單片機(jī)串口通信原理和控制程序

時(shí)間：2017-12-19 22:11:31

關(guān)鍵字：單片機(jī) 單片機(jī)制作控制程序通信原理

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[導(dǎo)讀]我們前邊學(xué)串口通信的時(shí)候，比較注重的是串口底層時(shí)序上的操作過程，所以例程都是簡(jiǎn)單的收發(fā)字符或者字符串。在實(shí)際應(yīng)用中，往往串口還要和電腦上的上位機(jī)軟件進(jìn)行交互，實(shí)

我們前邊學(xué)串口通信的時(shí)候，比較注重的是串口底層時(shí)序上的操作過程，所以例程都是簡(jiǎn)單的收發(fā)字符或者字符串。在實(shí)際應(yīng)用中，往往串口還要和電腦上的上位機(jī)軟件進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)電腦軟件發(fā)送不同的指令，單片機(jī)對(duì)應(yīng)執(zhí)行不同操作的功能，這就要求我們組織一個(gè)比較合理的通信機(jī)制和邏輯關(guān)系，用來實(shí)現(xiàn)我們想要的結(jié)果。

本節(jié)所提供程序的功能是，通過電腦串口調(diào)試助手下發(fā)三個(gè)不同的命令，第一條指令：buzz on 可以讓蜂鳴器響;第二條指令：buzz off 可以讓蜂鳴器不響;第三條指令：showstr ，這個(gè)命令空格后邊，可以添加任何字符串，讓后邊的字符串在 1602 液晶上顯示出來，同時(shí)不管發(fā)送什么命令，單片機(jī)收到后把命令原封不動(dòng)的再通過串口發(fā)送給電腦，以表示“我收到了„„你可以檢查下對(duì)不對(duì)”。這樣的感覺是不是更像是一個(gè)小項(xiàng)目了呢?

對(duì)于串口通信部分來說，單片機(jī)給電腦發(fā)字符串好說，有多大的數(shù)組，我們就發(fā)送多少個(gè)字節(jié)即可，但是單片機(jī)接收數(shù)據(jù)，接收多少個(gè)才應(yīng)該是一幀完整的數(shù)據(jù)呢?數(shù)據(jù)接收起始頭在哪里，結(jié)束在哪里?這些我們?cè)诮邮盏綌?shù)據(jù)前都是無從得知的。那怎么辦呢?

我們的編程思路基于這樣一種通常的事實(shí)：當(dāng)需要發(fā)送一幀(多個(gè)字節(jié))數(shù)據(jù)時(shí)，這些數(shù)據(jù)都是連續(xù)不斷的發(fā)送的，即發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后會(huì)緊接著發(fā)送下一個(gè)字節(jié)，期間沒有間隔或間隔很短，而當(dāng)這一幀數(shù)據(jù)都發(fā)送完畢后，就會(huì)間隔很長一段時(shí)間(相對(duì)于連續(xù)發(fā)送時(shí)的間隔來講)不再發(fā)送數(shù)據(jù)，也就是通信總線上會(huì)空閑一段較長的時(shí)間。于是我們就建立這樣一種程序機(jī)制：設(shè)置一個(gè)軟件的總線空閑定時(shí)器，這個(gè)定時(shí)器在有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)(從單片機(jī)接收角度來說就是接收到數(shù)據(jù)時(shí))清零，而在總線空閑時(shí)(也就是沒有接收到數(shù)據(jù)時(shí))時(shí)累加，當(dāng)它累加到一定時(shí)間(例程里是 30 ms)后，我們就可以認(rèn)定一幀完整的數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸完畢了，于是告訴其它程序可以來處理數(shù)據(jù)了，本次的數(shù)據(jù)處理完后就恢復(fù)到初始狀態(tài)，再準(zhǔn)備下一次的接收。那么這個(gè)用于判定一幀結(jié)束的空閑時(shí)間取多少合適呢?它取決于多個(gè)條件，并沒有一個(gè)固定值，我們這里介紹幾個(gè)需要考慮的原則：第一，這個(gè)時(shí)間必須大于波特率周期，很明顯我們的單片機(jī)接收中斷產(chǎn)生是在一個(gè)字節(jié)接收完畢后，也就是一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)，而其接收過程我們的程序是無從知曉的，因此在至少一個(gè)波特率周期內(nèi)你絕不能認(rèn)為空閑已經(jīng)時(shí)間達(dá)到了。第二，要考慮發(fā)送方的系統(tǒng)延時(shí)，因?yàn)椴皇撬械陌l(fā)送方都能讓數(shù)據(jù)嚴(yán)格無間隔的發(fā)送，因?yàn)檐浖憫?yīng)、關(guān)中斷、系統(tǒng)臨界區(qū)等等操作都會(huì)引起延時(shí)，所以還得再附加幾個(gè)到十幾個(gè) ms 的時(shí)間。我們選取的 30 ms 是一個(gè)折中的經(jīng)驗(yàn)值，它能適應(yīng)大部分的波特率(大于1200)和大部分的系統(tǒng)延時(shí)(PC 機(jī)或其它單片機(jī)系統(tǒng))情況。

