现实生活中， 我们总是要与人打交道，互通有无。单片机也一样，需要跟各种设备交互。例如汽车的显示仪表需要知道汽车的转速及电动机的运行参数，那么显示仪表就需要从汽车的底层控制器取得数据。而这个数据的获得过程就是一个通信过程。类似的例子还有控制器通常是单片机或者PLC与变频器的通信。通信的双方需要遵守一套既定的规则也称为协议，这就好比我们人之间的对话，需要在双方都遵守一套语言语法规则才有可能达成对话。

) ?9 Z5 K' t8 M通信协议又分为硬件层协议和软件层协议。硬件层协议主要规范了物理上的连线，传输电平信号及传输的秩序等硬件性质的内容。常用的硬件协议有串口，IIC， SPI， RS485， CAN和 USB。软件层协议则更侧重上层应用的规范，比如modbus协议。
) V: I! m( J/ ?- f5 t, Q
7 \" {# N# }- j: b好了，那这里我们就着重介绍51单片机的串口通信协议，以下简称串口。串口的6个特征如下。

# [4 p! j% g* U8 Z; e4 L$ c7 J（1）、物理上的连线至少3根，分别是Tx数据发送线，Rx数据接收线，GND共用地线。

* k" D# `* p( B3 R3 m. R1 t（2）、0与1的约定。RS232电平，约定﹣5V至﹣25V之间的电压信号为1，﹢5V至﹢25V之间的电压信号为0 。TTL电平，约定5V的电压信号为1，0V电压信号为0 。CMOS电平，约定3.3V的电压信号为1，0V电压信号为0 。其中，CMOS电平一般用于ARM芯片中。

（3）、发送秩序。低位先发。

（4）、波特率。收发双方共同约定的一个数据位（0或1）在数据传输线上维持的时间。也可理解为每秒可以传输的位数。常用的波特率有300bit/s, 600bit/s, 2400bit/s, 4800bit/s, 9600bit/s。

（5）、通信的起始信号。发送方在没有发送数据时，应该将Tx置1 。当需发送时，先将Tx置0，并且保持1位的时间。接受方不断地侦测Rx，如果发现Rx常时间变高后，突然被拉低（置为0），则视为发送方将要发送数据，迅速启动自己的定时器，从而保证了收发双方定时器同步定时。
. Z3 X& E$ u* A& U' S/ R3 o

. _, I; x+ G/ h4 g& G9 L

（6）、停止信号。发送方发送完最后一个有效位时，必须再将Tx保持1位的时间，即为停止位。

好了，理论暂时到这里，现在我们要做一个实验，将一个字节从51单片机发送到电脑串口调试助手上。这个实验的目的是为了掌握串口通信协议的收发过程。

虚拟串口

实验一、虚拟串口实验

一般单片机都有专门的串口引脚，51里面分别是P3.0和P3.1，这些引脚拥有串口的硬件电路，因此使用它们并不需要设置信号的发送停止。为了掌握协议，我们使用其他的引脚来模拟串口，所以也叫虚拟串口。这里我们选用P1.0，然而注意到我们51单片机要发送数据给电脑，必须经过一个串口转USB设备（即TTL电平转换为RS232电平），而限于我们的开发板只有P3.0与P3.1连接到了串口转USB设备，所以我们可以将P1.0短接到P3.1 。下图是这个串口转USB的原理图。

好了直接上代码吧。

1. 
     J' q+ D- R& k
2. [cpp] view plain copy
   5 g8 ~6 K( z& a# J$ v
3. #include "reg51.h"
   1 f# I& j- F0 Z5 s5 n  z' J
4. /*
   . l9 p1 u$ B/ h7 I2 O0 l
5.   将P1.0虚拟成串口发送脚TX
   7 a$ Z+ I1 L3 x' _
6.   以9600bit/s的比特率向外发送数据
   1 [- q( q" o  K+ e0 h: V
7.   因为波特率是    9600bit/s
   
8. 所以me发送一位的时间是 t=1000000us/9600=104us
   
9. */
   
10. sbit TX=P3^1; //P1^0 output TTL signal, need to transferred to rs232 signal, can be connected to P3^1  
    5 Y( N2 U, t8 M8 ^% n% G* {! k
11. #define u16 unsigned int //宏定义  
    
12. #define u8 unsigned char  
    
13. u8 sbuf;  
    
14. bit ti=0;  
    1 h4 P" i% {) X" L
15. void delay(u16 x)
    
16. {  
    # U3 h7 d; E- ^. m. A; |" }! O6 f
17. while(x--);  
    
