微控制器C語言之串列埠通訊協議
通訊協議又分為硬體層協議和軟體層協議。硬體層協議主要規範了物理上的連線，傳輸電平訊號及傳輸的秩序等硬體性質的內容。常用的硬體協議有串列埠，IIC， SPI， RS485， CAN和 USB。軟體層協議則更側重上層應用的規範，比如modbus協議。
好了，那這裡我們就著重介紹51微控制器的串列埠通訊協議，以下簡稱串列埠。串列埠的6個特徵如下。
（1）、物理上的連線至少3根，分別是Tx資料傳送線，Rx資料接收線，GND共用地線。
（2）、0與1的約定。RS232電平，約定﹣5V至﹣25V之間的電壓訊號為1，﹢5V至﹢25V之間的電壓訊號為0 。TTL電平，約定5V的電壓訊號為1，0V電壓訊號為0 。CMOS電平，約定3.3V的電壓訊號為1，0V電壓訊號為0 。其中，CMOS電平一般用於ARM晶片中。
（3）、傳送秩序。低位先發。
（4）、波特率。收發雙方共同約定的一個數據位（0或1）在資料傳輸線上維持的時間。也可理解為每秒可以傳輸的位數。常用的波特率有300bit/s, 600bit/s, 2400bit/s, 4800bit/s, 9600bit/s。
（5）、通訊的起始訊號。傳送方在沒有傳送資料時，應該將Tx置1 。 當需傳送時，先將Tx置0，並且保持1位的時間。接受方不斷地偵測Rx，如果發現Rx常時間變高後，突然被拉低（置為0），則視為傳送方將要傳送資料，迅速啟動自己的定時器，從而保證了收發雙方定時器同步定時。
（6）、停止訊號。傳送方傳送完最後一個有效位時，必須再將Tx保持1位的時間，即為停止位。
好了，理論暫時到這裡，現在我們要做一個實驗，將一個位元組從51單片機發送到電腦串列埠除錯助手上。這個實驗的目的是為了掌握串列埠通訊協議的收發過程。
虛擬串列埠
實驗一、虛擬串列埠實驗
一般微控制器都有專門的串列埠引腳，51裡面分別是P3.0和P3.1，這些引腳擁有串列埠的硬體電路，因此使用它們並不需要設定訊號的傳送停止。為了掌握協議，我們使用其他的引腳來模擬串列埠，所以也叫虛擬串列埠。這裡我們選用P1.0，然而注意到我們51微控制器要傳送資料給電腦，必須經過一個串列埠轉USB裝置（即TTL電平轉換為RS232電平），而限於我們的開發板只有P3.0與P3.1連線到了串列埠轉USB裝置，所以我們可以將P1.0短接到P3.1 。 下圖是這個串列埠轉USB的原理圖。
好了直接上程式碼吧。
實驗引入了定時器0來控制傳送線上的各個位的保持時間。首先main函式進入，TX置1則使傳送線處於空閒，這時候傳送方和接受方都處於空閒。接下來初始化定時器0，TR0置0表示還不要啟動定時器0。接著中斷系統初始化，此時中斷系統已經開啟。進入while迴圈，先進Send_Byte()函式，將65傳給形參dat，dat再將65賦值給sbuf，到這裡準備工作就做好了。接著TX置0，這個是起始位，要保持這個起始位104us。於是就啟動定時器TR0置1，計時器開始計數。當第一次溢位的時候，也就是過了104us，進入中斷，同時接收方也偵測到了這個突然被拉低的訊號，於是迅速啟動自己的定時器。進入中斷子函式後，先是重灌定時器初值，然後i加1，也就是當i＝1時，就應該傳送資料的最低位了，總共有8位資料，所以使用條件語句if(i>=1 && i<=8)來判斷是否傳送完資料位。然後再通過if(i==9) 來發送停止位，最後當i=10時，也就是傳送完了，這時候要關閉定時器（那麼程式也就），同時i置0，ti置1（才能跳出while(ti==0)迴圈），最後將ti置0，保證下次要傳送位元組時讓程式停留在while(ti==0)。#include "reg51.h" /* 將P1.0虛擬成串列埠傳送腳TX 以9600bit/s的位元率向外傳送資料 因為波特率是 9600bit/s 所以me傳送一位的時間是 t=1000000us/9600=104us */ sbit TX=P3^1; //P1^0 output TTL signal, need to transferred to rs232 signal, can be connected to P3^1 #define u16 unsigned int //巨集定義 #define u8 unsigned char u8 sbuf; bit ti=0; void delay(u16 x) { while(x--); } void Timer0_Init() { TMOD |= 0x01; TH0=65440/256; TH0=65440%256; TR0=0; } void Isr_Init() { EA=1; ET0=1; } void Send_Byte(u8 dat) { sbuf=dat;//通過引入全域性變數sbuf，可以儲存形參dat TX=0; //A 起始位 TR0=1; while(ti==0); //等待發送完成 ti=0; //清除傳送完成標誌 } void TF0_isr() interrupt 1 //每104us進入一次中斷 { static u8 i; //記錄進入中斷的次數 TH0=65440/256; TL0=65440%256; i++; if(i>=1 && i<=8) { if((sbuf&(1<<(i-1)))==0) // (sbuf&(1<<(i-1)))表示取出i-1位 { TX=0; } else { TX=1; } } if(i==9) //停止位 { TX=1; } if(i==10) { TR0=0; i=0; ti=1; //傳送完成 } } void main() { TX=1; //使TX處於空閒狀態 Timer0_Init(); Isr_Init(); while(1) { Send_Byte(65); //0x41 delay(60000); } }
