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  • uart串口通信
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    2021-11-10 15:35:21

    串行接口简称“串口”,即采用串行通信方式的接口。
    串行通信将数据字节分成一位一位的形式,在一条数据线上逐个传送。
    串行通信的特点:通信线路简单,但传输速度较慢。
    因此,串行接口广泛应用于对数据传输速度要求不高的场合,如嵌入式、工业控制等领域中。

    串行通信分为两种方式:

    1. 同步串行通信
    2. 异步串行通信

    同步串行通信:需要通信双方在同一时钟的控制下,同步传输数据;
    异步串行通信:通信双方使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。

    UART 是一种采用异步串行通信方式的通用异步收发传输器(universal asynchronous receiver-transmitter)。
    UART在发送数据时,将并行数据转换成串行数据来传输;
    UART在接收数据时,将接收到的串行数据转换成并行数据。

    UART 串口通信需要两根信号线来实现:

    1. 一根用于串口发送
    2. 一根负责串口接收

    UART 在发送 / 接收过程中的一帧数据由 4 部分组成:

    1. 起始位:标志着一帧数据的开始
    2. 数据位:一帧数据中的有效数据
    3. 停止位:标志着一帧数据的结束
    4. 奇偶检验位:校验位分为奇校验和偶校验,用于检验数据在传输过程中是否出错;
      ①奇校验时,发送方应使数据位中 1 的个数与校验位中 1 的个数之和为奇数;接收方在接收数据时,对 1 的个数进行检查,若不为奇数,则说明数据在传输过程中出了差错。
      ②偶校验则检查 1 的个数是否为偶数。
      在这里插入图片描述
      UART 通信过程中的数据格式及传输速率是可设置的,为了正确的通信,收发双方应约定并遵循同样的设置
      数据位可选择为 5、6、7、8 位,其中 8 位数据位是最常用的,在实际应用中一般都选择 8 位数据
      位;
      校验位可选择奇校验、偶校验或者无校验位;
      停止位可选择 1 位(默认),1.5 或 2 位。
      串口通信的速率用波特率表示,它表示每秒传输二进制数据的位数,单位是 bps(位/秒),常用的波特率有 9600、19200、38400、57600 以及 115200 等。

    在设置好数据格式及传输速率之后,UART 负责完成数据的串并转换,而信号的传输则由外部驱动电
    路实现。
    电信号的传输过程有着不同的电平标准和接口规范,针对异步串行通信的接口标准有 RS232、RS422、RS485 等,它们定义了接口不同的电气特性,如 RS-232 是单端输入输出,而 RS-422/485 为差分输入输出等。

    传输方式区别
    单端传输指在发送或接收过程中,用信号线对地线的电压值来表示逻辑“0”和“1”。
    差分传输使用两根信号线来传输一路信号,这两根信号线上传输的信号幅值相等,相位相差 180 度(极性相反),用它们的差值来表示逻辑“0”和“1”,
    RS-232 接口标准出现较早,信号采用负逻辑电平、单端传输方式工作。
    通过一根信号线发送,一根信号线接收,加上一根地线,RS-232 可实现全双工通信。
    由于单端传输方式抗干扰能力差,导致 RS-232 标准通信距离短(小于 15 米),数据传输速率低等问题。另外 RS-232 仅支持一对一通信,存在无法实现多个设备互联的缺点。
    

    RS-422 由 RS-232 发展而来,它是为弥补 RS-232 之不足而提出的。

    RS-422 采用差分传输(又称平衡传输)方式,将最大传输速率提高到 10Mbps;当传输速率在 100kbps 以下时,传输距离可达 1200 米。

    由于采用差分传输方式,RS-422 需要 4 根信号线来实现全双工通信,两根用于发送、两根用于接收,一般会再加上一根地线。RS-422 允许在一条传输总线上连接最多 10 个接收器,从而实现单个设备发送,多个设备接收的功能。

    为扩展应用范围,在 RS-422 基础上又制定了 RS-485 标准。RS-485 同样采用差分传输方式,但是 RS-485 只有 2 根信号线,由发送和接收共用,因此发送和接收不能同时进行,只能实现半双工通信。RS-485 增加
    了多点、双向通信能力,即允许多个发送器连接到同一条总线上,各设备通过使能信号控制发送和接收过程。

    RS232 接口标准出现较早,可实现全双工工作方式,即数据发送和接收可以同时进行。在传输距离较短时(不超过 15m),RS232 是串行通信最常用的接口标准。

    补称RS232、RS422、RS485相关知识:
    通常,我们会使用串行接口(串口)进行通讯,但串行接口只适合2个设备之间的通信,当我们进行一对多的通信时,造成的不便,制约了串行数据的收发。因此,使用RS232通讯协议以及RS422和RS485通讯协议可以很好的解决这个问题。

    通讯协议描述
    RS2323线制(RXD、TXD、GND)、全双工、点对点通讯(因点对点通讯方式而无法联网,导致出现RS485)
    RS4224线制、全双工、点对多主从通讯(实际上还有一根信号地线,共5根线)
    RS4852线式(A、B)、半双工、点对多主从通讯(4线制因只能点对点已经淘汰)