18. }  
    
19. void Timer0_Init()
    
20. {  
    
21.     TMOD |= 0x01;  
    
22.     TH0=65440/256;  
    
23.     TH0=65440%256;
    " s- W1 P# G* L6 r# _
24.     TR0=0;  
    
25. }  
    
26. void Isr_Init()
    
27. {  
    
28.     EA=1;  
    ! [: h/ X: ]! r5 B
29.     ET0=1;  
    
30. }  
    
31. void Send_Byte(u8 dat)
    + n5 u1 v* z" O2 H% n7 _: g9 P' W
32. {  
    
33. sbuf=dat;//通过引入全局变量sbuf，可以保存形参dat  
    % Q6 k/ _' {, o( z
34. TX=0; //A 起始位
    / D. t$ ?+ n' E
35. TR0=1;  
    9 _/ X0 @1 I6 ~+ z3 |2 R2 v: J8 h
36. while(ti==0);    //等待发送完成
    ' U2 r8 _! a+ ?$ A
37. ti=0; //清除发送完成标志  
    
38. }  
    3 W' a+ v% z1 @9 K
39. void TF0_isr() interrupt 1     //每104us进入一次中断  
    & G1 I% ~- T' A) L1 p+ _5 ~, M
40. {  
    * Z- e) }  p- v! q
41. static u8 i; //记录进入中断的次数  
    
42.     TH0=65440/256;  
    
43.     TL0=65440%256;  
    
44.     i++;  
    
45. if(i>=1 && i<=8)  
    2 P; b4 e- R5 L; K6 Q& P
46.     {          if((sbuf&(1<<(i-1)))==0)  // (sbuf&(1<<(i-1)))表示取出i-1位  
    
47. 
    
48.         {  
    
49.             TX=0;  
    
50.         }  
    - Z: E; ]1 X7 }) G% U, h
51. else
    
52.         {  
    8 z" N& e! w2 b8 G
53.             TX=1;  
    
54.         }  
    
55.     }  
    
56. if(i==9)  //停止位
    5 W7 i. n* G/ v& O  O2 ~! V
57.     {          TX=1;  
    
58.     }  
    5 S) S' a! \( Q' a
59. if(i==10)     
    4 M. X  t8 e  j& i' _% T) L( V" a% I
60.     {  
    
61.         TR0=0;  
    0 O% L& m- Y* g9 E, v$ X1 p
62.         i=0;  
    % }: l2 ^8 ?9 \0 ~( {% ]/ g# F
63.         ti=1; //发送完成  
    
64.     }  
    
65. }  
    
66. void main()
    " ]4 p3 M+ d. w4 E, i( I4 J
67. {  
    
68.     TX=1; //使TX处于空闲状态  
    
69.     Timer0_Init();  
    
70.     Isr_Init();  
    
71. while(1)  
    
72.     {  
    , |; |4 v8 m" S, f( C
73.         Send_Byte(65); //0x41  
    
74.         delay(60000);  
    4 v& K0 G' w8 P
75.     }  
    
76. }

复制代码

实验引入了定时器0来控制发送线上的各个位的保持时间。首先main函数进入，TX置1则使发送线处于空闲，这时候发送方和接受方都处于空闲。接下来初始化定时器0，TR0置0表示还不要启动定时器0。接着中断系统初始化，此时中断系统已经开启。进入while循环，先进Send_Byte()函数，将65传给形参dat，dat再将65赋值给sbuf，到这里准备工作就做好了。接着TX置0，这个是起始位，要保持这个起始位104us。于是就启动定时器TR0置1，计时器开始计数。当第一次溢出的时候，也就是过了104us，进入中断，同时接收方也侦测到了这个突然被拉低的信号，于是迅速启动自己的定时器。进入中断子函数后，先是重装定时器初值，然后i加1，也就是当i＝1时，就应该发送数据的最低位了，总共有8位数据，所以使用条件语句if(i>=1 && i<=8)来判断是否发送完数据位。然后再通过if(i==9) 来发送停止位，最后当i=10时，也就是发送完了，这时候要关闭定时器（那么程序也就），同时i置0，ti置1（才能跳出while(ti==0)循环），最后将ti置0，保证下次要发送字节时让程序停留在while(ti==0)。

片上串口

以上说的是虚拟串口，上文中谈到与串口相关的引脚P3.0与P3.1，事实上51单片机自带片上串口，那这个串口又该怎么使用呢？

1 s# \' O: E$ }8 v

片上串口支持同步模式与异步模式。简单来说同步模式就是指有时钟线，而异步模式无时钟线。这里的时钟线是指在同步通信时，用一根线专门传输时钟信号，这个信号用来与要发送的每一位保持同步，这样就避免了例如异步通信中因为采用定时器而引入的时间误差。

