实验七 UART串口通信
一、
实验目的
1. 能够理解UART串口通信的基本原理和通信过程。 2. 学会通过配置寄存器，实现串口通信的基本操作过程。 二、 实验内容
通过对单片机编程来实现UART串口通信的基本过程，通过串口调试助手发送数据到单片机，并在数码管上显示出来。 三、 实验参考原理
3.1 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，但是因为通信线多占用资源多，成本高。比如我们前边用到的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，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。
在STC89C52上，有两个引脚，是专门用来做UART串口通信的，一个是P3.0一个是P3.1，还分别有另外的名字叫做RXD和TXD，这两个引脚是专门用来进行UART通信的，如果我们两个单片机进行UART串口通信的话，那基本的演示图如图3-1所示。
图3-1 单片机之间UART通信示意图
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2接收的通道。这个示意图就体现了两个单片机各自收发信息的过程。
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。这里就牵扯到了一个问题，就是持续的这“一段时间”到底是多久？从这里引入我们通信中的另外重要概念——波特率，也叫做比特率。
波特率就是发送一位二进制数据的速率，习惯上用baud表示，即我们发送一位数据的持续时间=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他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串行通信的时候，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，一旦检测到来了一位低电平，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了。我们图示看一下，如图3-2所示。
图3-2 串口数据发送示意图
图3-2串口数据发送示意图，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。
3.2 串行RS232通信接口（了解）
在台式电脑上，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虚拟的串口和单片机通信，因此这一节的内容作为了解内容。
先来认识一下这个标准串口，串口分为9针的和9孔的，习惯上也称之为公头和母头，如图3-3所示。
图3-3 RS232通信接口
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)。232串口和单片机进行通信，只需要关心其中的2脚(RXD)，3脚(TXD)和5脚(GND)。
虽然这三个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直接通信，这是因为，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到-15V代表是1，3-15V之间的电压代表是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232串口是不能和单片机直接连接的，需要用一个转换芯片MAX232来完成，如图3-4所示。
图3-4 MAX232转接图
这个芯片就可以实现把标准RS232串口电平转换成单片机能够识别和承受的
UART 0V/5V电平标准。也就是说其实RS232串口和UART串口，他们的协议类型是一样，只是电平不同而已，而MAX232这个芯片起到的就是中间人的作用，他把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。
3.3 USB转串口通信（掌握）
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如何办呢？
我们只需要在我们电路上添加一个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3-5所示。