    RS485、RS232、RS422的区别

    通讯协议最大通讯距离端口定义
    RS23215米标准接口,为D形9针头,所连接设备的接口的信号定义是一样的。
    RS4221200米非标准接口,一般为15针串行接口(也有使用9针接口的),每个设备的引脚定义也不一样。RS422为4线制,全双工模式
    RS4851200米非标准接口,一般为15针串行接口(也有使用9针接口的),每个设备的引脚定义也不一样。RS485为两线制,半双工模式。
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    文章目录0、前言1、串行通信的初步认识2、RS232 通信接口3、USB 转串口通信4、IO 口模拟 UART 串口通信5、UART串口通信的基本应用5.1、通信的三种基本类型5.2、UART 模块介绍5.3、UART 串口程序6、ASCII 码 ...

    0、前言


      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,就无法通过其它设备获得有用信息,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。

    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,但是通信线多占用资源多,成本高。比如我们用到的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的话,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。

      单片机有两个引脚是专门用来做 UART 串行通信的,它们分别叫做 RXD 和 TXD,由它们组成的通信接口就叫做串行接口,简称串口。
    用两个单片机进行 UART 串口通信,接线如下图所示。
    在这里插入图片描述
      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 连接起来,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 1 接收的通道。这个示意图就体现了两个单片机相互收发信息的过程。
      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。这里就涉及到了一个问题,就是持续的这“一段时间”到底是多久?由此便引入了通信中的一个重要概念——波特率,也叫做比特率。

      波特率就是发送二进制数据位的速率,习惯上用 baud 表示,即我们发送一位二进制数据的持续时间=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它们之间的通 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 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的 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。如下图所示:

    在这里插入图片描述

      上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。

    2、RS232 通信接口


      在我们的台式电脑上,一般都会有一个 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,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了。

    在这里插入图片描述

      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 即可。

      虽然这三个引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~-15V 电压代表是 1,+3~+15V 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 RS232 串口是不能和单片机直接连接的,需要用一个电平转换芯片 MAX232 来完成,如图下图所示。
    在这里插入图片描述
      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。从这里大家似乎慢慢有点明白了,其实 RS232 串口和 UART 串口,它们的协议类型是一样的,只是电平标准不同而已,而 MAX232 这个芯片起到的就是中间人的作用,它 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。

    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怎么办呢?

      我们只需要在电路上添加一个 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,如图下图所示。
    在这里插入图片描述
      右侧的 CH340T 这个电路很简单,把电源、晶 振接好后,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。

    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,我们先把 P3.0 和 P3.1 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 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,这里我们直接使用 STC-ISP 软件自带的串口调试助手,先把串口调试助手的使用给大家说一下。

    【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,波特率按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。
    在这里插入图片描述
      串口调试助手的实质就是利用电脑上的 UART 通信接口,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。

    先上代码,在作解释。

    IO口模拟串口通信实例:

    #include <reg52.h> 
     
    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() 
    { 
        EA = 1;   				//开总中断 
     	ConfigUART(9600); 		//配置波特率为 9600 
         
        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 
        } 
    }
    
    /* 串口配置函数,baud-通信波特率 */ 
    void ConfigUART(unsigned int baud) 
    { 
         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 
    }
    
    /* 启动串行接收 */
    void StartRXD() 
    { 
    	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 
    }
    
    /* 启动串行发送,dat-待发送字节数据 */ 
    void StartTXD(unsigned char dat) 
    { 
    	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 
    }
    
    /* T0中断服务函数,处理串行发送和接收 */ 
    void InterruptTimer0() interrupt 1 
    { 
        static unsigned char cnt = 0;	//位接收或发送计数 
     
        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, 
     			{ 						//而为 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 
                } 
            } 
        } 
    } 
    

      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 T0 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,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,就是我们可以把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,不需要程序中再给 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。大家回头看一下串口数据示意图,如果在数据位电平变化的时候去读取,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,其它位置都很稳定,那么我们现在就约定在信号中间位置去读取电平状态,这样能够保证我们读的一定是正确的。

      一旦读到了起始信号,我们就把当前状态设定成接收状态,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 1/9600 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。

    5、UART串口通信的基本应用

    5.1、通信的三种基本类型

      常用的通信从传输方向上可以分为单工通信、半双工通信、全双工通信三类。

      单工通信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。比如电视遥 控器、收音机广播等,都是单工通信技术。

      半双工通信 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。

      全双工通信是指发送数据的同时也能够接收数据,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。

    5.2、UART 模块介绍

      IO 口模拟串口通信,让大家了解了串口通信的本质,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,大量占用了单片机的运行时间。这时候就会有聪明人想了,其实我们并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,让它自动接收数据,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。
    在这里插入图片描述
      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 位停止位。下面我们就详细介绍模式 1 的工作细 节和使用方法,至于其它 3 种模式与此也是大同小异,真正遇到需要使用的时候大家再去查 阅相关资料就行了。