片上串列埠
以上說的是虛擬串列埠，上文中談到與串列埠相關的引腳P3.0與P3.1，事實上51微控制器自帶片上串列埠，那這個串列埠又該怎麼使用呢？
片上串列埠支援同步模式與非同步模式。簡單來說同步模式就是指有時鐘線，而非同步模式無時鐘線。這裡的時鐘線是指在同步通訊時，用一根線專門傳輸時鐘訊號，這個訊號用來與要傳送的每一位保持同步，這樣就避免了例如非同步通訊中因為採用定時器而引入的時間誤差。
片上串列埠還支援8位模式和9位模式。如下圖所示
其中D0-D7是一個位元組的8個位。9位模式只是多了一個位TB8，這個TB8的作用是奇偶校驗或多機通訊。奇偶校驗原理這不加分析。多機通訊時比如主機只發送資料給網路中的一臺地址為0x02的裝置，這時候先讓TB8為1，前面的D0-D7則為地址即0x02，之後再讓TB8為0，前面的D0-D7則為資料了。
上面設定了片上串列埠的模式，另外還要設定串列埠的波特率。
片上串列埠的波特率等於定時器1工作在方式2時溢位率的32分頻。如果要定時器1工作在方式2，那麼TMOD＝0x20。另外要保證為32分頻，我們還必須設定計數器初值。設晶振為11.0592Mhz，則定時器的計數脈衝為F＝f/12，則定時器每計一個脈衝的時間為T＝12/f。又令計數器的起點為x，則溢位一次要計的脈衝數為（256－x）。所以在計數起點為x時，溢位一次的時間為t＝12/f*（256－x）。則對應的溢位率為1/t＝f/（12*（256－x））。對應的波特率就為b＝f/（384*（256－x））。
x＝256－f/(384*b)
其中f為晶振頻率，b為希望的波特率，x為定時器的計數起點TH1的值。
例如當晶振為11.0592M，希望波特率為9600bit/s，則TH1＝253。題外話，我們同樣可以演算出在其他常用波特率情況下，TH1始終為一個整數。這裡也就解釋了為什麼51裡面選用了11.0592M的晶振而不是12M，這樣就保證了串列埠的時序更加準確，雖然犧牲了定時器的準確度。
實驗二，片外串列埠傳送一個位元組。
好了現在開始我們的實驗之旅。直接看程式碼吧。
#include "reg51.h"
#define u16 unsigned int
#define u8 unsigned char
void delay(u16 x)
{
while(x--);
}
void Uart_Init() //串列埠初始化
{
SCON=0x50; //8位非同步模式
TMOD|=0x20; //定時器1工作方式2
TH1=253;//9600bit/s
TR1=1;
}
void Send_Byte(u8 dat)
{
SBUF=dat; //啟動傳送，只需要把傳送內容給SBUF這個暫存器
while(TI==0); //等待發送完成，因為TI為1時表示在傳送停止位
TI=0;
}
void main()
{
Uart_Init();
while(1)
{
Send_Byte('m');
delay(60000);
}
}實驗二較之實驗一，程式碼減少了很多，而且不用考慮繁瑣的位傳送時序。只需要明白各個暫存器SCON，TMOD，TCON，SBUF的用法。TI是SCON中的第一位，為傳送中斷請求標誌位。在本方式中，在停止位開始傳送時由內部硬體置位，響應中斷後TI必須又軟體清零。
實驗三、片上串列埠傳送一個字串
上面介紹瞭如何傳送一個位元組，那如何傳送一個字串甚至文字呢？這裡我們首先介紹下字串的概念。
字串：從儲存器的某個地址開始，連續存放多個字元的ASCII碼，並且在最後一個字元的後面存放一個0，這段連續的記憶體空間就叫字串，最後的0叫字串的結束符。注意這裡的0和加單引號的0不是一個概念，加單引號的0是指0的ASCII碼。
陣列與字串的關係：字串是陣列的一種特殊情況，陣列在特定條件下可當做字串用。C語言用雙引號描述一個字串，如“abcd”。
下面我們通過一個實驗來展示如何傳送字串。我們實驗的目標是列印字串“Hello World ! 第一!”到印表機。直接上程式碼。
#include "reg51.h"
#define u16 unsigned int
#define u8 unsigned char
void delay(u16 x)
{
while(x--);
}
void Uart_Init() //串列埠初始化
{
SCON=0x50; //8位非同步模式
TMOD|=0x20; //定時器1工作方式2
TH1=253;//9600bit/s
TR1=1;
}
void Send_Byte(u8 dat) //串列埠傳送一個位元組
{
SBUF=dat; //啟動傳送，只需要把傳送內容給SBUF這個暫存器
while(TI==0); //等待發送完成，因為TI為1時表示在傳送停止位
TI=0;
}
void Send_String(u8 *str) //傳送一個字串 *str為字串第一個字元的地址
{
abc: //標號
if(*str != 0)
{
Send_Byte(*str);
str++;
goto abc;
}
}
void main()
{
Uart_Init();
while(1)
{
Send_String("Hello World! 第一！");
Send_Byte(10);
delay(60000);
delay(60000);
}
}實驗效果
