通訊按照傳統的理解就是資訊的傳輸與交換。UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，即通用非同步收發器）序列通訊是微控制器最常用的一種通訊技術，通常用於微控制器和電腦之間以及微控制器和微控制器之間的通訊。

以下我們以STC98C52微控制器為例子，簡單講述序列通訊。

1.1 序列通訊的初步認識

通訊按照基本型別可以分為並行通訊和序列通訊。並行通訊時資料的各個位同時傳送，可以實現位元組為單位通訊，但是因為通訊線多佔用資源多，成本高。比如使用STC89C52的P0口設定為P0 = 0xfe;一次給P0的8個IO口分別賦值，同時進行訊號輸出，類似於有8個車道同時可以過去8輛車一樣，這種形式就是並行的，我們習慣上還稱P0、P1、P2和P3為51微控制器的4組並行匯流排。

而序列通訊，就如同一條車道，一次只能一輛車過去，如果一個0xfe這樣一個位元組的資料要傳輸過去的話，假如低位在前高位在後，那傳送方式就是0-1-1-1-1-1-1-1-1，一位一位的傳送出去的，要傳送8次才能傳送完一個位元組。

在我們的STC89C52上，有兩個引腳，是專門用來做UART串列埠通訊的，一個是P3.0一個是P3.1，還分別有另外的名字叫做RXD和TXD，這兩個引腳是專門用來進行UART通訊的，如果我們兩個微控制器進行UART串列埠通訊的話，那基本的演示圖如圖1-1所示。

圖1-1 微控制器之間UART通訊示意圖

圖中，GND表示微控制器系統電源的參考地，TXD是序列傳送引腳，RXD是序列接收引腳。兩個微控制器之間要通訊，首先電源基準得一樣，所以我們要把兩個微控制器的GND相互連起來，然後微控制器1的TXD引腳接到微控制器2的RXD引腳上，即此路為微控制器1傳送而微控制器2接收的通道，微控制器1的RXD引腳接到微控制器2的TXD引腳上，即此路為微控制器2傳送而微控制器2接收的通道。這個示意圖就體現了兩個微控制器各自收發資訊的過程。

當微控制器1想給微控制器2傳送資料時，比如傳送一個0xE4這個資料，用二進位制形式表示就是0b11100100，在UART通訊過程中，是低位先發，高位後發的原則，那麼就讓TXD首先拉低電平，持續一段時間，傳送一位0，然後繼續拉低，再持續一段時間，又傳送了一位0，然後拉高電平，持續一段時間，發了一位1......一直到把8位二進位制數字0b11100100全部發送完畢。這裡就牽扯到了一個問題，就是持續的這“一段時間”到底是多久？從這裡引入我們通訊中的另外重要概念——波特率，也叫做位元率。

波特率就是傳送一位二進位制資料的速率，習慣上用baud表示，即我們傳送一位資料的持續時間=1/baud。在通訊之前，微控制器1和微控制器2首先都要明確的約定好他們之間的通訊波特率，必須保持一致，收發雙方才能正常實現通訊，這一點大家一定要記清楚。

約定好速度後，我們還要考慮第二個問題，資料什麼時候是起始，什麼時候是結束呢？不管是提前接收還是延遲接收，資料都會接收錯誤。在UART序列通訊的時候，一個位元組是8位，規定當沒有通訊訊號發生時，通訊線路保持高電平，當要傳送資料之前，先發一位0表示起始位，然後傳送8位資料位，資料位是先低後高的順序，資料位發完後再發一位1表示停止位。這樣本來要傳送一個位元組8位資料，而實際上我們一共傳送了10位，多出來的兩位其中一位起始位，一位停止位。而接收方呢，原本一直保持的高電平，一旦檢測到來了一位低電平，那就知道了要開始準備接收資料了，接收到8位資料位後，然後檢測到停止位，再準備下一個數據的接收了。我們圖示看一下，如圖1-2所示。

圖1-2 串列埠資料傳送示意圖

    如圖1-2串列埠資料傳送示意圖，實際上是一個時域示意圖，就是訊號隨著時間變化的對應關係。比如在微控制器的傳送引腳上，左邊的是先發生的，右邊的是後發生的，資料位的切換時間就是波特率分之一秒，如果能夠理解時域的概念，後邊很多通訊的時序圖就很容易理解了。