      在我们使用 IO 口模拟串口通信的时候,串口的波特率是使用定时器 T0 的中断体现出来的。在硬件串口模块中,有一个专门的波特率发生器用来控制发送和接收数据的速度。对于 STC89C52 单片机来讲,这个波特率发生器只能由定时器 T1 或定时器 T2 产生,而不能由定 时器 T0 产生,这和我们模拟的通信是完全不同的概念。

      使用定时器 T1 作为波特率发生器来讲解,方式 1 下的波特率发生器必须使用定时器 T1 的模式 2,也就是自动重装载模式,定时器的重载值计算公式为:
    T H 1 = T L 1 = 256 − 晶 振 值 / 12 / 2 / 16 / 波 特 率 TH1 = TL1 = 256 - 晶振值/12 /2/16 /波特率 TH1=TL1=256/12/2/16/
      和波特率有关的还有一个寄存器,是一个电源管理寄存器 PCON,他的最高位可以把波
    特率提高一倍,也就是如果写 PCON |= 0x80 以后,计算公式就成了:
    T H 1 = T L 1 = 256 − 晶 振 值 / 12 / 16 / 波 特 率 TH1 = TL1 = 256 - 晶振值/12 /16 /波特率 TH1=TL1=256/12/16/
      公式中数字的含义这里解释一下,256 是 8 位定时器的溢出值,也就是 TL1 的溢出值,晶振值在我们的开发板上就是 11059200,12 是说 1 个机器周期等于 12 个时钟周期,值得关 注的是这个 16,我们来重点说明。在 IO 口模拟串口通信接收数据的时候,采集的是这一位数据的中间位置,而实际上串口模块比我们模拟的要复杂和精确一些。他采取的方式是把一 位信号采集 16 次,其中第 7、8、9 次取出来,这三次中其中两次如果是高电平,那么就认 定这一位数据是 1,如果两次是低电平,那么就认定这一位是 0,这样一旦受到意外干扰读 错一次数据,也依然可以保证最终数据的正确性。

      了解了串口采集模式,在这里要给大家留一个思考题。“晶振值/12/2/16/波特率”这个地方计算的时候,出现不能除尽,或者出现小数怎么办,允许出现多大的偏差?把这部分理解 了,也就理解了我们的晶振为何使用 11.0592M 了。

      串口通信的发送和接收电路在物理上有 2 个名字相同的 SBUF 寄存器,它们的地址也都 是 0x99,但是一个用来做发送缓冲,一个用来做接收缓冲。意思就是说,有 2 个房间,两个房间的门牌号是一样的,其中一个只出人不进人,另外一个只进人不出人,这样的话,我们 就可以实现 UART 的全双工通信,相互之间不会产生干扰。但是在逻辑上呢,我们每次只操 作 SBUF,单片机会自动根据对它执行的是“读”还是“写”操作来选择是接收 SBUF 还是 发送 SBUF,后边通过程序,我们就会彻底了解这个问题。

    5.3、UART 串口程序

      一般情况下,我们编写串口通信程序的基本步骤如下所示:
      1、配置串口为模式 1。
      2、配置定时器 T1 为模式 2,即自动重装模式。
      3、根据波特率计算 TH1 和 TL1 的初值,如果有需要可以使用 PCON 进行波特率加倍。 4、打开定时器控制寄存器 TR1,让定时器跑起来。
      这里还要特别注意一下,就是在使用 T1 做波特率发生器的时候,千万不要再使能 T1 的
    中断了。

      我们先来看一下由 IO 口模拟串口通信直接改为使用硬件 UART 模块时的程序代码,看
    看程序是不是简单了很多,因为大部分的工作硬件模块都替我们做了。程序功能和 IO 口模 拟的是完全一样的。

    #include <reg52.h> 
     
    void ConfigUART(unsigned int baud); 
     
    void main() 
    { 
        ConfigUART(9600);	//配置波特率为 9600
        while (1) 
        { 
            while (!RI);      //等待接收完成 
            RI = 0;            //清零接收中断标志位 
            SBUF = SBUF + 1; //接收到的数据+1后,发送回去 
            while (!TI);      //等待发送完成 
            TI = 0;            //清零发送中断标志位 
        } 
    }
    
    /* 串口配置函数,baud-通信波特率 */ 
    void ConfigUART(unsigned int baud) 
    { 
    	SCON = 0x50; //配置串口为模式 1 
    	TMOD &= 0x0F; //清零 T1的控制位 
        TMOD |= 0x20; //配置 T1为模式 2 
        TH1 = 256 - (11059200/12/32)/baud; //计算 T1重载值 
        TL1 = TH1;     //初值等于重载值 
    	ET1 = 0; //禁止 T1中断 
        TR1 = 1; //启动 T1 
    }
    

      当然了,这个程序还是用在主循环里等待接收中断标志位和发送中断标志位的方法来编写的,而实际工程开发中,当然就不能这么干了,我们也只是为了用直观的对比来告诉你们硬件模块可以大大简化程序代码,那么实际使用串口的时候就用到串口中断了,来看一下用中断实现的程序。请注意一点,因为接收和发送触发的是同一个串口中断,所以在串口中断函数中就必须先判断是哪种中断,然后再作出相应的处理。

