嵌入式之硬件學習（三）通信方式、串口通信

一、通信種類

1、并行通信

2、串行通信

3、單工模式(Simplex Communication)

4、半雙工通信(Half-Duplex Communication)

5、全雙工通信(Full-Duplex Communication)

6、串行的異步通信與同步通信

（1）異步通信

（2）同步通信

二、串行口通信

（一）UART定義（串行通信協議）

（二）串口通信通信時序（底層邏輯）

1、空閑時

2、起始位

3、數據位

4、校驗位

5、停止位

6、簡述串口通信的通信邏輯（面問）

（三）波特率（bps）

三、三種串行通信方式在物理表現形式的不同

（一）TTL(Transistor-Transistor Logic)

（二）RS232標準

（三）RS485標準

四、串行口寄存器

（一）SBUF寄存器（串行口數據緩沖寄存器）

（二）串行口控制寄存器SCON

（三）電源控制寄存器PCON

五、USB下載電路模塊

六、練習（實現51單片機與電腦之間的通信）

uart.c

main.c

xdata 的作用

計算定時器初值的計算公式

七、MODBUS通信協議

一、通信種類

1、并行通信

????????并行通信是指多個比特同時通過并行線進行傳輸，這種方式的傳輸速率較高，但會占用大量的芯片資源；

2、串行通信

????????串行通信是指將數據拆分成一個個比特，按照先后次序在一根總線上進行發送，串行通信有著系統占用資源少，結構簡單等優點，是主機間通信的常用方式。

注：串口通信(Serial Port)是串行通信的一種，屬于串行通信中的異步通信。我們經常聽到的RS232、RS485、RS422都是串行通信。

3、單工模式(Simplex Communication)

????????主機間通信時如果一方固定為發送端另外一方固定為接收端，通過一根總線實現數據通信。這種通信方式就像是你只能聽別人說話，但無法回答他們一樣，只能單向傳遞信息。

4、半雙工通信(Half-Duplex Communication)

? ? ? ? 半雙工通信是一種通信方式，其中數據傳輸可以在兩個方向之間交替進行，但不能同時進行。換句話說，通信雙方可以既發送數據又接收數據，但不能同時進行這兩種操作。比方說，就像你可以和別人交替說話和傾聽對方說話一樣。當你在說話時，對方在聽你說；當對方在說話時，你在傾聽對方。這種方式允許雙方之間在發送和接收數據之間切換，但不能同時進行。半雙工通信常用于對話式交流和一些簡單的通信場景中。

5、全雙工通信(Full-Duplex Communication)

? ? ? ? 全雙工通信是一種通信方式，其中數據傳輸可以同時在兩個方向進行，允許通信雙方同時發送和接收數據，實現雙向通信。就像打電話一樣，你可以同時說話也可以聽對方說話，雙方可以同時進行數據傳輸，實現雙向溝通。

6、串行的異步通信與同步通信

（1）異步通信

????????指通信中兩個字符（8位）之間的時間間隔是不固定的，而在一個字符內各位的時間間隔是固定的；
? ? ? ? 收發雙方的波特率必須是事先約定好的；

（2）同步通信

????????要求發收雙方具有同頻同相的同步；
? ? ? ? 用專用時鐘信號線來控制時鐘的節奏，以為例：

SDA（數據線）
SCL（時鐘線）：用于同步雙方時鐘的節奏，一般由發送方決定；

? ? ? 異步通信

????????串口通信時，收發雙方的波特率必須是事先約定好的，否則數據傳輸就會出現混亂。很明顯，為保證每個比特占用數據線的時間，發送方和接收方需按照各自的系統計時且雙方之間的誤差不能太大。通常不能超過(6%)。這種雙方各自“計時”的方式稱為異步。就好比在打字一樣，每次敲擊鍵盤發送一個字母，速度快慢由打字者自己控制，沒規定每敲擊一個字母之間要等多久，只要保證接收端能夠正確識別并解析即可。

同步通信

????????同步通信設備之間除了有數據線（SDA）以為還有一條時鐘線(SCL)。其中SCL就是時鐘線(serial clock)。發送方負責控制時鐘線的變化，每發送一個比特，都需要將時鐘線按照規則進行改變。就好比在合唱團里，大家一起唱歌的節奏是由指揮員指揮的，每個人都按照指揮員的節奏唱歌，保證大家唱的是同一首歌且節奏一致。這種通信方式就稱為同步通信。譬如IIC、SPI等。