我先把這個(gè)程序最重要的 UART.c 文件中的程序貼出來，一點(diǎn)點(diǎn)給大家解析，這個(gè)是實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)常用的用法，大家一定要認(rèn)真弄明白。

/*****************************Uart.c 文件程序源代碼*****************************/

#include

bit flagFrame = 0; //幀接收完成標(biāo)志，即接收到一幀新數(shù)據(jù)

bit flagTxd = 0; //單字節(jié)發(fā)送完成標(biāo)志，用來替代 TXD 中斷標(biāo)志位

unsigned char cntRxd = 0; //接收字節(jié)計(jì)數(shù)器

unsigned char pdata bufRxd[64]; //接收字節(jié)緩沖區(qū)

extern void UartAction(unsigned char *buf, unsigned char len);

/* 串口配置函數(shù)，baud-通信波特率 */

void ConfigUART(unsigned int baud){

SCON = 0x50; //配置串口為模式 1

TMOD &= 0x0F; //清零 T1 的控制位

TMOD |= 0x20; //配置 T1 為模式 2

TH1 = 256 - (11059200/12/32)/baud; //計(jì)算 T1 重載值

TL1 = TH1; //初值等于重載值

ET1 = 0; //禁止 T1 中斷

ES = 1; //使能串口中斷

TR1 = 1; //啟動(dòng) T1

}

/* 串口數(shù)據(jù)寫入，即串口發(fā)送函數(shù)，buf-待發(fā)送數(shù)據(jù)的指針，len-指定的發(fā)送長度 */

void UartWrite(unsigned char *buf, unsigned char len){

while (len--){ //循環(huán)發(fā)送所有字節(jié)

flagTxd = 0; //清零發(fā)送標(biāo)志

SBUF = *buf++; //發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)

while (!flagTxd); //等待該字節(jié)發(fā)送完成

}

/* 串口數(shù)據(jù)讀取函數(shù)，buf-接收指針，len-指定的讀取長度，返回值-實(shí)際讀到的長度 */

unsigned char UartRead(unsigned char *buf, unsigned char len){

unsigned char i;

//指定讀取長度大于實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)長度時(shí)，

//讀取長度設(shè)置為實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)長度

if (len > cntRxd){

len = cntRxd;

}

for (i=0; i 0){ //接收計(jì)數(shù)器大于零時(shí)，監(jiān)控總線空閑時(shí)間

if (cntbkp != cntRxd){ //接收計(jì)數(shù)器改變，即剛接收到數(shù)據(jù)時(shí)，清零空閑計(jì)時(shí)

cntbkp = cntRxd;

idletmr = 0;

}else{ //接收計(jì)數(shù)器未改變，即總線空閑時(shí)，累積空閑時(shí)間

if (idletmr < 30){ //空閑計(jì)時(shí)小于 30ms 時(shí)，持續(xù)累加

idletmr += ms;

if (idletmr >= 30){ //空閑時(shí)間達(dá)到 30ms 時(shí)，即判定為一幀接收完畢

flagFrame = 1; //設(shè)置幀接收完成標(biāo)志

}

}else{

cntbkp = 0;

