，但是因为通信线多占用资源多，成本高。比如我们前边用到的P0 = 0xfe;一次给P0的8个IO口分别赋值，同时进行信号输出，类似于有8个车道同时可以过去8辆车一样，这种形式就是并行的，我们习惯上还称P0、P1、P2和P3为51单片机的4组并行总线。 而串行通信，就如同一条车道，一次只能一辆车过去，如果一个0xfe这样一个字节的数据要传输过去的话，假如低位在前高位在后，那发送方式就是0-1-1-1-1-1-1-1-1，一位一位的发送出去的，要发送8次才能发送完一个字节。 在我们的STC89C52上，有两个引脚，是专门用来做UART串口通信的，一个是P3.0一个是P3.1，还分别有另外的名字叫做RXD和TXD，这两个引脚是专门用来进行UART通信的，如果我们两个单片机进行UART串口通信的话，那基本的演示图如图11-1所示。 图11-1 单片机之间UART通信示意图 图中，GND表示单片机系统电源的参考地，TXD是串行发送引脚，RXD是串行接收引脚。两个单片机之间要通信，首先电源基准得一样，所以我们要把两个单片机的GND相互连起来，然后单片机1的TXD引脚接到单片机2的RXD引脚上，即此路为单片机1发送而单片机2接收的通道，单片机1的RXD引脚接到单片机2的TXD引脚上，即此路为单片机2发送而单片机2接收的通道。这个示意图就体现了两个单片机各自收发信息的过程。 当单片机1想给单片机2发送数据时，比如发送一个0xE4这个数据，用二进制形式表示就是0b11100100，在UART通信过程中，是低位先发，高位后发的原则，那么就让TXD首先拉低电平，持续一段时间，发送一位0，然后继续拉低，再持续一段时间，又发送了一位0，然后拉高电平，持续一段时间，发了一位1......一直到把8位二进制数字0b11100100全部发送完毕。这里就牵扯到了一个问题，就是持续的这“一段时间”到底是多久？从这里引入我们通信中的另外重要概念——波特率，也叫做比特率。 波特率就是发送一位二进制数据的速率，习惯上用baud表示，即我们发送一位数据的持续时间=1/baud。在通信之前，单片机1和单片机2首先都要明确的约定好他们之间的通信波特率，必须保持一致，收发双方才能正常实现通信，这一点大家一定要记清楚。 约定好速度后，我们还要考虑第二个问题，数据什么时候是起始，什么时候是结束呢？不管是提前接收还是延迟接收，数据都会接收错误。在UART串行通信的时候，一个字节是8位，规定当没有通信信号发生时，通信线路保持高电平，当要发送数据之前，先发一位0表示起始位，然后发送8位数据位，数据位是先低后高的顺序，数据位发完后再发一位1表示停止位。这样本来要发送一个字节8位数据，而实际上我们一共发送了10位，多出来的两位其中一位起始位，一位停止位。而接收方呢，原本一直保持的高电平，一旦检测到来了一位低电平，那就知道了要开始准备接收数据了，接收到8位数据位后，然后检测到停止位，再准备下一个数据的接收了。我们图示看一下，如图11-2所示。 图11-2 串口数据发送示意图     像我们的图11-2串口数据发送示意图，实际上是一个时域示意图，就是信号随着时间变化的对应关系。比如在单片机的发送引脚上，左边的是先发生的，右边的是后发生的，数据位的切换时间就是波特率分之一秒，如果能够理解时域的概念，后边很多通信的时序图就很容易理解了。 11.2 串行RS232通信接口 在我们的台式电脑上，有一个9针的串行接口，这个串行接口叫做RS232接口，它和UART通信有关联，但是由于现在笔记本电脑都不带这种9针串口了，所以和单片机通信越来越趋向于使用USB虚拟的串口和单片机通信，因此这一节的内容作为了解内容，大家知道有这么回事就行。 我们先来认识一下这个标准串口，串口分为9针的和9孔的，习惯上我们也称之为公头和母头，如图11-3所示。   图11-3 RS232通信接口 RS232接口一共有9个引脚，分别定义是：1、载波检测(DCD)；2、接收数据(RXD)；3、发送数据(TXD)；4、数据终端准备好(DTR)；5、信号地线(SG)；6、数据准备好(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)。 虽然这三个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直接通信，这是为什么呢？随着我们了解的内容越来越多，我们得慢慢知道，不是所有的电路都是5V代表高电平而0V代表低电平的。对于RS232标准来说，它是个反逻辑，也叫做负逻辑。为何叫负逻辑？它的TXD和RXD的电压，-3V到-15V代表是1，3-15V之间的电压代表是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。因此电脑的9针232串口是不能和单片机直接连接的，需要用一个转换芯片MAX232来完成，如图11-4所示。 图11-4 MAX232转接图 这个芯片就可以实现把标准RS232串口电平转换成我们单片机能够识别和承受的UART 0V/5V电平标准。