現實生活中， 我們總是要與人打交道，互通有無。單片機也一樣，需要跟各種設備交互。例如汽車的顯示儀表需要知道汽車的轉速及電動機的運行參數，那么顯示儀表就需要從汽車的底層控制器取得數據。而這個數據的獲得過程就是一個通信過程。類似的例子還有控制器通常是單片機或者PLC與變頻器的通信。通信的雙方需要遵守一套既定的規則也稱為協議，這就好比我們人之間的對話，需要在雙方都遵守一套語言語法規則才有可能達成對話。

通信協議又分為硬件層協議和軟件層協議。硬件層協議主要規范了物理上的連線，傳輸電平信號及傳輸的秩序等硬件性質的內容。常用的硬件協議有串口，IIC， SPI， RS485， CAN和 USB。軟件層協議則更側重上層應用的規范，比如modbus協議。

好了，那這里我們就著重介紹51單片機的串口通信協議，以下簡稱串口。串口的6個特征如下。

（1）、物理上的連線至少3根，分別是Tx數據發送線，Rx數據接收線，GND共用地線。

（2）、0與1的約定。RS232電平，約定﹣5V至﹣25V之間的電壓信號為1，﹢5V至﹢25V之間的電壓信號為0 。TTL電平，約定5V的電壓信號為1，0V電壓信號為0 。CMOS電平，約定3.3V的電壓信號為1，0V電壓信號為0 。其中，CMOS電平一般用于ARM芯片中。

（3）、發送秩序。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）在數據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）、通信的起始信號。發送方在沒有發送數據時，應該將Tx置1 。當需發送時，先將Tx置0，并且保持1位的時間。接受方不斷地偵測Rx，如果發現Rx常時間變高后，突然被拉低（置為0），則視為發送方將要發送數據，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）、停止信號。發送方發送完最后一個有效位時，必須再將Tx保持1位的時間，即為停止位。

好了，理論暫時到這里，現在我們要做一個實驗，將一個字節從51單片機發送到電腦串口調試助手上。這個實驗的目的是為了掌握串口通信協議的收發過程。

虛擬串口

實驗一、虛擬串口實驗

一般單片機都有專門的串口引腳，51里面分別是P3.0和P3.1，這些引腳擁有串口的硬件電路，因此使用它們并不需要設置信號的發送停止。為了掌握協議，我們使用其他的引腳來模擬串口，所以也叫虛擬串口。這里我們選用P1.0，然而注意到我們51單片機要發送數據給電腦，必須經過一個串口轉USB設備（即TTL電平轉換為RS232電平），而限于我們的開發板只有P3.0與P3.1連接到了串口轉USB設備，所以我們可以將P1.0短接到P3.1 。下圖是這個串口轉USB的原理圖。

好了直接上代碼吧。

#include "reg51.h"  
/* 
  將P1.0虛擬成串口發送腳TX 
  以9600bit/s的比特率向外發送數據 
  因為波特率是    9600bit/s 
 所以me發送一位的時間是 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 //宏定義  
#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;//通過引入全局變量sbuf，可以保存形參dat  
TX=0; //A 起始位 
TR0=1;  
while(ti==0);    //等待發送完成 
 ti=0; //清除發送完成標志  
}  
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; //發送完成  
    }  
}  
void main()  
{  
    TX=1; //使TX處于空閑狀態  
    Timer0_Init();  
    Isr_Init();  
    while(1)  
    {  
        Send_Byte(65); //0x41  
        delay(60000);  
    }  
}

實驗引入了定時器0來控制發送線上的各個位的保持時間。首先main函數進入，TX置1則使發送線處于空閑，這時候發送方和接受方都處于空閑。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循環，先進Send_Byte()函數，將65傳給形參dat，dat再將65賦值給sbuf，到這里準備工作就做好了。接著TX置0，這個是起始位，要保持這個起始位104us。于是就啟動定時器TR0置1，計時器開始計數。當第一次溢出的時候，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信號，于是迅速啟動自己的定時器。進入中斷子函數后，先是重裝定時器初值，然后i加1，也就是當i＝1時，就應該發送數據的最低位了，總共有8位數據，所以使用條件語句if(i>=1 && i<=8)來判斷是否發送完數據位。然后再通過if(i==9) 來發送停止位，最后當i=10時，也就是發送完了，這時候要關閉定時器（那么程序也就），同時i置0，ti置1（才能跳出while(ti==0)循環），最后將ti置0，保證下次要發送字節時讓程序停留在while(ti==0)。