}

/* 串口驅(qū)動(dòng)函數(shù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)幀的接收，調(diào)度功能函數(shù)，需在主循環(huán)中調(diào)用 */

void UartDriver(){

unsigned char len;

unsigned char pdata buf[40];

if (flagFrame){ //有命令到達(dá)時(shí)，讀取處理該命令

flagFrame = 0;

len = UartRead(buf, sizeof(buf)); //將接收到的命令讀取到緩沖區(qū)中

UartAction(buf, len); //傳遞數(shù)據(jù)幀，調(diào)用動(dòng)作執(zhí)行函數(shù)

}

/* 串口中斷服務(wù)函數(shù) */

void InterruptUART() interrupt 4{

if (RI){ //接收到新字節(jié)

RI = 0; //清零接收中斷標(biāo)志位

//接收緩沖區(qū)尚未用完時(shí)，保存接收字節(jié)，并遞增計(jì)數(shù)器

if (cntRxd < sizeof(bufRxd)){{[!--empirenews.page--]

bufRxd[cntRxd++] = SBUF;

}

if (TI){ //字節(jié)發(fā)送完畢

TI = 0; //清零發(fā)送中斷標(biāo)志位

flagTxd = 1; //設(shè)置字節(jié)發(fā)送完成標(biāo)志

}

大家可以對(duì)照注釋和前面的講解分析下這個(gè) Uart.c 文件，在這里指出其中的兩個(gè)要點(diǎn)希望大家多注意下。

1、接收數(shù)據(jù)的處理，在串口中斷中，將接收到的字節(jié)都存入緩沖區(qū) bufRxd 中，同時(shí)利用另外的定時(shí)器中斷通過間隔調(diào)用 UartRxMonitor 來監(jiān)控一幀數(shù)據(jù)是否接收完畢，判定的原則就是我們前面介紹的空閑時(shí)間，當(dāng)判定一幀數(shù)據(jù)結(jié)束完畢時(shí)，設(shè)置 flagFrame 標(biāo)志，主循環(huán)中可以通過調(diào)用 UartDriver 來檢測(cè)該標(biāo)志，并處理接收到的數(shù)據(jù)。當(dāng)要處理接收到的數(shù)據(jù)時(shí)，先通過串口讀取函數(shù) UartRead 把接收緩沖區(qū) bufRxd 中的數(shù)據(jù)讀取出來，然后再對(duì)讀到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷處理。也許你會(huì)說，既然數(shù)據(jù)都已經(jīng)接收到 bufRxd 中了，那我直接在這里面用不就行了嘛，何必還得再拷貝到另一個(gè)地方去呢?我們?cè)O(shè)計(jì)這種雙緩沖的機(jī)制，主要是為了提高串口接收到響應(yīng)效率：首先如果你在 bufRxd 中處理數(shù)據(jù)，那么這時(shí)侯就不能再接收任何數(shù)據(jù)，因?yàn)樾陆邮盏臄?shù)據(jù)會(huì)破壞原來的數(shù)據(jù)，造成其不完整和混亂;其次，這個(gè)處理過程可能會(huì)耗費(fèi)較長的時(shí)間，比如說上位機(jī)現(xiàn)在就給你發(fā)來一個(gè)延時(shí)顯示的命令，那么在這個(gè)延時(shí)的過程中你都無法去接收新的命令，在上位機(jī)看來就是你暫時(shí)失去響應(yīng)了。而使用這種雙緩沖機(jī)制就可以大大改善這個(gè)問題，因?yàn)閿?shù)據(jù)拷貝所需的時(shí)間是相當(dāng)短的，而只要拷貝出去后，bufRxd 就可以馬上準(zhǔn)備去接收新數(shù)據(jù)了。