注：同步串行通信方式與異步串行通信方式的區別：存在時鐘線的為同步串行

通信方式通信，沒有時鐘線的為異步串行通信方式。

二、串行口通信（全雙工串行通信，異步通信）

（一）UART定義（串行通信協議）

????????UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發器）是一種廣泛使用的串行通信協議。它用于在計算機或其他設備之間傳輸數據。UART通信協議通過兩根線（通常稱為TXD和RXD）實現數據的異步傳輸。

TXD（Transmit，發送）線：用于從設備發送數據到另一設備。

RXD（Receive，接收）線：用于從另一設備接收數據到本設備。

（二）串口通信通信時序（底層邏輯）

作為常用的串行通信方式，以TTL為例，串口通信在不同主機之間的數據格式為：

1、空閑時

? ? ? ? 空閑時數據線為高電平；

2、起始位

????????發送放發送一個低電平表示起始位；

3、數據位

????????依據低位先行原則（發送的第一個比特是最低位(最右邊)）發送;

4、校驗位

????????分為奇校驗，偶校驗和無校驗；校驗位可發可不發

????????????????奇校驗是指確保數據位加上校驗位中"1"，1的總數為奇數；

????????????????偶校驗是指確保數據位加上校驗位中"1"，1的總數為偶數；

5、停止位

????????為保證下一個字節發送前的起始位能夠表現出來（把兩個數據二者之間分隔開），校驗位之后發送一個停止位1。（停止位也可是1個、1.5個、2個）

6、簡述串口通信的通信邏輯（面問）

? ? ? ? 雙方在空閑時數據線保持高電平；發送數據時發送方先要發送一個起始位，起始位為低電平；發送數據位（8個bit）以低位先行原則發送（從右往左發）；發完后有一個可以選擇的校驗位，校驗分三種，分別為奇校驗、偶校驗、無校驗，奇校驗是數據位加校驗位中1的個數總數為奇數，偶校驗數據位加校驗位1的總數為偶數；校驗位結束后還要發送一個停止位，停止位為高電平。? ??

（三）波特率（bps）

串口通信用波特率來描述數據的傳輸速率問題：

????????很明顯上圖的縱坐標為電壓值，橫坐標就是時間了。無論起始位、數據為還是停止位、校驗位，每個比特在數據線上的時間決定了數據傳輸的速率。

????????串行通信用波特率(bit per second)來描述數據傳輸的速率，記作bps。

????????常見的波特率有1200、2400，4800，9600，115200等，表示每秒鐘傳輸的比特數。以9600為例，表明每秒能傳輸9600個比特。每個比特傳輸時所需的時間為1/9600秒=1.041*10-4秒。

三、三種串行通信方式在物理表現形式的不同

????????主機間通信無論采用并行還是串行方式，都無法避免一個物理現象：導線內阻不為零造成的電壓衰減。以之前討論的TTL電平為例，主機之間的距離會造成高電平在接收端出現衰減現象和串擾(指不同信號之間相互干擾導致信號失真)影響。

（一）TTL(Transistor-Transistor Logic)

????????TTL(Transistor-Transistor Logic)通常指的就是芯片引腳產生的電壓，這個電壓值跟選擇的芯片有關，在51單片機系統下是5v；在2440下是3.3v等等。5vTTL通信距離通常被限制在10~20米之間。（使用TTL方式進行數據傳輸距離受到很大限制）

? ? ? ? 邏輯0：0V低電壓

? ? ? ? 邏輯1：取決于芯片本身（供電電壓）

（二）RS232標準

????????5vTTL通信距離通常被限制在10~20米之間，如果需要更遠的距離，怎么解決呢？為解決這個問題IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)頒布了RS232標準，其中規定了：

邏輯高電平（邏輯1）：在-3V到-15V之間

邏輯低電平（邏輯0）：在+3V到+15V之間

收發主機間有三根線，分別是收、發和地，因此RS232是全雙工的。

理論上RS232能夠傳輸20~30米。

（三）RS485標準

????????同理RS485使用兩根信號線（A和B）來傳輸數據，通過比較A和B之間的電壓差來識別信息，電壓范圍分別為+7V到+12V和-7V到-12V。正電壓表示高電平,負電壓表示低電平。這種差分信號傳輸方式提高了抗干擾能力。RS485的傳輸距離可達1200米，適用于大范圍的數據傳輸需求。由于采用的是壓差，RS485在傳輸數據的某一時刻，兩根線都要用到，所以它是半雙工的。

比較A和B之間的電壓差：

????????邏輯1：+7V到+12V

? ? ? ? 邏輯0：-7V到-12V