    #include <reg52.h> 
     
    void ConfigUART(unsigned int baud); 
     
    void main() 
    { 
        EA = 1;   //使能总中断 
     	ConfigUART(9600); //配置波特率为 9600 
        while (1); 
    }
    
    /* 串口配置函数,baud-通信波特率 */ 
    void ConfigUART(unsigned int baud) 
    { 
    	SCON = 0x50; //配置串口为模式 1 
    	TMOD &= 0x0F; //清零 T1的控制位 
    	TMOD |= 0x20; //配置 T1为模式 2 
        TH1 = 256 - (11059200/12/32)/baud; //计算 T1重载值
    	TL1 = TH1;     //初值等于重载值 
        ET1 = 0; //禁止 T1中断 
        ES  = 1;       //使能串口中断 
        TR1 = 1; //启动 T1 
    }
    
    /* UART中断服务函数 */ 
    void InterruptUART() interrupt 4 
    { 
        if (RI)  //接收到字节 
        { 
        	RI = 0;   			//手动清零接收中断标志位 
     		SBUF = SBUF + 1; 	//接收的数据+1后发回,左边是发送 SBUF,右边是接收 SBUF 
        } 
        if (TI)  //字节发送完毕 
        { 
            TI = 0;   //手动清零发送中断标志位 
        } 
    }
    

      大家可以试验一下,看看是不是和前边用 IO 口模拟通信实现的效果一致,而主循环却完全空出来了,我们就可以随意添加其它功能代码进去。

    6、ASCII 码


      细心的同学可能会发现,在串口调试助手发送选项和接收选项处,还有个“字符格式发送”和“字符格式显示”,这是什么意思呢?
      先抛开我们使用的汉字不谈,那么我们常用的字符就包含了 0~9 的数字、A ~ Z/a ~ z 的字母、还有各种标点符号等。那么在单片机系统里面我们怎么来表示它们呢?

      ASCII 码(American Standard Code for Information Interchange,即美国信息互换标准代码)可以完成这个使命:我们知道,在单片机中一个字节的数据可以有 0~255 共 256 个值,我们取其中的 0~127 共 128 个值赋予了它另外一层涵义,即让它们分别来代表一个常用字符,其具体的对应关系如下图所示所示。
    在这里插入图片描述
      这样我们就在常用字符和字节数据之间建立了一一对应的关系,那么现在一个字节就既可以代表一个整数又可以代表一个字符了,但它本质上只是一个字节的数据,而我们赋予了它不同的涵义,什么时候赋予它哪种涵义就看编程者的意图了。

    展开全文
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  • uart串口通信传输协议

    2022-07-05 22:08:27
    uart串口通信是一种异步串行全双工通信方式,tx端用于数据发送;rx端用于数据接收。信号线在空闲时为高电平。 异步通信是按字符传输的。每传输一个字符就用起始位来收、发双方的同步。不会因收发双方的时钟频率的小...

    一、Uart串口通信

            uart串口通信是一种异步串行全双工通信方式,tx端用于数据发送;rx端用于数据接收。信号线在空闲时为高电平。

            异步通信是按字符传输的。每传输一个字符就用起始位来收、发双方的同步。不会因收发双方的时钟频率的小的偏差导致错误。这种传输方式利用每一帧的起、止信号来建立发送与接收之间的同步。特点是:每帧内部各位均采用固定的时间间隔,而帧与帧之间的间隔时随即的。接收机完全靠每一帧的起始位和停止位来识别字符时正在进行传输还是传输结束。uart也是异步通信方式,数据发送会包装成数据帧的形式发送,数据帧的格式为:

            空闲时间为高电平,故rx端接收到低电平时,表示有数据开始发送,再根据波特率对数据进行接收。波特率:每秒传输二进制数据的位数,单位bps。

                    若波特率为115200bps,即代表一秒钟需要传输115200个bit数据。

                    1s=10e9ns,50MHz时钟周期为20ns,则传输一个bit所需的时间为

                                    10e9/115200=8681ns

                    则传输一个bit需要的时钟周期为8681/20=434个时钟周期。

            数据位的传输是串行从低位到高位传输,接收到的数据暂时存储在寄存器中,待接收完1字节的数据,通过串并转换保存接收到的数据。发送时通过tx信号线按照设置好的比特率将数据发送出去,数据发送仍要按照数据帧发送,先发送起始位,再从低位到高位发送数据。

            奇偶校验位:数据位加上校验位后,使得“1”的位数为偶数(偶校验)或者奇数(奇校验)。(一般都是无奇偶校验位的。)

            停止位:数据位传输完成后都会发送停止位,标志一个传输已经完成。(默认1位,可选择1.5位、2位。)