2、串口數(shù)據(jù)寫入函數(shù) UartWrite，它把數(shù)據(jù)指針 buf 指向的數(shù)據(jù)塊連續(xù)的由串口發(fā)送出去。雖然我們的串口程序啟用了中斷，但這里的發(fā)送功能卻沒有在中斷中完成，而是仍然靠查詢發(fā)送中斷標(biāo)志 flagTxd(因中斷函數(shù)內(nèi)必須清零 TI，否則中斷會(huì)重復(fù)進(jìn)入執(zhí)行，所以另置了一個(gè) flagTxd 來代替 TI)來完成，當(dāng)然也可以采用先把發(fā)送數(shù)據(jù)拷貝到一個(gè)緩沖區(qū)中，然后再在中斷中發(fā)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)送出去的方式，但這樣一是要耗費(fèi)額外的內(nèi)存，二是使程序更復(fù)雜。這里也還是想告訴大家，簡(jiǎn)單方式可以解決的問題就不要搞得更復(fù)雜。

/*****************************main.c 文件程序源代碼******************************/

#include

sbit BUZZ = P1^6; //蜂鳴器控制引腳

bit flagBuzzOn = 0; //蜂鳴器啟動(dòng)標(biāo)志

unsigned char T0RH = 0; //T0 重載值的高字節(jié)

unsigned char T0RL = 0; //T0 重載值的低字節(jié)

void ConfigTimer0(unsigned int ms);

extern void UartDriver();

extern void ConfigUART(unsigned int baud);

extern void UartRxMonitor(unsigned char ms);

extern void UartWrite(unsigned char *buf, unsigned char len);

extern void InitLcd1602();

extern void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *str);

extern void LcdAreaClear(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char len);

void main(){

EA = 1; //開總中斷

ConfigTimer0(1); //配置 T0 定時(shí) 1ms

ConfigUART(9600); //配置波特率為 9600

InitLcd1602(); //初始化液晶

while (1){

UartDriver(); //調(diào)用串口驅(qū)動(dòng)

}

/* 內(nèi)存比較函數(shù)，比較兩個(gè)指針?biāo)赶虻膬?nèi)存數(shù)據(jù)是否相同，

ptr1-待比較指針 1，ptr2-待比較指針 2，len-待比較長度

返回值-兩段內(nèi)存數(shù)據(jù)完全相同時(shí)返回 1，不同返回 0 */

bit CmpMemory(unsigned char *ptr1, unsigned char *ptr2, unsigned char len){

while (len--){

if (*ptr1++ != *ptr2++){ //遇到不相等數(shù)據(jù)時(shí)即刻返回 0

return 0;

}

return 1; //比較完全部長度數(shù)據(jù)都相等則返回 1

}

/* 串口動(dòng)作函數(shù)，根據(jù)接收到的命令幀執(zhí)行響應(yīng)的動(dòng)作

buf-接收到的命令幀指針，len-命令幀長度 */

void UartAction(unsigned char *buf, unsigned char len){

unsigned char i;

unsigned char code cmd0[] = "buzz on"; //開蜂鳴器命令

unsigned char code cmd1[] = "buzz off"; //關(guān)蜂鳴器命令

unsigned char code cmd2[] = "showstr "; //字符串顯示命令

unsigned char code cmdLen[] = { //命令長度匯總表

sizeof(cmd0)-1, sizeof(cmd1)-1, sizeof(cmd2)-1,

};

unsigned char code *cmdPtr[] = { //命令指針匯總表

&cmd0[0], &cmd1[0], &cmd2[0],

};

for (i=0; i= cmdLen[i]){ //首先接收到的數(shù)據(jù)長度要不小于命令長度

if (CmpMemory(buf, cmdPtr[i], cmdLen[i])){ //比較相同時(shí)退出循環(huán)

break;

}

switch (i){ //循環(huán)退出時(shí) i 的值即是當(dāng)前命令的索引值

case 0:

flagBuzzOn = 1; //開啟蜂鳴器

break;

case 1:

flagBuzzOn = 0; //關(guān)閉蜂鳴器

break;

case 2:

buf[len] = '\0'; //為接收到的字符串添加結(jié)束符

LcdShowStr(0, 0, buf+cmdLen[2]); //顯示命令后的字符串

i = len - cmdLen[2]; //計(jì)算有效字符個(gè)數(shù)

if (i < 16){ //有效字符少于 16 時(shí)，清除液晶上的后續(xù)字符位

LcdAreaClear(i, 0, 16-i);

