单片机串口通信原理和控制程序

2019-04-15 18:45发布

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我们前边学串口通信的时候，比较注重的是串口底层时序上的操作过程，所以例程都是简单的收发字符或者字符串。在实际应用中，往往串口还要和电脑上的上位机软件进行交互，实现电脑软件发送不同的指令，单片机对应执行不同操作的功能，这就要求我们组织一个比较合理的通信机制和逻辑关系，用来实现我们想要的结果。

本节所提供程序的功能是，通过电脑串口调试助手下发三个不同的命令，第一条指令：buzz on 可以让蜂鸣器响；第二条指令：buzz off 可以让蜂鸣器不响；第三条指令：showstr ，这个命令空格后边，可以添加任何字符串，让后边的字符串在 1602 液晶上显示出来，同时不管发送什么命令，单片机收到后把命令原封不动的再通过串口发送给电脑，以表示“我收到了„„你可以检查下对不对”。这样的感觉是不是更像是一个小项目了呢？

对于串口通信部分来说，单片机给电脑发字符串好说，有多大的数组，我们就发送多少个字节即可，但是单片机接收数据，接收多少个才应该是一帧完整的数据呢？数据接收起始头在哪里，结束在哪里？这些我们在接收到数据前都是无从得知的。那怎么办呢？

我们的编程思路基于这样一种通常的事实：当需要发送一帧（多个字节）数据时，这些数据都是连续不断的发送的，即发送完一个字节后会紧接着发送下一个字节，期间没有间隔或间隔很短，而当这一帧数据都发送完毕后，就会间隔很长一段时间（相对于连续发送时的间隔来讲）不再发送数据，也就是通信总线上会空闲一段较长的时间。于是我们就建立这样一种程序机制：设置一个软件的总线空闲定时器，这个定时器在有数据传输时（从单片机接收角度来说就是接收到数据时）清零，而在总线空闲时（也就是没有接收到数据时）时累加，当它累加到一定时间（例程里是 30ms）后，我们就可以认定一帧完整的数据已经传输完毕了，于是告诉其它程序可以来处理数据了，本次的数据处理完后就恢复到初始状态，再准备下一次的接收。那么这个用于判定一帧结束的空闲时间取多少合适呢？它取决于多个条件，并没有一个固定值，我们这里介绍几个需要考虑的原则：第一，这个时间必须大于波特率周期，很明显我们的单片机接收中断产生是在一个字节接收完毕后，也就是一个时刻点，而其接收过程我们的程序是无从知晓的，因此在至少一个波特率周期内你绝不能认为空闲已经时间达到了。第二，要考虑发送方的系统延时，因为不是所有的发送方都能让数据严格无间隔的发送，因为软件响应、关中断、系统临界区等等操作都会引起延时，所以还得再附加几个到十几个 ms 的时间。我们选取的 30ms 是一个折中的经验值，它能适应大部分的波特率（大于1200）和大部分的系统延时（PC 机或其它单片机系统）情况。