    二、Verilog 代码

    1.发送模块

    module uart_tx(
    	input clk,                     	        //系统时钟
    	input rst_n,				//系统复位信号
    	input [2:0]baud_set,			//波特率选择信号
    	input [7:0]data_byte,			//并行数据
    	input send_en,				//发送使能信号
    	output reg rs_Tx,			//发送串行数据
    	output reg tx_state, 			//uart正在发送信号		
    	output reg tx_done 			//发送完成信号	
    );
    
    
    	reg [15:0]baud_temp;                     //波特率
    	reg [15:0]baud_cnt;			//波特率分频器
    	reg baud_clk;  				//波特率时钟
    	reg [3:0]baud_clk_cnt; 			//波特率时钟计数器
    
    //波特率选择
    always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    	if(!rst_n)
    	  baud_temp <= 3'd0;
    	else begin
    	  case(baud_set)
    	    3'd0:baud_temp <= 16'd5207;                 //波特率9600bps
    	    3'd1:baud_temp <= 16'd2603;			//波特率19200bps
    	    3'd2:baud_temp <= 16'd1301;			//波特率38400bps
    	    3'd3:baud_temp <= 16'd867;			//波特率57600bps
    	    3'd4:baud_temp <= 16'd433;			//波特率115200bps
    	  default: baud_temp <= 16'd5207;
    	  endcase
    	end
    end
    
    //波特率分频计数器
    always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    	if(!rst_n)
    	  baud_cnt <= 16'd0;
    	else if(tx_state)begin                         	//开始发送后波特率分频计数器开始工作
    	  if(baud_cnt == baud_temp)
    	    baud_cnt <= 16'd0;
    	  else
    	    baud_cnt <= baud_cnt + 1'b1;
    	end
    	else
    	  baud_cnt <= 16'd0;
    end
    
    //生成波特率时钟
    always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    	if(!rst_n)
    	  baud_clk <= 1'b0;
    	else if(baud_cnt == 1'b1)
    	  baud_clk <= 1'b1;
    	else
    	  baud_clk <= 1'b0;
    end
    
    //对波特率时钟进行计数
    always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    	if(!rst_n)
    	  baud_clk_cnt <= 4'd0;
    	else if(baud_clk_cnt == 4'd11)
    	  baud_clk_cnt <= 4'd0;
    	else if(baud_clk)
    	  baud_clk_cnt <= baud_clk_cnt + 1'b1;
    	else
    	  baud_clk_cnt <= baud_clk_cnt;
    end
    
    
    //发送完成标志
    always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    	if(!rst_n)
    	  tx_done <= 1'b0;
    	else if(baud_clk_cnt == 4'd11)               //波特率计数器记到4'd11时,发送完成
    	  tx_done <= 1'd1;
    	else
    	  tx_done <= 1'd0;
    end
    
    //正在发送标志
    always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    	if(!rst_n)
    	  tx_state <= 1'b0;
    	else if(send_en)                            	//发送使能拉高时,发送开始
    	  tx_state <= 1'b1;
    	else if(baud_clk_cnt == 4'd11)
    	  tx_state <= 1'd0;
    	else
     	  tx_state <= tx_state;
    end
    
    //数据寄存
    	reg [7:0]data_byte_r;         
    always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    	if(!rst_n)
    	  data_byte_r <= 8'd0;
    	else if(send_en)
    	  data_byte_r <= data_byte;
    	else
    	  data_byte_r <= data_byte_r;
    end
    
    //并行数据转变成串行发送
    always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    	if(!rst_n)
    	  rs_Tx <= 1'b0;
    	else begin
    	  case(baud_clk_cnt)
    	    0:rs_Tx <= 1'b1;
    	    1:rs_Tx <= 1'b0;
    	    2:rs_Tx <= data_byte_r[0];
    	    3:rs_Tx <= data_byte_r[1];
    	    4:rs_Tx <= data_byte_r[2];
    	    5:rs_Tx <= data_byte_r[3];
    	    6:rs_Tx <= data_byte_r[4];
    	    7:rs_Tx <= data_byte_r[5];
    	    8:rs_Tx <= data_byte_r[6];
    	    9:rs_Tx <= data_byte_r[7];
    	    10:rs_Tx <= 1'b1;
    	  endcase
    	end
    end
    
    endmodule
    
    `timescale 1ns/1ps
    `define clk_period 20
    module uart_tx_tb();
    
    	reg clk;
    	reg rst_n;
    	reg [2:0]baud_set;
    	reg [7:0]data_byte;
    	reg send_en;
    	wire rs_Tx;
    	wire tx_state;
    	wire tx_done;
    
    uart_tx u1(
    	.clk(clk),
    	.rst_n(rst_n),
    	.baud_set(baud_set),
    	.data_byte(data_byte),
    	.send_en(send_en),
    	.rs_Tx(rs_Tx),
    	.tx_state(tx_state),
    	.tx_done(tx_done)
    	);
    
    initial clk = 0;
    
    always #(`clk_period/2)clk = ~clk;
    
    initial begin
    	rst_n = 1'b0;
    	data_byte = 8'd0;
    	send_en = 1'b0;
    	baud_set = 3'd4;
    	#(`clk_period*20+1)
    	rst_n = 1'b1;
    	#(`clk_period*50);
    	data_byte = 8'hae;
    	send_en = 1'b1;
    	#`clk_period;
    	send_en = 0;
    	