从这里大家似乎慢慢有点明白了，其实RS232串口和UART串口，他们的协议类型是一样，只是电平不同而已，而MAX232这个芯片起到的就是中间人的作用，他把UART电平转换成RS232电平，也把RS232电平转换成UART电平，从而实现标准RS232接口和单片机UART之间的通信连接。 11.3 USB转串口通信 随着技术的发展，工业上还有RS232串口通信的大量使用，但是商业技术的应用上，已经慢慢的使用USB转UART技术取代了RS232串口，绝大多数笔记本电脑已经没有串口这个东西了，那我们要实现单片机和电脑之间的通信该如何办呢？ 我们只需要在我们电路上添加一个USB转串口芯片，就可以成功实现USB通信协议和标准UART串行通信协议的转换，在我们的开发板上，我们使用的是CH340T这个芯片，如图11-5所示。 图11-5 USB转串口电路 左侧J2是一组跳线的组合，大家可以在我们板子左下角的跳线位置找到，我们是把3脚和5脚、4脚和6脚通过跳线帽短接到一起。右侧的CH340T这个电路很简单，把电源电路，晶振电路接好后，6脚和7脚的DP和DM分别接USB口的2个数据引脚上去，3脚和4脚通过跳线接到了我们单片机的TXD和RXD上去。 CH340T的电路里3脚位置加了个4148的二极管，是一个小技巧。因为我们的STC89C52RC这个单片机下载程序需要冷启动，就是先点下载后上电，上电瞬间单片机会先检测需要不需要下载程序。虽然单片机的VCC是由开关来控制，但是由于CH340T的3脚是输出引脚，如果没有此二极管，开关后级单片机在断电的情况下，CH340T的3脚和单片机的P3.0（即RXD）引脚连在一起，有电流会通过这个引脚流入后级电路并且给后级的电容充电，造成后级有一定幅度的电压，这个电压值虽然只有两三伏左右，但是可能会影响到我们的冷启动。加了二极管后，一方面不影响通信，另外一个方面还可以消除这种问题。这个地方可以暂时作为了解，大家如果自己做这块电路，可以参考一下。 11.4 IO口模拟UART串口通信 为了让大家充分理解UART串口通信的原理，我们先用P3.0和P3.1这两个当做IO口来进行模拟实际串口通信的过程，原理搞懂后，我们再使用寄存器配置实现串口通信过程。 对于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下发一个数据，数据加1后，再自动返回。串口调试助手，在我们进行全板子测试视频的时候，大家已经见过，这里我们直接使用STC-ISP软件自带的串口调试助手，可到www.51hei.com去下载此程序，先把串口调试助手使用给大家说一下，如图11-6所示。第一步要选择串口助手菜单，第二步选择十六进制显示，第三步选择十六进制发送，第四步选择COM口，这个COM口要和自己电脑设备管理器里的那个COM口一致，波特率是我们程序设定好的选择，我们程序中让一个数据位持续时间是1/9600秒，那这个地方选择波特率就是选9600，校验位选N，数据位8，停止位1。 图11-6 串口调试助手示意图 串口调试助手的实质就是我们利用电脑上的UART通信接口，通过这个UART接口发送数据给我们的单片机，也可以把我们的单片机发送的数据接收到这个调试助手界面上。 因为初次接触通信方面的技术，所以我对这个程序进行一下解释，大家可以边看我的解释边看程序，把底层原理先彻底弄懂。 变量定义部分就不用说了，直接看main主函数。首先是对通信的波特率的设定，在这里我们配置的波特率是9600，那么串口调试助手也得是9600。配置波特率的时候，我们用的是定时器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在进行计数了。当TL0溢出后，不仅仅会让TF0变1，而且还会将TH0中的内容重新自动装到TL0中。这样有一个好处，我们可以把我们想要的定时器初值提前存在TH0中，当TL0溢出后，TH0自动把初值就重新送入TL0了，全自动的，不需要程序上再给TL0重新赋值了，配置方式很简单，大家可以自己看下程序并且计算一下初值。 波特率设置好以后，打开中断，然后等待接收串口调试助手下发的数据。接收数据的时候，首先要进行低电平检测 while (PIN_RXD)，若没有低电平则说明没有数据，一旦检测到低电平，就进入启动接收函数StartRXD()。接收函数最开始启动半个波特率周期，初学可能这里不是很明白。大家回头看一下我们的图11-2里边的串口数据示意图，信号在数据位电平变化的时候去读，因为时序上的误差以及信号稳定性的问题很容易读错数据，所以我们希望在信号最稳定的时候去读数据。除了信号变化的那个沿的位置外，其他位置都很稳定，那么我们现在就约定在信号中间位置去读取电平状态，这样能够保证我们信号读的是对的。 一旦读到了起始信号，我们就把当前状态设定成接受状态，并且打开定时器中断，第一次是半个周期进入中断后，对起始位进行二次判断一下，确认一下起始位是低电平，而不是一个干扰信号。