我先把这个程序最重要的 UART.c 文件中的程序贴出来，一点点给大家解析，这个是实际项目开发常用的用法，大家一定要认真弄明白。
  1. /*****************************Uart.c 文件程序源代码*****************************/
  2. #include
  4. bit flagFrame = 0; //帧接收完成标志，即接收到一帧新数据
  5. bit flagTxd = 0; //单字节发送完成标志，用来替代 TXD 中断标志位
  6. unsigned char cntRxd = 0; //接收字节计数器
  7. unsigned char pdata bufRxd[64]; //接收字节缓冲区
  9. extern void UartAction(unsigned char *buf, unsigned char len);
  11. /* 串口配置函数，baud-通信波特率 */
  12. void ConfigUART(unsigned int baud){
  13. SCON = 0x50; //配置串口为模式 1
  14. TMOD &= 0x0F; //清零 T1 的控制位
  15. TMOD |= 0x20; //配置 T1 为模式 2
  16. TH1 = 256 - (11059200/12/32)/baud; //计算 T1 重载值
  17. TL1 = TH1; //初值等于重载值
  18. ET1 = 0; //禁止 T1 中断
  19. ES = 1; //使能串口中断
  20. TR1 = 1; //启动 T1
  21. }
  22. /* 串口数据写入，即串口发送函数，buf-待发送数据的指针，len-指定的发送长度 */
  23. void UartWrite(unsigned char *buf, unsigned char len){
  24. while (len--){ //循环发送所有字节
  25. flagTxd = 0; //清零发送标志
  26. SBUF = *buf++; //发送一个字节数据
  27. while (!flagTxd); //等待该字节发送完成
  28. }
  29. }
  30. /* 串口数据读取函数，buf-接收指针，len-指定的读取长度，返回值-实际读到的长度 */
  31. unsigned char UartRead(unsigned char *buf, unsigned char len){
  32. unsigned char i;
  33. //指定读取长度大于实际接收到的数据长度时，
  34. //读取长度设置为实际接收到的数据长度
  35. if (len > cntRxd){
  36. len = cntRxd;
  37. }
  38. for (i=0; i<len; i++){ //拷贝接收到的数据到接收指针上
  39. *buf++ = bufRxd[i];
  40. }
  41. cntRxd = 0; //接收计数器清零
  42. return len; //返回实际读取长度
  43. }
  44. /* 串口接收监控，由空闲时间判定帧结束，需在定时中断中调用，ms-定时间隔 */
  45. void UartRxMonitor(unsigned char ms){
  46. static unsigned char cntbkp = 0;
  47. static unsigned char idletmr = 0;
  49. if (cntRxd > 0){ //接收计数器大于零时，监控总线空闲时间
  50. if (cntbkp != cntRxd){ //接收计数器改变，即刚接收到数据时，清零空闲计时
  51. cntbkp = cntRxd;
  52. idletmr = 0;
  53. }else{ //接收计数器未改变，即总线空闲时，累积空闲时间
  54. if (idletmr < 30){ //空闲计时小于 30ms 时，持续累加
  55. idletmr += ms;
  56. if (idletmr >= 30){ //空闲时间达到 30ms 时，即判定为一帧接收完毕
  57. flagFrame = 1; //设置帧接收完成标志
  58. }
  59. }
  60. }
  61. }else{
  62. cntbkp = 0;
  63. }
  64. }
  65. /* 串口驱动函数，监测数据帧的接收，调度功能函数，需在主循环中调用 */
  66. void UartDriver(){
  67. unsigned char len;
  68. unsigned char pdata buf[40];
  70. if (flagFrame){ //有命令到达时，读取处理该命令
  71. flagFrame = 0;
  72. len = UartRead(buf, sizeof(buf)); //将接收到的命令读取到缓冲区中
  73. UartAction(buf, len); //传递数据帧，调用动作执行函数
  74. }
  75. }
  76. /* 串口中断服务函数 */
  77. void InterruptUART() interrupt 4{
  78. if (RI){ //接收到新字节
  79. RI = 0; //清零接收中断标志位
  80. //接收缓冲区尚未用完时，保存接收字节，并递增计数器
  81. if (cntRxd < sizeof(bufRxd)){{
  82. bufRxd[cntRxd++] = SBUF;
  83. }
  84. }
  85. if (TI){ //字节发送完毕
  86. TI = 0; //清零发送中断标志位
  87. flagTxd = 1; //设置字节发送完成标志
  88. }
  89. }
大家可以对照注释和前面的讲解分析下这个 Uart.c 文件，在这里指出其中的两个要点希望大家多注意下。

1、接收数据的处理，在串口中断中，将接收到的字节都存入缓冲区 bufRxd 中，同时利用另外的定时器中断通过间隔调用 UartRxMonitor 来监控一帧数据是否接收完毕，判定的原则就是我们前面介绍的空闲时间，当判定一帧数据结束完毕时，设置 flagFrame 标志，主循环中可以通过调用 UartDriver 来检测该标志，并处理接收到的数据。当要处理接收到的数据时，先通过串口读取函数 UartRead 把接收缓冲区 bufRxd 中的数据读取出来，然后再对读到的数据进行判断处理。也许你会说，既然数据都已经接收到 bufRxd 中了，那我直接在这里面用不就行了嘛，何必还得再拷贝到另一个地方去呢？我们设计这种双缓冲的机制，主要是为了提高串口接收到响应效率：首先如果你在 bufRxd 中处理数据，那么这时侯就不能再接收任何数据，因为新接收的数据会破坏原来的数据，造成其不完整和混乱；其次，这个处理过程可能会耗费较长的时间，比如说上位机现在就给你发来一个延时显示的命令，那么在这个延时的过程中你都无法去接收新的命令，在上位机看来就是你暂时失去响应了。而使用这种双缓冲机制就可以大大改善这个问题，因为数据拷贝所需的时间是相当短的，而只要拷贝出去后，bufRxd 就可以马上准备去接收新数据了。