1.2 USB轉串列埠通訊

隨著技術的發展，工業上還有RS232串列埠通訊的大量使用，但是商業技術的應用上，已經慢慢的使用USB轉UART技術取代了RS232串列埠，絕大多數膝上型電腦已經沒有串列埠這個東西了，那我們要實現微控制器和電腦之間的通訊該如何辦呢？

我們只需要在我們電路上新增一個USB轉串列埠晶片，就可以成功實現USB通訊協議和標準UART序列通訊協議的轉換，在我們的開發板上，我們使用的是CH340G這個晶片，如圖1-3所示。

圖1-3 USB轉串列埠電路

CH340G這個電路很簡單，把電源電路，晶振電路接好後，6腳和7腳的UD+和UD-分別接USB口的2個數據引腳上去，3腳和4腳接到了我們微控制器的TXD和RXD上去。

CH340G的電路里2腳位置加了個4148的二極體，是一個小技巧。因為我們的STC89C52RC這個微控制器下載程式需要冷啟動，就是先點下載後上電，上電瞬間微控制器會先檢測需要不需要下載程式。雖然微控制器的VCC是由開關來控制，但是由於CH340G的2腳是輸出引腳，如果沒有此二極體，開關後級微控制器在斷電的情況下，CH340G的2腳和微控制器的P3.0（即RXD）引腳連在一起，有電流會通過這個引腳流入後級電路並且給後級的電容充電，造成後級有一定幅度的電壓，這個電壓值雖然只有兩三伏左右，但是可能會影響到我們的冷啟動。加了二極體後，一方面不影響通訊，另外一個方面還可以消除這種問題。這個地方可以暫時作為了解，大家如果自己做這塊電路，可以參考一下。

1.3 IO口模擬UART串列埠通訊

為了讓大家充分理解UART串列埠通訊的原理，我們先用P3.0和P3.1這兩個當做IO口來進行模擬實際串列埠通訊的過程，原理搞懂後，我們再使用暫存器配置實現串列埠通訊過程。

對於UART串列埠波特率，常用的值是1200、2400、4800、9600、14400、19200、28800、38400、57600、115200、128000、256000等速率。IO口模擬UART序列通訊程式是一個簡單的演示程式，我們使用串列埠除錯助手下發一個數據，資料加1後，再自動返回。波特率是我們程式設定好的選擇，我們程式中讓一個數據位持續時間是1/9600秒，那這個地方選擇波特率就是選9600，校驗位選N，資料位8，停止位1。

串列埠除錯助手的實質就是我們利用電腦上的UART通訊介面，通過這個UART介面傳送資料給我們的微控制器，也可以把我們的單片機發送的資料接收到這個除錯助手介面上。

因為初次接觸通訊方面的技術，所以我對這個程式進行一下解釋，大家可以邊看我的解釋邊看程式，把底層原理先徹底弄懂。

變數定義部分就不用說了，直接看main主函式。首先是對通訊的波特率的設定，在這裡我們配置的波特率是9600，那麼串列埠除錯助手也得是9600。配置波特率的時候，我們用的是定時器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在進行計數了。當TL0溢位後，不僅僅會讓TF0變1，而且還會將TH0中的內容重新自動裝到TL0中。這樣有一個好處，我們可以把我們想要的定時器初值提前存在TH0中，當TL0溢位後，TH0自動把初值就重新送入TL0了，全自動的，不需要程式上再給TL0重新賦值了，配置方式很簡單，大家可以自己看下程式並且計算一下初值。

波特率設定好以後，開啟中斷，然後等待接收串列埠除錯助手下發的資料。接收資料的時候，首先要進行低電平檢測 while (PIN_RXD)，若沒有低電平則說明沒有資料，一旦檢測到低電平，就進入啟動接收函式StartRXD()。接收函式最開始啟動半個波特率週期，初學可能這裡不是很明白。大家回頭看一下我們的圖1-2裡邊的串列埠資料示意圖，訊號在資料位電平變化的時候去讀，因為時序上的誤差以及訊號穩定性的問題很容易讀錯資料，所以我們希望在訊號最穩定的時候去讀資料。除了訊號變化的那個沿的位置外，其他位置都很穩定，那麼我們現在就約定在訊號中間位置去讀取電平狀態，這樣能夠保證我們訊號讀的是對的。