以后每经过9600分之一秒进入一次中断，并且把这个引脚的状态读到RxdBuf里边。等待接收完毕之后，我们再把这个RxdBuf加1，再通过TXD引脚发送出去，同样需要先发一位起始位，然后发8个数据位，再发结束位，发送完毕后，程序运行到while (PIN_RXD)，等待第二轮信号接收的开始。 #include sbit PIN_RXD = P3^0;  //接收引脚定义 sbit PIN_TXD = P3^1;  //发送引脚定义 bit RxdOrTxd = 0;  //指示当前状态为接收还是发送 bit RxdEnd = 0;    //接收结束标志 bit TxdEnd = 0;    //发送结束标志 unsigned char RxdBuf = 0;  //接收缓冲器 unsigned char TxdBuf = 0;  //发送缓冲器 void ConfigUART(unsigned int baud); void StartTXD(unsigned char dat); void StartRXD(); void main () {     ConfigUART(9600);  //配置波特率为9600     EA = 1;            //开总中断
    while(1)     {         while (PIN_RXD);    //等待接收引脚出现低电平，即起始位         StartRXD();         //启动接收         while (!RxdEnd);    //等待接收完成         StartTXD(RxdBuf+1); //接收到的数据+1后，发送回去         while (!TxdEnd);    //等待发送完成     } } void ConfigUART(unsigned int baud)  //串口配置函数，baud为波特率 {     TMOD &= 0xF0;   //清零T0的控制位     TMOD |= 0x02;   //配置T0为模式2     TH0 = 256 - (11059200/12) / baud;  //计算T0重载值 } void StartRXD()   //启动串行接收 {     TL0 = 256 - ((256-TH0) >> 1);  //接收启动时的T0定时为半个波特率周期     ET0 = 1;        //使能T0中断     TR0 = 1;        //启动T0     RxdEnd = 0;     //清零接收结束标志     RxdOrTxd = 0;   //设置当前状态为接收 } void StartTXD(unsigned char dat)  //启动串行发送，dat为待发送字节数据 {     TxdBuf = dat;   //待发送数据保存到发送缓冲器     TL0 = TH0;      //T0计数初值为重载值     ET0 = 1;        //使能T0中断     TR0 = 1;        //启动T0     PIN_TXD = 0;    //发送起始位     TxdEnd = 0;     //清零发送结束标志     RxdOrTxd = 1;   //设置当前状态为发送 } void InterruptTimer0() interrupt 1  //T0中断服务函数，处理串行发送和接收 {     static unsigned char cnt = 0;   //bit计数器，记录当前正在处理的位     if (RxdOrTxd)  //串行发送处理     {         cnt++;         if (cnt <= 8)  //低位在先依次发送8bit数据位         {             PIN_TXD = TxdBuf & 0x01;             TxdBuf >>= 1;         }         else if (cnt == 9)  //发送停止位         {             PIN_TXD = 1;         }         else  //发送结束         {             cnt = 0;    //复位bit计数器             TR0 = 0;    //关闭T0             TxdEnd = 1; //置发送结束标志         }     }     else  //串行接收处理     {         if (cnt == 0)     //处理起始位         {             if (!PIN_RXD) //起始位为0时，清零接收缓冲器，准备接收数据位             {                 