2、串口数据写入函数 UartWrite，它把数据指针 buf 指向的数据块连续的由串口发送出去。虽然我们的串口程序启用了中断，但这里的发送功能却没有在中断中完成，而是仍然靠查询发送中断标志 flagTxd（因中断函数内必须清零 TI，否则中断会重复进入执行，所以另置了一个 flagTxd 来代替 TI）来完成，当然也可以采用先把发送数据拷贝到一个缓冲区中，然后再在中断中发缓冲区数据发送出去的方式，但这样一是要耗费额外的内存，二是使程序更复杂。这里也还是想告诉大家，简单方式可以解决的问题就不要搞得更复杂。
  1. /*****************************main.c 文件程序源代码******************************/
  2. #include
  3. sbit BUZZ = P1^6; //蜂鸣器控制引脚
  4. bit flagBuzzOn = 0; //蜂鸣器启动标志
  5. unsigned char T0RH = 0; //T0 重载值的高字节
  6. unsigned char T0RL = 0; //T0 重载值的低字节
  8. void ConfigTimer0(unsigned int ms);
  9. extern void UartDriver();
  10. extern void ConfigUART(unsigned int baud);
  11. extern void UartRxMonitor(unsigned char ms);
  12. extern void UartWrite(unsigned char *buf, unsigned char len);
  13. extern void InitLcd1602();
  14. extern void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *str);
  15. extern void LcdAreaClear(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char len);
  17. void main(){
  18. EA = 1; //开总中断
  19. ConfigTimer0(1); //配置 T0 定时 1ms
  20. ConfigUART(9600); //配置波特率为 9600
  21. InitLcd1602(); //初始化液晶
  23. while (1){
  24. UartDriver(); //调用串口驱动
  25. }
  26. }
  27. /* 内存比较函数，比较两个指针所指向的内存数据是否相同，
  28. ptr1-待比较指针 1，ptr2-待比较指针 2，len-待比较长度
  29. 返回值-两段内存数据完全相同时返回 1，不同返回 0 */
  30. bit CmpMemory(unsigned char *ptr1, unsigned char *ptr2, unsigned char len){
  31. while (len--){
  32. if (*ptr1++ != *ptr2++){ //遇到不相等数据时即刻返回 0
  33. return 0;
  34. }
  35. }
  36. return 1; //比较完全部长度数据都相等则返回 1
  37. }
  38. /* 串口动作函数，根据接收到的命令帧执行响应的动作
  39. buf-接收到的命令帧指针，len-命令帧长度 */
  40. void UartAction(unsigned char *buf, unsigned char len){
  41. unsigned char i;
  42. unsigned char code cmd0[] = "buzz on"; //开蜂鸣器命令
  43. unsigned char code cmd1[] = "buzz off"; //关蜂鸣器命令
  44. unsigned char code cmd2[] = "showstr "; //字符串显示命令
  45. unsigned char code cmdLen[] = { //命令长度汇总表
  46. sizeof(cmd0)-1, sizeof(cmd1)-1, sizeof(cmd2)-1,
  47. };
  49. unsigned char code *cmdPtr[] = { //命令指针汇总表
  50. &cmd0[0], &cmd1[0], &cmd2[0],
  51. };
  53. for (i=0; i<sizeof(cmdLen); i++){ //遍历命令列表，查找相同命令
  54. if (len >= cmdLen[i]){ //首先接收到的数据长度要不小于命令长度
  55. if (CmpMemory(buf, cmdPtr[i], cmdLen[i])){ //比较相同时退出循环
  56. break;
  57. }
  58. }
  59. }
  60. switch (i){ //循环退出时 i 的值即是当前命令的索引值
  61. case 0:
  62. flagBuzzOn = 1; //开启蜂鸣器
  63. break;
  64. case 1:
  65. flagBuzzOn = 0; //关闭蜂鸣器
  66. break;
  67. case 2:
  68. buf[len] = '

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