单片机与上位机的串行通信

写在前面

这篇博客主要记录下单片机是如何通过TXD、RXD与上位机进行数据交换的。
　　先介绍下51单片机中与串口通信有关的各种寄存器。
　　首先，上位机如果要发送数据给单片机，单片机接收到数据之后，会存入到SBUF这个发送/接收寄存器，这个寄存器非常特殊，兼具发送和接收时存放数据的功能。如果是data = SBUF，则会把SBUF接收到上位机发送过来的数据存入到data中；如果是SBUF = data，则会把单片机想要发送的数据即data中的数据送入到SBUF中，然后再通过串口发送到上位机。
　　在接收数据时，单片机会产生中断，不然单片机不知道什么时候接收完一位数据，这个中断叫做串口中断，服务程序是interrupt4，标志位是RI，所以进入串口中断服务程序时一定要记得把RI清零，不然程序就会一直进入串口中断服务程序。控制串口中断的寄存器叫SCON，它的每一位如下：
　　
　　SM0、SM1这两位与TMOD中控制定时器0、1的M0、M1类似，SM0和SM1是用来控制串口工作方式的。通过改变SM0、SM1的值可以让串行口工作在4种方式:

SM0	SM1	波特率
0	0	fosc/12(主振频率/12)
0	1	可变
1	0	fosc/32(主振频率/36)、fosc/64
1	1	可变

这里关于4种工作方式如果展开了讲的话，实在太庞大，所以读者如果有疑惑可以自行百度。这里解释一下用定时器产生固定波特率的问题，我翻看了很多其他同学写的博客，发现他们有很多都不清楚方式1和3中为啥要给TH1、TL1(这里用定时器1举例)一个固定的初值。其实这个固定的初值是很多其他前辈算出来的初值，如果要自己计算也是完全可以的，公式如下(戴胜华教授《单片机原理与应用》)：
　　
　　上式中出现到SMOD1，这一位是由电源寄存器PCON的第七位来控制的，假设我们规定好串行口工作在方式1或3的一个初值，原本波特率为9600，SMOD置1后，波特率翻倍，会变为19200,，很好理解。
　　注意注意：这里的串行口工作方式0123跟定时器工作方式0123不是同一个东西，一定要分开。
　　串行口工作方式为0123任意一种都能通过使用定时器1工作在方式2来产生相应的波特率。
　　这里给出常用波特率相对应的定时器初值：
　　
　　举例假如我要让串口产生9600的波特率，我使用串口工作方式1、3，定时器1工作在方式2，那么公式就等于波特率(9600)=2^0/32 * fosc/12 * 1/(2^k-初值) ，这里我们晶振频率为11.0592MHz，波特率为9600Hz，注意单位转换，K是计数器的计数位数，定时器方式2为八位自动重装，所以K=8，那么等式就变为了 9600 = 1/32 * 11059200/12 * 1/(256-初值) ，化简一下 1/3 = 1/256-初值，那么初值就要为253，十六进制则是0xFD，则定时器每次放进TL1的初值就要为0xFD，这样就能产生9600的波特率。
　　再解释一下为什么定时器中的高八位和低八位相同，以定时器1举例，如果定时器1工作在方式2即八位自动重装模式，会用低八位TL1来计数，用高八位来保存计数初值。TL1计数回到0时自动将TH1中的初值送回TL1中，完成自动重装。
　　回到正题，SCON中REN这一位为允许接收控制位，置0则禁止串口接收数据，置1则反之。TB8和RB8是用于方式2和3中发送和接收数据的第9位，我这里不在过多解释，需要用的时候，再仔细百度。TI是发送中断标志位，发送完毕会自动置1，在发送数据前一定要先清零TI，发送完后可根据TI来判断是否发送完毕。RI则是接收中断标志位，可以根据RI的值来判断单片机是否接受完上位机发送来的数据。
　　总结一下，串口发送和接收涉及到的寄存器相应的位有:PCON中的SMOD，SCON中的SM0、SM1、REN、TI、RI，TH0、TL0（TH1、TL1），TMOD中的M1、M0（控制定时器的工作方式），IE中的EA、ES（允许总中断、允许串口中断），TCON中的TR0（TR1）。
　　单片机接收上位机数据工作过程大致为:定时器产生一定波特率——单片机与上位机通过TXD、RXD开始通信——单片机允许串口中断，允许接收数据——单片机接收到数据，进入串口中断服务程序，并将RI置1，软件将RI清零，读取SBUF。
　　单片机发送数据到上位机工作过程大致为：定时器产生一定波特率——单片机与上位机通过TXD、RXD开始通信——单片机赋值给TI——单片机发送数据给上位机——上位机接收到数据。
　　下面这两段程序是在郭天祥《新概念51单片机C语言教程》以及参考其他同学的博客写的。
　　郭天祥：

