嵌入式单片机---串口通信及相关通信技术
一、通信方式分类
（一）按数据传输线路数量划分：串行通信与并行通信
| 类别 | 定义 | 特点 |
|---|---|---|
| 并行通信 | 多个比特同时通过并行线进行传输 | 优点：传输速率较高；缺点：占用大量芯片资源 |
| 串行通信 | 将数据拆分成一个个比特，按照先后次序在一根总线上进行发送 | 优点：系统占用资源少，结构简单；地位：主机间通信的常用方式 |
（二）按数据传输方向划分：单工、半双工、全双工通信
| 通信方式 | 定义 | 关键特点 |
|---|---|---|
| 单工通信（Simplex） | 数据仅能沿固定单一方向传输，一方永久为发送端，另一方永久为接收端 | 1. 单向不可逆；2. 仅需1根传输总线 |
| 半双工通信（Half-Duplex） | 数据可沿两个方向传输，但不能同时双向传输，需切换传输方向 | 1. 双向可逆，但需分时；2. 可共用1根传输总线；3. 存在“发送-接收”的切换 |
| 全双工通信（Full-Duplex） | 数据可沿两个方向同时传输，通信双方可同时发送和接收数据 | 1. 双向同步进行；2. 通常需2根独立传输线（如TX/RX）；3. 无切换延迟，交互效率最高 |
二、串口通信（UART）核心知识
（一）串口通信定义
通常指“异步串口通信（UART）”，是串行通信的一种，通过1根发送线（TX）和1根接收线（RX）实现双向数据传输，靠“波特率同步”，广泛用于短距离设备交互（如单片机与电脑、传感器与控制器），属于异步串行全双工通信方式。
（二）串口通信时序
串口通信空闲时数据线为高电平，数据以“帧”为单位传输，1帧包含4个固定部分，时序顺序如下：
空闲时为高电平
- 起始位：帧的开始标志，必为低电平（持续1个“位时间”，$ \text{位时间} = \frac{1}{\text{波特率}} $），用于通知接收端“即将传数据”；
- 数据位：实际传输的二进制数据，通常为5~8位（最常用8位，即1个字节），按“低位在前（LSB）、高位在后（MSB）”传输；
- 校验位（可选）：用于检错，分奇校验（数据位+校验位总“1”的个数为奇数）、偶校验（总“1”的个数为偶数）、无校验（省略）；
- 停止位：帧的结束标志，为高电平，用于接收端确认1帧结束，以保证下一个字节发送前的起始位能够表现出来。
（三）串口通信速率
- 速率决定因素：串口通信速率由“波特率（Baud Rate）”决定，波特率指“每秒传输的信号变化次数”（对串口而言，通常1个信号变化对应1位数据，因此 $ \text{波特率} \approx \text{每秒传输的位数} $，即bps），且收发双方必须设置相同的波特率，否则会因“位时间不匹配”导致数据传输错误。
- 常见波特率（单位：bps）：1200、2400、4800、9600（常用）、115200等。
三、同步通信与异步通信
| 通信类型 | 定义 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 同步通信 | 通信设备之间除了需要数据线之外，还需额外的时钟线（如SCLK），收发双方通过时钟信号“同步节奏”，数据连续传输（无间隙），发送方负责控制时钟线的变化，每发送一个比特，都需要将时钟线按照规则进行改变，通常以“块”为单位传输（如16位、32位） | 无需起始/停止位，传输效率高 | 需额外时钟线，线路成本高，时钟干扰会影响同步 |
| 异步通信 | 无需时钟线，收发双方通过“约定相同的波特率”同步节奏，数据以“帧”为单位传输（每帧含起始/停止位，帧间可有空隙） | 线路少（仅TX/RX）、成本低，适合短距离 | 因波特率偏差可能导致误码（需预留容错空间），效率略低 |
串口通信归属：串口通信（UART）属于异步通信，无需时钟线，靠起始/停止位和约定波特率实现数据同步。
四、常见电平标准（TTL、RS232、RS485）
三者是串口通信的“电平标准”（定义“0”和“1”对应的电压范围），核心差异是“电压范围”“传输距离”和“抗干扰能力”：
| 电平标准 | 电平定义 | 特点 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| TTL（晶体管-晶体管逻辑电平） | 高电平（1）= 3.3V/5V，低电平（0）= 0V | 电压范围小，抗干扰能力弱，传输距离短（通常≤10米） | 设备内部短距离通信（如单片机与传感器、模块间的板上通信） |