  [/ H9 n* x4 |2 r) ~1 O1 r$ l- Z

片上串口还支持8位模式和9位模式。如下图所示

其中D0-D7是一个字节的8个位。9位模式只是多了一个位TB8，这个TB8的作用是奇偶校验或多机通信。奇偶校验原理这不加分析。多机通信时比如主机只发送数据给网络中的一台地址为0x02的设备，这时候先让TB8为1，前面的D0-D7则为地址即0x02，之后再让TB8为0，前面的D0-D7则为数据了。

' M! z; k  n2 U# K

上面设置了片上串口的模式，另外还要设置串口的波特率。

9 }2 }' ?' U/ V4 P: O

片上串口的波特率等于定时器1工作在方式2时溢出率的32分频。如果要定时器1工作在方式2，那么TMOD＝0x20。另外要保证为32分频，我们还必须设置计数器初值。设晶振为11.0592Mhz，则定时器的计数脉冲为F＝f/12，则定时器每计一个脉冲的时间为T＝12/f。又令计数器的起点为x，则溢出一次要计的脉冲数为（256－x）。所以在计数起点为x时，溢出一次的时间为t＝12/f*（256－x）。则对应的溢出率为1/t＝f/（12*（256－x））。对应的波特率就为b＝f/（384*（256－x））。

x＝256－f/(384*b)

其中f为晶振频率，b为希望的波特率，x为定时器的计数起点TH1的值。

例如当晶振为11.0592M，希望波特率为9600bit/s，则TH1＝253。题外话，我们同样可以演算出在其他常用波特率情况下，TH1始终为一个整数。这里也就解释了为什么51里面选用了11.0592M的晶振而不是12M，这样就保证了串口的时序更加准确，虽然牺牲了定时器的准确度。

$ u9 u& u2 p1 R' P

实验二，片外串口发送一个字节。
) c. F2 X7 g$ Y# Q3 m# Y

好了现在开始我们的实验之旅。直接看代码吧。

1. 
   
2. [cpp] view plain copy
   
3. 
   # ^& D# U0 [7 F; Y! B1 _
4. # include "reg51.h"
   
5. 
   ' B1 y* c! W0 E& X' C
6. #
   
7. define u16 unsigned int
   - w3 H: j4 Z1 L% G* \( y( [5 \% p
8. 
   / D% S9 s. C# h) M
9. # define u8 unsigned char
   
10. 
    
11. void delay(u16 x)
    4 W. g4 y, X7 h6 t; h3 _
12. {
    
13. 
    ' j, }3 W( ^2 L! g/ q4 c( [
14. while (x--);
    . p* g$ A% @: a4 o, y: p9 F
15. 
    
16. }
    
17. 
    7 g4 Z5 ^6 m6 C) I  s
18. void Uart_Init() //串口初始化
    # {; C; ^! [7 n7 {
19. {
    
20. 
    ' g+ Q* z$ k) A8 b3 l/ D) {
21.     SCON = 0x50; //8位异步模式
    
22. 
    
23.     TMOD |= 0x20; //定时器1工作方式2
    
24. 
    
25.     TH1 = 253; //9600bit/s
    / B/ P' F# o! v% X5 M1 |
26. 
    
27.     TR1 = 1;
    
28. 
    1 _; m9 h; i( K
29. }
    
30. 
    ! J( A0 c; Z* p. Z8 Q8 H$ w$ b
31. void Send_Byte(u8 dat)
    - [. Y4 W" d2 q
32. {
    8 y  `) J# |% I+ d: {. r( U  ^
33. 
    , v9 H, p# H% Z9 R1 y8 {1 P
34.     SBUF = dat; //启动发送，只需要把发送内容给SBUF这个寄存器
    
35. 
      |$ A+ _, `$ `7 K" x
36. while (TI == 0); //等待发送完成，因为TI为1时表示在发送停止位
    
37. 
    - S! [1 j2 k, v% L( o
38.     TI = 0;
    0 _. {* g1 C% x
39. 
    
40. }
    
41. 
    + D* j# f& B: H5 l% W& L4 n
42. void main()
    
43. {
    0 V, ~* T" [$ e" e% g# U
44. 
    ( ~3 n/ B2 ]7 |3 s8 Q1 n
45.     Uart_Init();
    6 g2 V) b$ \. ]
46. 
    ! G. _' g) z, y1 l. W+ l) [$ [5 o
47. while (1)
    
48. 
    