#include<reg52.h>
typedef unsigned char uint8;
typedef unsigned int uint16;uint8 flag,a,i;
uint8 code table[]="I get ";void init(){TMOD = 0x20;            //定时器1工作在方式2，八位自动重装TH1 = 0xfd;TL1 = 0xfd;TR1 = 1;             //开启定时器1SM0 = 0;               SM1 = 1;               //串口工作方式1REN = 1;              //接收允许EA = 1;                  //开总中断ES = 1;                  //开串口中断
}void main(){init();while(1){if(flag){ES = 0;              //暂时关闭串口中断，防止在处理数据时再次发生串口中断for(i=0;i<6;i++){SBUF=table[i];    //将I get放入发送寄存器while(!TI);      //检测是否发送完毕，发送完毕后自动置1TI=0;           //将发送完毕的标志位清零}SBUF=a;              //将接受到的值发回给主机while(!TI);            TI=0;ES=1;                //重新打开串口中断flag=0;}}
}
void ser()interrupt 4{          //串口中断服务程序RI = 0;                      //中断标志位a = SBUF;                   //将接收到的数据存入a中flag=1;
}

结合按键，按一下发送一行字符：

#include <reg51.h>
typedef unsigned char uint8;
typedef unsigned int uint16;
#define key_state0 0
#define key_state1 1
#define key_state2 2
sbit key = P3^2;
uint8 key_value;
bit flag;uint8 Buf[]="hello world!\n";void delay(uint16 n)
{while (n--);
}/*波特率为9600*/
void UART_init(void)
{SCON = 0x50;        //串口方式1TMOD = 0x21;        //定时器1使用方式2自动重载，定时器0用作按键扫描TH1 = 0xFD;         //9600波特率对应的预设数，定时器方式2下，TH1=TL1TL1 = 0xFD;TH0 = 0x4C;          //50msTL0 = 0x00;TR1 = 1;         //开启定时器，开始产生波特率TR0 = 1;ET0 = 1;EA  = 1;
}/*发送一个字符*/
void UART_send_byte(uint8 dat)
{SBUF = dat;           //把数据放到SBUF中while (TI == 0);  //未发送完毕就等待TI = 0;              //发送完毕后，要把TI重新置0
}/*发送一个字符串*/
void UART_send_string(uint8 *buf)
{while (*buf != '\0'){UART_send_byte(*buf++);}
}void scankey(){static uint8 key_state;switch(key_state){case key_state0:if(!key) key_state = key_state1;break;case key_state1:if(!key){UART_send_string(Buf);delay(20000);key_state = key_state2;}else{key_state = key_state0;}break;case key_state2:if(key){key_state = key_state0;}break;default:break;      }
} void main()
{UART_init();while(1){if(flag){scankey();}}
}void timer0_isr() interrupt 1 using 0{TH0 = 0xDC;         //10msTL0 = 0x00;flag = 1;
}

上面郭天祥那段代码中，只接收了上位机发送的一位数据，我又花了点时间改出了一段程序，分别是可以接受多位数据以及根据上位机送来的数据控制流水灯，两段代码就综合到一起了，注释部分是接收多位数据。