    	@(posedge tx_done)
    	#(`clk_period*5000);
    	data_byte = 8'hbc;
    	send_en = 1'b1;
    	#`clk_period;
    	send_en = 1'b0;
    	@(posedge tx_done)
    	#(`clk_period*5000);
    	$stop;
    end
    endmodule

    仿真图

     2.接收模块

    module uart_rx(
    	input clk,                       	//系统时钟
    	input rst_n,				//系统复位信号
    	input rs_rx,				//输入接收到的串行数据
    	input reg[2:0]baud_set,			//波特率选择信号
    	output reg[7:0]r_data_byte,			//输出并行数据
    	output reg rx_done				//接收完成信号
    	);
    
    	reg rs_rx_r1,rs_rx_r2;      		//同步寄存器
    	reg rs_rx_temp1,rs_rx_temp2;		//数据寄存器
    	wire nedege;				//判断起始信号
    	
    //此时输入信号相对与系统时钟是异步信号,需要对其进行同步处理
    
    //同步寄存器,消除亚稳态
    always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    	if(!rst_n)begin
    	  rs_rx_r1 <= 1'b0;
    	  rs_rx_r2 <= 1'b0;
    	end
    	else begin
    	  rs_rx_r1 <= rs_rx;
    	  rs_rx_r2 <= rs_rx_r1;
    	end
    end
    //数据寄存
    always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    	if(!rst_n)begin
    	  rs_rx_temp1 <= 1'b0;
    	  rs_rx_temp2 <= 1'b0;
    	end
    	else begin
    	  rs_rx_temp1 <= rs_rx_r2;
    	  rs_rx_temp2 <= rs_rx_temp1;
    	end
    end
    
    assign nedege = (!rs_rx_temp1) && rs_rx_temp2;               //若为1,则输入了起始位
    
    
    
    /*
    	实际传输中,会有许多干扰,只采样一次的数据是很不可靠的。这里将每个数据平均分为16段,采样中间6段较为平稳的数据,进行累加,
    		1-3'b001,2-3'b010,3-3'b011,4-3'b100,5-3'b101,6-3'b110.
    	可见当采样数据有一半的状态为1时,最高位都为1,故以最高位来判断此时传输的数据
    */
    	reg [15:0]baud_temp;                                 //波特率
    	reg [15:0]baud_cnt;                                  //波特率分频计数器
    	reg baud_clk;                                        //波特率时钟
    	reg [7:0]baud_clk_cnt;                               //波特率时钟计数器
    
    //波特率选择
    //相比较发送模式的采样频率,接收模式的采样频率是其的16倍
    always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    	if(!rst_n)
    	  baud_temp <= 16'd324;
    	else begin
    	  case(baud_set)
    	    0:baud_temp <= 16'd324;
    	    1:baud_temp <= 16'd162;
    	    2:baud_temp <= 16'd80;
    	    3:baud_temp <= 16'd53;
    	    4:baud_temp <= 16'd26;
    	  default : baud_temp <= 16'd324;
    	  endcase
    	end
    end
    
    	reg rx_state;                              	//正在传输信号
    
    //正在传输数据时baud_cnt开始计数
    always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    	if(!rst_n)
    	  baud_cnt <= 16'd0;
    	 else if(rx_state)begin
    	   if(baud_cnt == baud_temp)
    		baud_cnt <= 16'd0;
    	   else
    		baud_cnt <= baud_cnt + 1'b1;
    	  end
    	  else
    		baud_cnt <= 16'd0;
    end
    
    //
    always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    	if(!rst_n)
    	  baud_clk <= 1'b0;
    	else if(baud_cnt == 16'd1)
    	  baud_clk <= 1'b1;
    	else
    	  baud_clk <= 1'b0;
    end
    
    
    	reg [2:0]data_byte_r [7:0];
    	reg [2:0]START_BIT,STOP_BIT;
    
    always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    	if(!rst_n)
    	  baud_clk_cnt <= 8'd0;
    	else if(baud_clk_cnt == 8'd159 || ((baud_clk_cnt == 8'd12) && (START_BIT > 2)))//baud_clk_cnt计满时、或者是起始信号不为1时清零;
    	  baud_clk_cnt <= 8'd0;
    	else if(baud_clk)
    	  baud_clk_cnt <= baud_clk_cnt + 1'b1;
    	else
    	  baud_clk_cnt <= baud_clk_cnt;
    end
    
    
    //传输完成信号
    always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    	if(!rst_n)
    	  rx_done <= 1'b0;
    	else if(baud_clk_cnt == 8'd159)
    	  rx_done <= 1'b1;
    	else
    	  rx_done <= 1'b0;
    end
    