49.     {
    $ U' G9 L& {" @( y
50. 
    
51.         Send_Byte('m');
    - b/ K: ^  {9 @
52. 
    . g1 R6 I+ h& A- g/ }+ u
53.         delay(60000);
    3 D* K  }7 U8 z% d
54. 
    7 Y! |3 z) ~$ j! T! X7 F
55.     }
    ! L7 }  P% Y! j6 M3 a5 J
56. 
    2 A/ |3 `/ ^0 J9 \/ c9 @; w5 G% e
57. }

复制代码

. u9 K, ]' N) {9 T! s" t

实验二较之实验一，代码减少了很多，而且不用考虑繁琐的位发送时序。只需要明白各个寄存器SCON，TMOD，TCON，SBUF的用法。TI是SCON中的第一位，为发送中断请求标志位。在本方式中，在停止位开始发送时由内部硬件置位，响应中断后TI必须又软件清零。

; ~8 |& b4 L5 {

实验三、片上串口发送一个字符串

上面介绍了如何发送一个字节，那如何发送一个字符串甚至文本呢？这里我们首先介绍下字符串的概念。

% t) P: E+ S, J7 _$ j# l

字符串：从存储器的某个地址开始，连续存放多个字符的ASCII码，并且在最后一个字符的后面存放一个0，这段连续的内存空间就叫字符串，最后的0叫字符串的结束符。注意这里的0和加单引号的0不是一个概念，加单引号的0是指0的ASCII码。

, L4 o  l( L# ~& ^+ o/ J+ n8 k

数组与字符串的关系：字符串是数组的一种特殊情况，数组在特定条件下可当做字符串用。C语言用双引号描述一个字符串，如“abcd”。

下面我们通过一个实验来展示如何发送字符串。我们实验的目标是打印字符串“Hello World ! 第一!”到打印机。直接上代码。

1. 
   * A# F* i* y, i
2. [cpp] view plain copy
   
3. #include "reg51.h"
   
4. 
   6 U" R1 [# k, G, q) E$ T/ h/ y. {
5. #define u16 unsigned int  
   
6. #define u8 unsigned char  
   
7. void delay(u16 x)
     ^# M8 M4 R  ~
8. {  
   
9. while(x--);  
   
10. }  
    
11. void Uart_Init() //串口初始化  
    9 w  d# J2 P8 e4 Z: h
12. {  
    
13.     SCON=0x50; //8位异步模式  
    ! ^0 i+ L1 l# \
14.     TMOD|=0x20; //定时器1工作方式2  
    2 H! u6 p7 D8 D6 L) }
15.     TH1=253;//9600bit/s  
    # G6 `+ X- @1 N8 K1 h
16.     TR1=1;  
    5 R4 {" F7 m% i! J7 V8 B
17. }  
    
18. void Send_Byte(u8 dat)    //串口发送一个字节  
    
19. {  
    
20.     SBUF=dat; //启动发送，只需要把发送内容给SBUF这个寄存器  
    
21. while(TI==0); //等待发送完成，因为TI为1时表示在发送停止位  
    
22.     TI=0;  
    
23. }
    + j* w" ]) p9 `3 D, J
24. void Send_String(u8 *str)   //发送一个字符串  *str为字符串第一个字符的地址  
    9 j( X* G* _1 V2 X; Q
25. {  
    , [9 W8 ?1 n. _  s
26.     abc:      //标号  
    ! y! O3 b& ]/ a  G7 F
27. if(*str != 0)      {  
    
28. 
    1 K9 {8 A3 x/ j1 ^: t
29.         Send_Byte(*str);  
    
30. 
    
31.         str++;  
    
32. goto abc;     
    
33.     }  
    - g* m; L4 s. D- K. r7 P8 e
34. }   
    ) F( l2 {( W) N
35. 
    
36. void main()
    ) B2 W# Q0 O/ }" s: B
37. {  
    
38.     Uart_Init();  
    
39. while(1)  
    
40.     {  
    
41. 
    
42.        Send_String("Hello World! 第一！");  
    & }( }& }; m8 R) P' s$ v! w2 P
43. 
    ; @2 ]! U9 b# x3 O4 s* x" x4 m
44. 
    , P# d$ q  L+ t; N2 v/ i
45.        Send_Byte(10);  
    2 ?8 D# ^/ j  j  B* C
46.        delay(60000);  
      Q7 f7 I( L' v; m
47.        delay(60000);  
    
48.     }  
    
49. }

复制代码

/ T5 [. ?# b/ |+ t# X3 K

实验效果