| RS232（Recommended Standard 232） | 高电平（1）= -15V~-3V，低电平（0）= +3V~+15V（与TTL反相） | 采用正负电压，抗干扰能力比TTL强，传输距离中等（通常≤15米），支持全双工（需TX/RX两根线） | 早期电脑串口（DB9接口）与外设通信（如Modem、单片机下载），需通过“TTL-RS232转换器”与TTL设备连接 |
| RS485（Recommended Standard 485） | 采用“差分信号”（两根线A/B，通过A-B电压差判断电平：A>B时为1，A<B时为0），无固定电压范围（通常差分电压≥200mV即可识别） | 差分传输抗干扰能力极强，传输距离远（最大1200米），支持多设备联网（最多32/128台设备共享总线），默认半双工（仅需A/B两根线，全双工需额外两根线） | 工业现场长距离、多设备通信（如传感器网络、PLC控制、智能家居总线），需通过“TTL-RS485转换器”与TTL设备连接 |
五、USB相关
USB（通用串行总线）是一种常用的串行通信接口，具有即插即用、支持热插拔、传输速率较高、可同时为外部设备供电等特点，广泛应用于电脑与外部设备（如U盘、鼠标、键盘、手机等）的连接与数据传输，其通信方式为串行通信，支持全双工传输。
六、51单片机串口通信相关代码
（一）头文件引用
#include <reg52.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "delay.h"
（二）串口初始化函数
void init_uart(void)
{ unsigned char t; t = SCON; t &= ~(3 << 6); t |= (1 << 6) | (1 << 4); SCON = t; PCON |= (1 << 7); t = TMOD; t &= ~(3 << 4); t |= (2 << 4); t &= ~(3 << 6); TMOD = t; TH1 = 204; TL1 = 204; TCON |= (1 << 6); IE |= (1 << 7) | (1 << 4);
}
（三）单个字符发送函数
void send_char(char ch)
{ SBUF = ch; while((SCON & (1 << 1)) == 0); SCON &= ~(1 << 1);
}
（四）缓冲区发送函数
void send_buffer(const char *p, int len)
{ while(len--) { send_char(*p++); }
}
（五）串口中断服务函数
void uart_handler(void) interrupt 4
{ if((SCON & (1 << 0)) != 0) { P2 = SBUF; SCON &= ~(1 << 0); }
}
（六）全局变量定义
xdata char recv_buffer[64];
int pos = 0;
（七）主函数
int main(void)
{ int i = 1; int n = 10; char *p = (char *) &p; xdata char buffer[32]; init_uart(); while(1) { n = sizeof(int); sprintf(buffer, "int size = %d\n", n); send_buffer(buffer, strlen(buffer)); n = sizeof(char); sprintf(buffer, "char size = %d\n", n); send_buffer(buffer, strlen(buffer)); n = sizeof(short); sprintf(buffer, "short size = %d\n", n); send_buffer(buffer, strlen(buffer)); n = sizeof(double); sprintf(buffer, "double size = %d\n", n); send_buffer(buffer, strlen(buffer)); n = sizeof(long); sprintf(buffer, "long size = %d\n", n); send_buffer(buffer, strlen(buffer)); n = sizeof(char *); sprintf(buffer, "char * size = %d\n", n); send_buffer(buffer, strlen(buffer)); delay(0x9FFF); } return 0;
}