    //正在传输信号
    always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    	if(!rst_n)
    	  rx_state <= 1'b0;
    	else if(nedege)
    	  rx_state <= 1'b1;
    	else if(rx_done || (baud_clk_cnt == 8'd12 &&(START_BIT>2)))
    	  rx_state <= 1'b0;
    	else
    	  rx_state <= rx_state;	
    end
    
    //计数完成时,串行数据转成并行数据
    
    always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    	if(!rst_n)
    		r_data_byte <= 8'b0;
    	else if(baud_clk_cnt == 8'd159)begin
    		r_data_byte[0] <= data_byte_r[0][2];
    		r_data_byte[1] <= data_byte_r[1][2];
    		r_data_byte[2] <= data_byte_r[2][2];
    		r_data_byte[3] <= data_byte_r[3][2];
    		r_data_byte[4] <= data_byte_r[4][2];
    		r_data_byte[5] <= data_byte_r[5][2];
    		r_data_byte[6] <= data_byte_r[6][2];
    		r_data_byte[7] <= data_byte_r[7][2];
    	end
    	else begin
    		r_data_byte[0] <= data_byte_r[0];
    		r_data_byte[1] <= data_byte_r[1];
    		r_data_byte[2] <= data_byte_r[2];
    		r_data_byte[3] <= data_byte_r[3];
    		r_data_byte[4] <= data_byte_r[4];
    		r_data_byte[5] <= data_byte_r[5];
    		r_data_byte[6] <= data_byte_r[6];
    		r_data_byte[7] <= data_byte_r[7];
    	end
    end
    
    always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    	if(!rst_n)begin
    	  START_BIT <= 3'd0;
    	  data_byte_r[0] <= 3'd0;
    	  data_byte_r[1] <= 3'd0;
    	  data_byte_r[2] <= 3'd0;
    	  data_byte_r[3] <= 3'd0;
    	  data_byte_r[4] <= 3'd0;
    	  data_byte_r[5] <= 3'd0;
    	  data_byte_r[6] <= 3'd0;
    	  data_byte_r[7] <= 3'd0;
    	end
    	else if(baud_clk)begin
    	  case(baud_clk_cnt)
    		0:begin
    		START_BIT <= 3'd0;
    	  	data_byte_r[0] <= 3'd0;
    	  	data_byte_r[1] <= 3'd0;
    	  	data_byte_r[2] <= 3'd0;
    	  	data_byte_r[3] <= 3'd0;
    	  	data_byte_r[4] <= 3'd0;
    	 	data_byte_r[5] <= 3'd0;
    	  	data_byte_r[6] <= 3'd0;
    	  	data_byte_r[7] <= 3'd0;
    		STOP_BIT <= 3'd0;
    		end
    		
    		6,7,8,9,10,11:START_BIT <= START_BIT + rs_rx_r2;
    		22,23,24,25,26,27:data_byte_r[0] <= data_byte_r[0] + rs_rx_r2;
    		38,39,40,41,42,43:data_byte_r[1] <= data_byte_r[1] + rs_rx_r2;
    		54,55,56,57,58,59:data_byte_r[2] <= data_byte_r[2] + rs_rx_r2;
    		70,71,72,73,74,75:data_byte_r[3] <= data_byte_r[3] + rs_rx_r2;
    		86,87,88,89,90,91:data_byte_r[4] <= data_byte_r[4] + rs_rx_r2;
    		102,103,104,105,106,107:data_byte_r[5] <= data_byte_r[5] + rs_rx_r2;
    		118,119,120,121,122,123:data_byte_r[6] <= data_byte_r[6] + rs_rx_r2;
    		134,135,136,137,138,139:data_byte_r[7] <= data_byte_r[7] + rs_rx_r2;
    		150,151,152,153,154,155:STOP_BIT <= STOP_BIT + rs_rx_r2;
    		
    		default : begin
    		START_BIT <= START_BIT;
    	  	data_byte_r[0] <= data_byte_r[0];
    	  	data_byte_r[1] <= data_byte_r[1];
    	  	data_byte_r[2] <= data_byte_r[2];
    	  	data_byte_r[3] <= data_byte_r[3];
    	  	data_byte_r[4] <= data_byte_r[4];
    	 	data_byte_r[5] <= data_byte_r[5];
    	  	data_byte_r[6] <= data_byte_r[6];
    	  	data_byte_r[7] <= data_byte_r[7];
    		STOP_BIT <= STOP_BIT;
    		end
    	  endcase
    	end
    end
    
    endmodule
    `timescale 1ns/1ps
    `define clk_period 20
    
    module uart_rx_tb();
    
    	reg clk;
    	reg rst_n;
    	reg send_en;
    	reg [2:0]baud_set;
    	reg rs_rx;
    	wire rs_Tx;
    	wire tx_state;
    	wire tx_done;
    	wire rx_done;
    	reg [7:0]data_byte;	
    	wire [7:0]r_data_byte;
    	uart_tx u1(
    	.clk(clk),
    	.rst_n(rst_n),
    	.baud_set(baud_set),
    	.data_byte(data_byte),
    	.send_en(send_en),
    	.rs_Tx(rs_Tx),
    	.tx_state(tx_state),
    	.tx_done(tx_done)
    	);
    
    	uart_rx u2(
    	.clk(clk),
    	.rst_n(rst_n),
    	.rs_rx(rs_Tx),
    	.baud_set(baud_set),
    	.r_data_byte(r_data_byte),
    	.rx_done(rx_done)
    	);
    
    	initial clk = 1;
    	always #(`clk_period/2)clk = ~clk;
    	
    	initial begin
    	
    	rst_n = 1'b0;
    	data_byte <= 8'd0;
    	send_en = 1'b0;
    	baud_set = 4'd4;
    	