#include <reg52.h>
#define key_state0 0
#define key_state1 1
#define key_state2 2
typedef unsigned char uint8;
typedef unsigned int uint16;sbit key = P3^2;
// uint8 table[8];
uint8 key_value;
uint8 flag,i,dat;
bit flag1;                              //控制是否开始流水
//uint8 num;            void init(){            TMOD = 0x21;                       //定时器1工作在方式2，八位自动重装TH1 = 0xfd;          TL1 = 0xfd;            TR1 = 0xfd;                            //开启定时器1TH0 = 0x4C;                            //50msTL0 = 0x00;          TR0 = 1;           ET0 = 1;           SM0 = 0;                           SM1 = 1;                           //串口工作方式1EA = 1;                               //开总中断ES = 1;                              //开串口中断
}void scankey(){static uint8 key_state;switch(key_state){case key_state0:if(!key) key_state = key_state1;break;case key_state1:if(!key){REN = ~REN;               //允许/禁止接收上位机数据key_state = key_state2;}else{key_state = key_state0;}break;case key_state2:if(key){key_state = key_state0;}break;default:break;        }
}void main(){init();P1 = 0xff;while(1){if(!REN) P1 = 0xff;                //不接收上位机数据时，关闭所有灯if(flag){ES = 0;                       //暂时关闭串口中断，防止在处理数据时再次发生串口中断// for(i=0;i<8;i++){        //回传多位数据// SBUF=table[i];      //发送一位// while(!TI);            //检测是否发送完毕，发送完毕后自动置1// TI=0;                //将发送完毕的标志位清零// }SBUF = dat;while(!TI);TI = 0;ES=1;                      //重新打开串口中断flag=0;  //num=0;                   //清零接收计数}   }
}
void ser()interrupt 4{                  //串口中断服务程序if(RI){   RI = 0;                            //中断标志位//table[num++] = SBUF;    dat = SBUF;                        //将接收到的数据存入dat中P1 = SBUF;                      //将收到的16进制数赋给P1//if(num == 8)                     //收满8位数据，开始回传flag=1;}
}void timer0_isr() interrupt 1 using 0{TH0 = 0xDC;         //10msTL0 = 0x00;scankey();
}

目前程序中我觉得不足的地方是发送代码中的while(!TI)，这里会把单片机一直占用住，按照之前按键扫描延时尽量不用delay的惯例，这里的while等待我觉得也有不妥，但是不确定是不是我自己想多了，还需要以后深入学习才能得出结论。
　　如有错误，欢迎评论指正，本人也是边学边总结，一方面检验自己是否真的理解，另一方面如有错误理解也能及时发现及时改正。

2020/3/19日补充:
　　为什么串口的波特率与定时器有关？
　　最近再次看回这篇博客不禁思考，这两者有什么联系吗？为什么要用定时器1来控制波特率为什么不能用定时器2，百度了一下发现原来51单片机串口的波特率是与定时器1的溢出率有关，这一点在上面计算波特率的时候的公式里面有体现。定时器的溢出率顾名思义就是与定时器的溢出速率有关，大概意思可能是定时器溢出一次的时间，那么晶振频率如果为11.0592MHz，时钟周期就是1/11.0592，机器周期为12/11.0592，则单片机定时器+1的时间为12/11.0592us，溢出率=溢出一次的时间=计数次数*机器周期，所以通过改变定时器的初值就能改变定时器的溢出率，也就改变了串口的波特率。
　　波特率这里也顺带解释一下，就是串口每秒能接受的比特数bit，因为串口是一位一位数据按顺序发送，波特率9600就是串口每秒钟能接收的bit数为9600位，如果上位机的波特率大于9600，那么通信就会失败，因为单片机来不及接收这么多的数据量。所以串口通信要求上下位机的波特率要一致，才能保证数据传送不出错。

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