单片机通信协议有哪些 基于stm32单片机项目

单片机内部有一个强大的全双工串口，针对不同的场合有四种工作模式。波特率可以通过软件设置，并由片内定时器/计数器产生。串口收发可以工作在查询模式或者中断模式，使用起来非

单片机内部有一个强大的全双工串口，针对不同的场合有四种工作模式。波特率可以通过软件设置，并由片内定时器/计数器产生。串口收发可以工作在查询模式或者中断模式，使用起来非常灵活。

在单片机应用系统中，单片机的串口除了进行数据通信外，还可以用来驱动键盘和显示器，这是其他微机系统无法比拟的。

对于串行数据通信，单片机也需要相应的串行接口电路。但是，这个接口电路并不是一个单独的芯片，而是集成在单片中，成为单片的一个组成部分。

80C51单片机中的串口由发送缓冲寄存器SBUF、接收缓冲寄存器SBUF、发送控制寄存器、接收控制寄存器、输入移位寄存器和输出控制门组成。有两个控制寄存器用于控制单片机的串口:特殊功能寄存器SCON和PCON。你可以通过软件改变它们的内容来控制串口的工作模式和波特率。

缓冲寄存器SBUF

80C51单片机有一个全双工串行通信端口，即串行收发缓冲区SBUF。这两个是物理上独立的接收机和发射机，可以接收和发送数据。但是接收缓冲区只能读不能写，发送缓冲区只能写不能读。两个缓冲器共享相同的地址(99H)。

该通信端口可用于网络通信、串行异步通信和同步移位寄存器。如果在通信端口的输入和输出引脚上增加一个电平转换器，也可以方便地构建标准的RS-232和RS-485接口。

逻辑上，只有一个SBUF，它代表发送寄存器和接收寄存器，并且具有相同的地址(99H)。物理上有两个SBUF，一个是发送寄存器，一个是接收寄存器。

串行端口控制寄存器SCON

该寄存器的字节地址为98H，具有位寻址功能。

SCON格式如下:

0 (scon.7)和SM1(SCON.6):控制串口的工作模式。

SM2(SCON.5):允许模式2和模式3下多机通信的控制位。在模式2或模式3中，如果SM2=1，当接收的第9位数据(RB8)为0时，RI将不被激活。在模式1下，如果SM2=1，RI将仅在接收到有效停止位时被激活。如果没有接收到有效的停止位，RI清0。在模式0下，SM2必须设置为0。

REN(SCON.4):允许串行接收控制位。REN=1允许串行接收，而REN=0禁止串行接收。该标志设置为1或由软件清除。

TB8(SCON.3):该位是在模式2和模式3下工作时要发送的数据的第9位。在一些通信协议中，第9位用于奇偶校验(奇数或偶数补码)；但在MCS-51多处理器通信中，该位是区分地址帧和数据帧的标志，必要时由软件置位或复位。

RB8(SCON.2):该位是已经接收到的数据的第9位，当工作在模式2和模式3时，它是一个奇偶校验位。在MCS-51多处理机通信中，它是区分地址帧/数据帧的标志。在模式1下，如果SM2=0，RB8存储接收数据的停止位。在模式0下，RB8不使用，软件可以将其置1或在必要时清零。

TI(SCON.1):发送中断标志位。在模式0下，第8位数据在发送时由硬件设置；在其他模式下，发送停止位的起始时间由硬件设置。当TI=1置1时，产生一个中断。CPU响应中断后，软件清除TI并发送下一帧数据。

RI(SCON.0):接收中断标志位。在模式0下，当接收到第8位数据时，由硬件自动置位；在模式1下，SM2=1，只有接收到有效的停止位，才能设置RI。在其他模式下，RI由接收停止位中间的硬件设置。当它被置位时，它申请中断。CPU响应中断后，接收数据并清除RI标志，该标志必须由软件清除。