    	#(`clk_period*20+1);
    	rst_n = 1'b1;
    	#(`clk_period*500);
    	data_byte = 8'haa;
    	send_en = 1;
    	#(`clk_period);
    	send_en = 0;
    	
    	@(posedge tx_done)
    	#(`clk_period*500);
    	data_byte = 8'h55;
    	send_en = 1;
    	#(`clk_period);
    	send_en = 0;
    	@(posedge tx_done)
    	#(`clk_period*5000);
    	$stop;
    	end
    endmodule

    仿真图

     

    展开全文
  • UART串口通信程序

    2020-07-31 06:57:11
    本文给大家提供一个UART串口通信的实验程序。
  • 本文主要讲了UART串口通信类型及应用,希望对你的学习有所帮助。
  • UART串口通讯

    2021-11-15 10:04:18
    UART代表通用异步接收器/发送器也称为串口通讯,它不像SPI和I2C这样的通信协议,而是微控制器中的物理电路或独立的IC。UART的主要目的是发送和接收串行数据,其最好的优点是它仅使用两条线在设备之间传输数据。UART...

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    UART代表通用异步接收器/发送器也称为串口通讯,它不像SPI和I2C这样的通信协议,而是微控制器中的物理电路或独立的IC。UART的主要目的是发送和接收串行数据,其最好的优点是它仅使用两条线在设备之间传输数据。UART的原理很容易理解,但是如果您还没有阅读SPI 通讯协议,那可能是一个不错的起点。

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    UART通信 

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    在UART通信中,两个UART直接相互通信。 发送UART将控制设备(如CPU)的并行数据转换为串行形式,以串行方式将其发送到接收UART。只需要两条线即可在两个UART之间传输数据,数据从发送UART的Tx引脚流到接收UART的Rx引脚:

    Image

    UART属于异步通讯,这意味着没有时钟信号,取而代之的是在数据包中添加开始和停止位。这些位定义了数据包的开始和结束,因此接收UART知道何时读取这些数据。 

    当接收UART检测到起始位时,它将以特定波特率的频率读取。波特率是数据传输速度的度量,以每秒比特数(bps)表示。两个UART必须以大约相同的波特率工作,发送和接收UART之间的波特率只能相差约10%。

    Image

    工作原理

    发送UART从数据总线获取并行数据后,它会添加一个起始位,一个奇偶校验位和一个停止位来组成数据包并从Tx引脚上逐位串行输出,接收UART在其Rx引脚上逐位读取数据包。

    Image

    UART数据包含有1个起始位,5至9个数据位(取决于UART),一个可选的奇偶校验位以及1个或2个停止位:

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    起始位

    UART数据传输线通常在不传输数据时保持在高电压电平。开始传输时发送UART在一个时钟周期内将传输线从高电平拉低到低电平,当接收UART检测到高电压到低电压转换时,它开始以波特率的频率读取数据帧中的位。

    数据帧

    数据帧内包含正在传输的实际数据。如果使用奇偶校验位,则可以是5位,最多8位。如果不使用奇偶校验位,则数据帧的长度可以为9位。 

    校验位

    奇偶校验位是接收UART判断传输期间是否有任何数据更改的方式。接收UART读取数据帧后,它将对值为1的位数进行计数,并检查总数是偶数还是奇数,是否与数据相匹配。

    停止位

    为了向数据包的结尾发出信号,发送UART将数据传输线从低电压驱动到高电压至少持续两位时间。

    传输步骤

    1.发送UART从数据总线并行接收数据: 

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    2.发送UART将起始位,奇偶校验位和停止位添加到数据帧:

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    3.整个数据包从发送UART串行发送到接收UART。接收UART以预先配置的波特率对数据线进行采样:

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    4.接收UART丢弃数据帧中的起始位,奇偶校验位和停止位:

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    5.接收UART将串行数据转换回并行数据,并将其传输到接收端的数据总线:

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    优劣

    没有任何通信协议是完美的,但是UART非常擅长于其工作。以下是一些利弊,可帮助您确定它们是否适合您的项目需求:

    优点

    • 仅使用两根电线

    • 无需时钟信号

    • 具有奇偶校验位以允许进行错误检查

    • 只要双方都设置好数据包的结构

    • 有据可查并得到广泛使用的方法

    缺点

    • 数据帧的大小最大为9位

    • 不支持多个从属系统或多个主系统

    • 每个UART的波特率必须在彼此的10%之内

    展开全文
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空空如也

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uart串口通信

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