}

break;

default: //未找到相符命令時(shí)，給上機(jī)發(fā)送“錯(cuò)誤命令”的提示

UartWrite("bad command.\r\n", sizeof("bad command.\r\n")-1);

return;

}

buf[len++] = '\r'; //有效命令被執(zhí)行后，在原命令幀之后添加

buf[len++] = '\n'; //回車換行符后返回給上位機(jī)，表示已執(zhí)行

UartWrite(buf, len);

}

/* 配置并啟動(dòng) T0，ms-T0 定時(shí)時(shí)間 */[!--empirenews.page--]

void ConfigTimer0(unsigned int ms){

unsigned long tmp; //臨時(shí)變量

tmp = 11059200 / 12; //定時(shí)器計(jì)數(shù)頻率

tmp = (tmp * ms) / 1000; //計(jì)算所需的計(jì)數(shù)值

tmp = 65536 - tmp; //計(jì)算定時(shí)器重載值

tmp = tmp + 33; //補(bǔ)償中斷響應(yīng)延時(shí)造成的誤差

T0RH = (unsigned char)(tmp>>8); //定時(shí)器重載值拆分為高低字節(jié)

T0RL = (unsigned char)tmp;

TMOD &= 0xF0; //清零 T0 的控制位

TMOD |= 0x01; //配置 T0 為模式 1

TH0 = T0RH; //加載 T0 重載值

TL0 = T0RL;

ET0 = 1; //使能 T0 中斷

TR0 = 1; //啟動(dòng) T0

}

/* T0 中斷服務(wù)函數(shù)，執(zhí)行串口接收監(jiān)控和蜂鳴器驅(qū)動(dòng) */

void InterruptTimer0() interrupt 1{

TH0 = T0RH; //重新加載重載值

TL0 = T0RL;

if (flagBuzzOn){ //執(zhí)行蜂鳴器鳴叫或關(guān)閉

BUZZ = ~BUZZ;

}else{

BUZZ = 1;

}

UartRxMonitor(1); //串口接收監(jiān)控

}

main 函數(shù)和主循環(huán)的結(jié)構(gòu)我們已經(jīng)做過很多了，就不多說了，這里重點(diǎn)把串口接收數(shù)據(jù)的具體解析方法給大家分析一下，這種用法具有很強(qiáng)的普遍性，掌握并靈活運(yùn)用它可以使你將來的開發(fā)工作事半功倍。

首先來看 CmpMemory 函數(shù)，這個(gè)函數(shù)很簡(jiǎn)單，就是比較兩段內(nèi)存數(shù)據(jù)，通常都是數(shù)組中的數(shù)據(jù)，函數(shù)接收兩段數(shù)據(jù)的指針，然后逐個(gè)字節(jié)比較——if (ptr1++ != ptr2++)，這行代碼既完成了兩個(gè)指針指向的數(shù)據(jù)的比較，又在比較完后把兩個(gè)指針都各自+1，從這里是不是也能領(lǐng)略到一點(diǎn) C 語言的簡(jiǎn)潔高效的魅力呢。這個(gè)函數(shù)的用處自然就是用來比較我們接收到的數(shù)據(jù)和事先放在程序里的命令字符串是否相同，從而找出相符的命令了。

接下來是 UartAction 函數(shù)對(duì)接收數(shù)據(jù)的解析和處理方法，先把接收的數(shù)據(jù)與所支持的命令字符串逐條比較，這個(gè)比較中首先要確保接收的長度大于命令字符串的長度，然后再用上述的 CmpMemory 函數(shù)逐字節(jié)比較，如果比較相同就立即退出循環(huán)，不同則繼續(xù)對(duì)比下一條命令。當(dāng)找到相符的命令字符串時(shí)，最終 i 的值就是該命令在其列表中的索引位置，當(dāng)遍歷完命令列表都沒有找到相符的命令時(shí)，最終 i 的值將等于命令總數(shù)，那么接下來就用 switch語句根據(jù) i 的值來執(zhí)行具體的動(dòng)作，這個(gè)就不需要再詳細(xì)說明了。