RxdBuf = 0;                 cnt++;             }             else          //起始位不为0时，中止接收             {                 TR0 = 0;  //关闭T0             }         }         else if (cnt <= 8)   //处理8位数据位         {             RxdBuf >>= 1;    //低位在先，所以将之前接收的位向右移             if (PIN_RXD)     //接收脚为1时，缓冲器最高位置1；为0时不处理即仍保持移位后的0             {                 RxdBuf |= 0x80;             }             cnt++;         }         else  //停止位处理         {             cnt = 0;         //复位bit计数器             TR0 = 0;         //关闭T0             if (PIN_RXD)     //停止位为1时，方能认为数据有效             {                 RxdEnd = 1;  //置接收结束标志             }         }     } }     同学们通过学习我们的程序，也慢慢感受到了，程序的延时部分已经不再使用简单的delay来完成了，我们要通过我们的程序编写积累，慢慢提高自己灵活运用定时器的能力。一个小小的定时器，可以帮我们完成很多很多工作。 11.5 UART串口通信的基本应用11.5.1 通信的三种基本类型 我们常用的通信通常可以分为单工、半双工、全双工通信。 单工就是指只允许一方向另外一方传送信息，而另一方不能回传信息。比如我们的电视遥控器，我们的收音机广播等，都是单工通信技术。 半双工是指数据可以在双方之间相互传播，但是同一时刻只能其中一方发给另外一方，比如我们的对讲机就是典型的半双工。 全双工通信就发送数据的同时也能够接受数据，两者同步进行，就如同我们的电话一样，我们说话的同时也可以听到对方的声音。 11.5.2 UART模块介绍 IO口模拟串口通信，大家了解了串口通信的实质，但是我们的单片机程序却需要不停的检测扫描单片机IO口收到的数据，大量占用了CPU资源。这时候就会有聪明人想了，其实我们不是很关心通信的过程，我们只需要一个通信的结果，最终得到接收到的数据就行了。这样我们可以在单片机内部做一个硬件模块，让他自动接收数据，接收完了，通知我们一下就可以了，我们的51单片机内部就存在这样一个UART模块，要正确使用它，当然还得先把对应的特殊功能寄存器配置好。 51单片机的UART串行口的结构由串行口控制寄存器SCON、发送和接收电路三部分构成，先来了解一下串口控制寄存器SCON。 表11-1 SCON--串行控制寄存器的位分配(地址：98H)        可位寻址；复位值：0x00；复位源：任何复位 位 7 6 5 4 3 2 1 0 符号 SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI 表11-2 SCON--串行控制寄存器的位描述 位 符号 描述 7 SM0 这两位共同决定了串口通信的模式0到模式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，其他模式从略。 6 SM1 5 SM2 多机通信控制位(很少用)，模式1直接清零。 4 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 3 TB8 模式2和3中将要发送的第9位数据(很少用) 2 RB8 模式2和3中接收第9位数据(很少用)，模式1用来接收停止位 1 TI 发送中断标志位，模式1下，在数据位最后一位发送结束，开始发送停止位时由硬件自动置1，必须通过软件清零。也就是说，再发送前我们清零TI，发送数据，数据发送到停止位时，TI硬件置1，方便我们CPU查询发送完毕状态。 0 RI 接收中断标志位，当接收电路接收到停止位的中间位置时，RI由硬件置1。也就是说，接收数据之前我们必须清零RI，接受数据到停止位的中间位置时，RI硬件置1，方便我们CPU查询到接收状态。 前边学了那么多寄存器的配置，相信SCON这个地方，对于大多数同学来说已经不是难点了，应该能看懂并且可以自己配置了。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位结束位。因为我们的教程不同于教科书，只要有的功能都一一介绍，我们只介绍实用的技术，所以其他3种模式，真正遇到需要使用的时候大家再去查资料就行。 在我们使用IO