片上串口

以上說的是虛擬串口，上文中談到與串口相關的引腳P3.0與P3.1，事實上51單片機自帶片上串口，那這個串口又該怎么使用呢？

片上串口支持同步模式與異步模式。簡單來說同步模式就是指有時鐘線，而異步模式無時鐘線。這里的時鐘線是指在同步通信時，用一根線專門傳輸時鐘信號，這個信號用來與要發送的每一位保持同步，這樣就避免了例如異步通信中因為采用定時器而引入的時間誤差。

片上串口還支持8位模式和9位模式。如下圖所示

其中D0-D7是一個字節的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信。奇偶校驗原理這不加分析。多機通信時比如主機只發送數據給網絡中的一臺地址為0x02的設備，這時候先讓TB8為1，前面的D0-D7則為地址即0x02，之后再讓TB8為0，前面的D0-D7則為數據了。

上面設置了片上串口的模式，另外還要設置串口的波特率。

片上串口的波特率等于定時器1工作在方式2時溢出率的32分頻。如果要定時器1工作在方式2，那么TMOD＝0x20。另外要保證為32分頻，我們還必須設置計數器初值。設晶振為11.0592Mhz，則定時器的計數脈沖為F＝f/12，則定時器每計一個脈沖的時間為T＝12/f。又令計數器的起點為x，則溢出一次要計的脈沖數為（256－x所以在計數起點為x時，溢出一次的時間為t＝12/f*（256－x則對應的溢出率為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。這里也就解釋了為什么51里面選用了11.0592M的晶振而不是12M，這樣就保證了串口的時序更加準確，雖然犧牲了定時器的準確度。

實驗二，片外串口發送一個字節。

好了現在開始我們的實驗之旅。直接看代碼吧。

# include "reg51.h"
 
#define u16 unsigned int
 
# define u8 unsigned char
 
void delay(u16 x)
{
 
    while (x--);
 
}
 
 
void Uart_Init() //串口初始化 
{
 
    SCON = 0x50; //8位異步模式 
 
    TMOD |= 0x20; //定時器1工作方式2 
 
    TH1 = 253; //9600bit/s 
 
    TR1 = 1;
 
}

void Send_Byte(u8 dat)
{
 
    SBUF = dat; //啟動發送，只需要把發送內容給SBUF這個寄存器 
 
    while (TI == 0); //等待發送完成，因為TI為1時表示在發送停止位 
 
    TI = 0;
 
}

void main()
{
 
    Uart_Init();
 
    while (1)
 
    {
 
        Send_Byte('m');
 
        delay(60000);
 
    }
 
}

實驗二較之實驗一，代碼減少了很多，而且不用考慮繁瑣的位發送時序。只需要明白各個寄存器SCON，TMOD，TCON，SBUF的用法。TI是SCON中的第一位，為發送中斷請求標志位。在本方式中，在停止位開始發送時由內部硬件置位，響應中斷后TI必須又軟件清零。

實驗三、片上串口發送一個字符串

上面介紹了如何發送一個字節，那如何發送一個字符串甚至文本呢？這里我們首先介紹下字符串的概念。

字符串：從存儲器的某個地址開始，連續存放多個字符的ASCII碼，并且在最后一個字符的后面存放一個0，這段連續的內存空間就叫字符串，最后的0叫字符串的結束符。注意這里的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。

數組與字符串的關系：字符串是數組的一種特殊情況，數組在特定條件下可當做字符串用。C語言用雙引號描述一個字符串，如“abcd”。

下面我們通過一個實驗來展示如何發送字符串。我們實驗的目標是打印字符串“Hello World ! 第一!”到打印機。直接上代碼。

#include "reg51.h"  

#define u16 unsigned int  
#define u8 unsigned char  
void delay(u16 x)  
{  
    while(x--);  
}  
void Uart_Init() //串口初始化  
{  
    SCON=0x50; //8位異步模式  
    TMOD|=0x20; //定時器1工作方式2  
    TH1=253;//9600bit/s  
    TR1=1;  
}  
void Send_Byte(u8 dat)    //串口發送一個字節  
{  
    SBUF=dat; //啟動發送，只需要把發送內容給SBUF這個寄存器  
    while(TI==0); //等待發送完成，因為TI為1時表示在發送停止位  
    TI=0;  
}
 void Send_String(u8 *str)   //發送一個字符串  *str為字符串第一個字符的地址  
{  
    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

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