复位时，SCON的所有位都被清零。

特殊功能寄存器PCON

其字节地址为87H，没有位寻址功能。PCON的格式如下:

其中，只有D7位与串行接口相关。

SMOD:波特率选择位。

串行口有四种工作方式，它们是由串行口控制寄存器 SCON 的 SM0、SM1的状态来定义的，编码及功能如表2-3所示。在这四种工作方式中，串行通信只使用方式1、2、3。方式0主要用于扩展并行输入/输出口。

串口有四种工作模式，分别由串口控制寄存器SCON的SM0和SM1状态定义。代码和功能如表2-3所示。在这四种工作模式中，串行通信只使用模式1、2、3。0模式主要用于扩展并行输入/输出端口。

表2-3串口工作模式

表:fosc是晶振频率，UART是通用异步接收器和发生器。

模式0

在模式0下，串口是同步移位寄存器输入/输出模式，其波特率是固定的。数据从RxD(P3.0)输入，同步移位脉冲从TxD(P3.1)输出。0模式主要用于扩展并行输入输出端口(如串行LED显示系统等。).

(1)模式0发送

当数据写入串行端口发送缓冲器SBUF时，串行端口以fosc/12的波特率从RxD引脚(从低位到高位)输出8位数据。当发送8位数据时，发送中断标志TI被设置为1。Tx引脚输出同步脉冲，波形如图2-22所示。

(2)模式0接收

在满足REN=1和RI=0的条件下，就会启动一次接收过程，此时RxD为串行输入端，TxD为同步脉冲输出端。串行接收的波特率为fosc/12，其时序如图2-23所示。当接收完一帧数据(8位)后，控制信号复位，中断标志 RI 被置 1，呈中断申请状态。当再次接收时，必须通过软件将RI清零。

当满足REN=1和RI=0时，将启动接收过程，其中RxD为串行输入端，TxD为同步脉冲输出端。串行接收的波特率为fosc/12，其时序如图2-23所示。当接收到一帧数据(8位)时，控制信号被复位，中断标志RI被置为1，表示中断应用状态。再次接收时，RI必须由软件清除。

▲图2-22 串行口“方式0”发送时序

▲图2-22串口“模式0”传输时序

▲图2-23串口“模式0”接收时序

在模式0下，SCON的TB8和RB8位无效，多机通信控制位的SM2位必须为0。当在模式0下发送或接收8位数据时，硬件置1并发送中断标志TI或RI，并向CPU申请中断。在CPU响应TI或RI的中断后，标志TI或RI必须由用户程序清除。

模式1

当串口工作在模式1时，SCON的SM0和SM1位分别为0和1，因此串口被控制为一个波特率可变的8位异步通信接口。每帧传输的信息为10位:1个起始位、8个数据位(先低位后高位)和1个停止位。

(1)模式1发送

串行口以方式1发送时，数据由TxD端输出，CPU执行一条数据写入发送数据缓冲器SBUF的指令，数据字节写入SBUF后，就启动串行口发送器发送。发送完一帧信息的数据位后，发送中断标志置1，其时序如图2-24所示。

在模式1下发送串口时，TxD输出数据，CPU执行指令将数据写入发送数据缓冲区SBUF，数据字节写入SBUF后，串口发送器开始发送。发送完一帧信息的数据位后，发送中断标志置1，其时序如图2-24所示。

▲图2-24串口“模式1”传输时序

(2)模式1接收

当REN=1时，允许接收器接收，数据从RxD输入。接收器以所选波特率的16倍对RxD端子的电平进行采样。当检测到RxD引脚从1跳变到0时，接收器开始接收并复位内部16分频计数器以实现同步。

在起始位，如果接收到的值不是0，则起始位无效，复位接收电路，并在再次接收到从1到0的跳变时重启接收器。如果接收值为0，起始位有效，接收机开始接收该帧的其余信息(一帧信息为10位)。在模式1接收中，如果同时满足以下两个条件:RI=0，SM2=0，接收停止位=1，则接收数据有效，SBUF加载，停止位进入PB8，接收中断标志RI置1。接收控制器对RxD的负跳变进行重新采样，以接收下一帧数据。