一旦讀到了起始訊號，我們就把當前狀態設定成接受狀態，並且開啟定時器中斷，第一次是半個週期進入中斷後，對起始位進行二次判斷一下，確認一下起始位是低電平，而不是一個干擾訊號。以後每經過9600分之一秒進入一次中斷，並且把這個引腳的狀態讀到RxdBuf裡邊。等待接收完畢之後，我們再把這個RxdBuf加1，再通過TXD引腳傳送出去，同樣需要先發一位起始位，然後發8個數據位，再發結束位，傳送完畢後，程式執行到while (PIN_RXD)，等待第二輪訊號接收的開始。

1. #include <reg52.h>

2. sbit PIN_RXD = P3^0; //接收引腳定義

3. sbit PIN_TXD = P3^1; //傳送引腳定義

4. bit RxdOrTxd = 0; //指示當前狀態為接收還是傳送

5. bit RxdEnd = 0; //接收結束標誌

6. bit TxdEnd = 0; //傳送結束標誌

7. unsigned char RxdBuf = 0; //接收緩衝器

8. unsigned char TxdBuf = 0; //傳送緩衝器

9. void ConfigUART(unsigned int baud);

10. void StartTXD(unsigned char dat);

11. void StartRXD();

12. void main ()

13. {

14. ConfigUART(9600); //配置波特率為9600

15. EA = 1; //開總中斷

16.  

17. while(1)

18. {

19. while (PIN_RXD); //等待接收引腳出現低電平，即起始位

20. StartRXD(); //啟動接收

21. while (!RxdEnd); //等待接收完成

22. StartTXD(RxdBuf+1); //接收到的資料+1後，傳送回去

23. while (!TxdEnd); //等待發送完成

24. }

25. }

26. void ConfigUART(unsigned int baud) //串列埠配置函式，baud為波特率

27. {

28. TMOD &= 0xF0; //清零T0的控制位

29. TMOD |= 0x02; //配置T0為模式2

30. TH0 = 256 - (11059200/12) / baud; //計算T0過載值

31. }

32. void StartRXD() //啟動序列接收

33. {

34. TL0 = 256 - ((256-TH0) >> 1); //接收啟動時的T0定時為半個波特率週期

35. ET0 = 1; //使能T0中斷

36. TR0 = 1; //啟動T0

37. RxdEnd = 0; //清零接收結束標誌

38. RxdOrTxd = 0; //設定當前狀態為接收

39. }

40. void StartTXD(unsigned char dat) //啟動序列傳送，dat為待發送位元組資料

41. {

42. TxdBuf = dat; //待發送資料儲存到傳送緩衝器

43. TL0 = TH0; //T0計數初值為過載值

44. ET0 = 1; //使能T0中斷

45. TR0 = 1; //啟動T0

46. PIN_TXD = 0; //傳送起始位

47. TxdEnd = 0; //清零傳送結束標誌

48. RxdOrTxd = 1; //設定當前狀態為傳送

49. }

50. void InterruptTimer0() interrupt 1 //T0中斷服務函式，處理序列傳送和接收

51. {

52. static unsigned char cnt = 0; //bit計數器，記錄當前正在處理的位

53. if (RxdOrTxd) //序列傳送處理

54. {

55. cnt++;

56. if (cnt <= 8) //低位在先依次傳送8bit資料位

57. {

58. PIN_TXD = TxdBuf & 0x01;

59. TxdBuf >>= 1;

60. }

61. else if (cnt == 9) //傳送停止位

62. {

63. PIN_TXD = 1;

64. }

65. else //傳送結束

66. {

67. cnt = 0; //復位bit計數器

68. TR0 = 0; //關閉T0

69. TxdEnd = 1; //置傳送結束標誌

70. }

71. }

72. else //序列接收處理

73. {

74. if (cnt == 0) //處理起始位

75. {

76. if (!PIN_RXD) //起始位為0時，清零接收緩衝器，準備接收資料位

77. {

78. RxdBuf = 0;

79. cnt++;

80. }

81. else //起始位不為0時，中止接收

82. {

83. TR0 = 0; //關閉T0

84. }

85. }

86. else if (cnt <= 8) //處理8位資料位

87. {

88. RxdBuf >>= 1; //低位在先，所以將之前接收的位向右移

89. if (PIN_RXD) //接收腳為1時，緩衝器最高位置1；為0時不處理即仍保持移位後的0

90. {

91. RxdBuf |= 0x80;

92. }

93. cnt++;

94. }

95. else //停止位處理

96. {

97. cnt = 0; //復位bit計數器

98. TR0 = 0; //關閉T0

99. if (PIN_RXD) //停止位為1時，方能認為資料有效

100. {

101. RxdEnd = 1; //置接收結束標誌

102. }

103. }

104. }

105. }