/***************************Lcd1602.c 文件程序源代碼*****************************/

#include

#define LCD1602_DB P0

sbit LCD1602_RS = P1^0;

sbit LCD1602_RW = P1^1;

sbit LCD1602_E = P1^5;

/* 等待液晶準(zhǔn)備好 */

void LcdWaitReady(){

unsigned char sta;

LCD1602_DB = 0xFF;

LCD1602_RS = 0;

LCD1602_RW = 1;

do {

LCD1602_E = 1;

sta = LCD1602_DB; //讀取狀態(tài)字

LCD1602_E = 0;

} while (sta & 0x80); //bit7 等于 1 表示液晶正忙，重復(fù)檢測(cè)直到其等于 0 為止

}

/* 向 LCD1602 液晶寫入一字節(jié)命令，cmd-待寫入命令值 */

void LcdWriteCmd(unsigned char cmd){

LcdWaitReady();

LCD1602_RS = 0;

LCD1602_RW = 0;

LCD1602_DB = cmd;

LCD1602_E = 1;

LCD1602_E = 0;

}

/* 向 LCD1602 液晶寫入一字節(jié)數(shù)據(jù)，dat-待寫入數(shù)據(jù)值 */

void LcdWriteDat(unsigned char dat){

LcdWaitReady();

LCD1602_RS = 1;

LCD1602_RW = 0;

LCD1602_DB = dat;

LCD1602_E = 1;

LCD1602_E = 0;

}

/* 設(shè)置顯示 RAM 起始地址，亦即光標(biāo)位置，(x,y)-對(duì)應(yīng)屏幕上的字符坐標(biāo) */

void LcdSetCursor(unsigned char x, unsigned char y){

unsigned char addr;

if (y == 0){ //由輸入的屏幕坐標(biāo)計(jì)算顯示 RAM 的地址

addr = 0x00 + x; //第一行字符地址從 0x00 起始

}else{

addr = 0x40 + x; //第二行字符地址從 0x40 起始

}

LcdWriteCmd(addr | 0x80); //設(shè)置 RAM 地址

}

/* 在液晶上顯示字符串，(x,y)-對(duì)應(yīng)屏幕上的起始坐標(biāo)，str-字符串指針 */

void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *str){

LcdSetCursor(x, y); //設(shè)置起始地址

while (*str != '\0'){ //連續(xù)寫入字符串?dāng)?shù)據(jù)，直到檢測(cè)到結(jié)束符

LcdWriteDat(*str++);

}

/* 區(qū)域清除，清除從(x,y)坐標(biāo)起始的 len 個(gè)字符位 */

void LcdAreaClear(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char len){

LcdSetCursor(x, y); //設(shè)置起始地址

while (len--){ //連續(xù)寫入空格

LcdWriteDat(' ');

}

/* 初始化 1602 液晶 */

void InitLcd1602(){

LcdWriteCmd(0x38); //16*2 顯示，5*7 點(diǎn)陣，8 位數(shù)據(jù)接口

LcdWriteCmd(0x0C); //顯示器開，光標(biāo)關(guān)閉

LcdWriteCmd(0x06); //文字不動(dòng)，地址自動(dòng)+1

LcdWriteCmd(0x01); //清屏

}

液晶文件與上一個(gè)例程的液晶文件基本是一樣的，唯一的區(qū)別是刪掉了一個(gè)本例中用不到的全屏清屏函數(shù)，其實(shí)留著這個(gè)函數(shù)也沒關(guān)系，只是 Keil 會(huì)提示一個(gè)警告，告訴你有未被調(diào)用的函數(shù)而已，可以不理會(huì)它。

經(jīng)過這幾個(gè)多文件工程的練習(xí)后，大家是否發(fā)現(xiàn)，在采用多文件模塊化編程后，不光是某些函數(shù)，甚至整個(gè) c 文件，如有需要，我們都可以直接復(fù)制到其它的新工程中使用，非常方便功能程序的移植，這樣隨著實(shí)踐積累的增加，你會(huì)發(fā)現(xiàn)工作效率變得越來越高了。