若这两个条件不能同时满足，信息将丢失。中断标志RI必须由用户的软件清零，通常情况下，串行口以方式1工作时，SM2置为0。方式1的接收时序如图2-25所示。

如果这两个条件不能同时满足，信息就会丢失。中断标志RI必须由用户软件清除。通常，当串口工作在模式1时，SM2设置为0。模式1的接收顺序如图2-25所示。

▲图2-25串口“模式1”接收时序

模式2

当SM0和SMl位分别为1和0时，串行端口工作在模式2，串行端口被定义为9位异步通信接口。发送时，可编程位(TB8)根据需要设置为0或1，接收时，可编程位发送至SCON的RB8。

(1)模式2发送

在模式2下发送时，数据由TxD输出，发送的一帧信息由11位组成:1个起始位、8个数据位(低位在前，高位在后)、1个可编程位(第9个数据位)和1个停止位。额外的第9位数据是SCON的TB8。TB8置1或由软件清0，可用作多机通信中的数据标志位，或用作数据的奇偶校验位。

CPU在执行一条写SBUF的指令后，便立即启动发送器发送，送完一帧信息后，TI被置1，其时序如图2-26所示。在发送下一帧信息之前，TI必须由中断服务程序(或查询程序)清0。

CPU执行写SBUF的指令后，立即启动发送器发送。发送一帧信息后，TI置1，其时序如图2-26所示。在发送下一帧信息之前，TI必须由中断服务程序(或查询程序)清除。

▲图2-26串口“模式2”传输时序

(2)模式2接收

当 SM0、SMl两位分别为1、0，且 REN=1 时，允许串行口以方式 2 接收数据。数据由 RxD端输入，接收11位信息：1位起始位、8位数据位、1位可编程位(第9位数据)和1位停止位。当接收器采样到RxD端从1到0的跳变，并判断起始位有效后，便开始接收一帧信息。当接收器接收到第9位数据后，如果RI=0且SM2=0或接收到的第9位数据为1时，接收到的数据送入SBUF，第9位数据送入RB8，并置RI=1，其时序如图2-27所示。若不能同时满足这两个条件，接收的信息将丢失。

当SM0和SMl位分别为1和0且REN=1时，串行端口可以在模式2下接收数据。数据由RxD输入，接收11位信息:1个起始位、8个数据位、1个可编程位(第9个数据位)和1个停止位。当接收器对RxD从1到0的转换进行采样并判断起始位有效时，它开始接收一帧信息。当接收端接收到第9位数据时，如果RI=0，SM2=0，或者接收到的第9位数据为1，则接收到的数据将发送到SBUF，第9位数据将发送到RI=1的RB8。时序如图2-27所示。如果这两个条件不能同时满足，接收到的信息就会丢失。

▲图2-27串口“模式2”接收时序

3种方式

当SM0和SM1位为11时，串行端口工作在模式3，这是一种具有可变波特率的9位异步通信模式。除了波特率，模式3和模式2的发送和接收时序是相同的。

波特率的计算

在串行通信中，发送器和接收器的波特率必须一致。软件可以设置串口的四种工作模式，并可以确定每种模式的波特率。

(1)模式0的波特率是固定的，是单片机晶振频率fosc的1/12，即BR=fosc/12。

如果fosc=6MHz，波特率为500 kbit/s；fosc=12MHz时，波特率为1Mbit/s..

(2)模式2的波特率也是固定的，有两种。一个是晶体频率的1/32，一个是晶体频率的1/64，即fosc/32和fosc/64。如公式所示:

其中SMOD是特殊功能寄存器中PCON串口波特率系数的控制位，SMOD=1表示波特率加倍。注意，PCON不能使用位寻址，它只能按字节操作。

例如，在一个12M的晶振系统中，如果SMOD=0，波特率= 187.5 kbit/s；SMOD=1，波特率为375千比特/秒

(3)模式1和模式3的波特率是可变的，其波特率由定时器1的计数器溢出决定(对于80C52，也可以使用定时器2的计数器溢出)。公式是:

定时器1溢出率计算公式为:

各种方式波特率的计算如表2-4所示。

各种方式下波特率的计算如表2-4所示。

表2-4波特率的计算公式

在表中，如果SMOD=0，那么K = 1；如果SMOD=1，那么K=2。

通常在使用单片机串口时，晶振的频率fosc是固定的(通常为6MHz、12MHz或11.0592MHz)。当与微型计算机通信时，选择的波特率是相对固定的。

实际使用中，经常根据已知波特率和时钟频率来计算定时器T1的初值。为方便使用，将常用的波特率和初值X间的关系列成表2-5。

实际中，定时器T1的初始值往往是根据已知的波特率和时钟频率计算出来的。为了使用方便，常用波特率与初始值X的关系列于表2-5。

表2-5常用通信方法及其波特率

有以下三点需要注意。

(1)表2-5只是一些特定系统串行通信的典型数据。对于未列出的其他波特率，应通过上述公式计算获得。并且可以调整相关参数以获得所需的波特率。

(2)当使用的时钟振荡频率为12MHz或6MHz时，表中的初始值X与对应的波特率存在一定的误差。比如FDH对应的理论值为10416波特(时钟振荡频率为6MHz时)，与9600波特相差816波特。可以通过调整时钟振荡频率fosc来消除该误差。比如时钟振荡频率为11.0592MHz，在需要串行通信的系统中，为了保证串行通信的准确性，一般使用11.0592Hz的晶振。

(3)如果为串行通信选择了低波特率，定时器T1可以设置为模式1进行计时。然而，当T1溢出时，需要在中断服务程序中重新加载初始值。中断时间和指令执行时间也会造成一定的波特率误差，可以通过改变初始值进行适当调整。

串行通信验证

在异步通信过程中，可能会出现帧格式错误和超时错误等传输错误。在开发带串口的单片机时，通信过程中要考虑数据检错，因为检错是保证准确通信的关键。常见的错误校验方法有奇偶校验(80C51系列单片机编程采用这种方法)、和校验、循环冗余码校验等。

(1)奇偶校验

发送数据时，数据位之后的一位数据是奇偶校验位(1或0)。设置为奇数校验时，数据中1的个数和校验位1的个数之和应为奇数；当设置了偶数校验时，数据中1的数量和校验位中1的数量之和应该是偶数。接收时，接收方应该具有与发送方相同的错误检查设置。当收到一个字符时，检查1的数量。如果两者不一致，说明数据传输有错误。

奇偶校验是按字符校验的，数据传输速度会受到影响。这一特性使其通常仅用于异步串行通信。

(2)检查

所谓校验和，是指发送方将传输的数据块(字节总和)相加，生成一个单字节的校验和字符(校验和)，附加在数据块的末尾。当接收方接收数据时，它也首先对数据块求和，并将获得的结果与发送方的校验和进行比较。如果一致，就没有错误，否则，就有错误。这种校验和的缺点是它不能检查字节顺序的错误。

(3)循环冗余码校验

该检查是一次检查一个数据块。例如，对磁盘信息的访问、ROM或RAM存储区域的完整性等。这种方法广泛应用于串行通信中。

串行端口初始化

单片机串口在使用前，要进行编程和初始化，主要是通过设置定时器1、串口控制和中断控制来产生波特率。具体步骤如下。

(1)确定定时器l-程序TMOD寄存器的工作模式。

(2)计算定时器L-load THl和TLl的初始值。

(3)启动定时器1-在TCON对TRl位进行编程。

(4)确定串口程序SCON的控制。