串口知识复盘

Tutorial: 电子电路 Category: 嵌入式 Published: 2026-08-29 08:09:36 Views: 0 Likes: 0 Comments: 0

053.6.9 串口知识复盘

#include "reg52.h"
#include <intrins.h>

typedef unsigned char uchar;
typedef unsigned int uint;

uint count = 0;
uchar recv;

sbit LED1 = P1^0;
sbit LED2 = P1^1;
sbit LED3 = P1^2;
sbit LED4 = P1^3;
sbit BEEP = P1^6;
sbit JDQ1 = P2^0;

void Delay_xms(uint xms) //@11.0592MHz
{
    uchar data i, j;

    while (xms)
    {
        _nop_();
        i = 2;
        j = 199;
        do
        {
            while (--j);
        } while (--i);
        xms--;
    }
}

void UART_Send_Byte(uchar send_byte)
{
    SBUF = send_byte;
    while (TI == 0);
    TI = 0;
}

void UART_Send_Str(uchar *send_str)
{
    while (*send_str != '\0')
    {
        UART_Send_Byte(*send_str++);
    }
}

void main()
{
    SCON = 0x50;
    PCON &= 0x7F;
    TMOD &= 0x0F;
    TMOD |= 0x20;
    TH1 = 0xFD;
    TL1 = 0xFD;
    TR1 = 1;
    ES = 1;
    EA = 1; // 打开总中断

    while (1)
    {
        for (count = 0; count < 26; count++)
        {
            UART_Send_Byte('a' + count);
        }

        UART_Send_Byte('\n');
        UART_Send_Str("i am wfeng!\r\n");
        Delay_xms(1000);
    }
}

/*****************
串口的中断处理函数
*****************/
void UART_Routine(void) interrupt 4
{
    if (RI == 1)
    {
        RI = 0;
        recv = SBUF;
        switch (recv)
        {
            case 0x01:
                LED1 = 0;
                break;
            case 0x02:
                LED2 = 0;
                break;
            case '3':
                LED3 = 0;
                break;
            case '4':
                LED4 = 0;
                break;
            case 0x05:
                P1 |= 0x0F;
                break;
            case 0x06:
                BEEP = 0;
                break;
            case 0x07:
                BEEP = 1;
                break;
            case 0x08:
                JDQ1 = 0;
                break;
            case 0x09:
                JDQ1 = 1;
                break;
            default:
                break;
        }
    }
}

一、串口知识复盘

1.1 数据发送和接收

UART是异步串行通信接口。“异步”表示通信线中不额外传送时钟，发送方和接收方事先约定波特率、数据位、校验位和停止位，再按照各自的时钟对数据进行发送和采样；“串行”表示一个字节不是同时从8根线送出，而是在一根数据线上逐位传输。

51单片机的串口可以同时发送和接收，即全双工通信：

51单片机                                  USB转TTL或另一台设备

P3.1 / TXD  ───────────────────────────>  RXD
P3.0 / RXD  <───────────────────────────  TXD
GND         ────────────────────────────  GND

TXD必须接对方的RXD，RXD必须接对方的TXD，两边还要共地。这里讨论的是TTL电平UART，不能把单片机引脚直接接到传统RS-232电平接口；RS-232使用不同的电压范围和极性，需要专用电平转换芯片。

视频展示的是串口内部功能框图，它用于说明各模块的作用和信号方向，不等同于开发板上每一只电阻、晶体管的实际原理图。可以把框图整理为下面这条完整链路：

flowchart LR
    CPU[CPU] -->|写SBUF| TB[发送缓冲器]
    TB --> TS[发送移位寄存器与控制器]
    CLK[定时器1溢出与分频电路] --> TS
    TS --> TXD[TXD / P3.1]
    RXD[RXD / P3.0] --> RS[接收移位寄存器与采样控制器]
    CLK --> RS
    RS --> RB[接收缓冲器]
    RB -->|读SBUF| CPU
    TS -->|一帧发送完毕| TI[TI置1]
    RS -->|一帧接收完毕| RI[RI置1]
    TI --> OR[串口中断请求]
    RI --> OR

虽然程序只看到一个特殊功能寄存器名 SBUF，芯片内部实际上有两个独立缓冲器：

写 SBUF ──> 发送缓冲器 ──> 发送移位寄存器 ──> TXD

读 SBUF <── 接收缓冲器 <── 接收移位寄存器 <── RXD

因此，读写 SBUF 的含义由操作方向决定：

SBUF = data;：把待发送字节写入发送缓冲器，并启动硬件发送。
data = SBUF;：从接收缓冲器读出已经收完的字节。
串口可以在发送一个字节的同时接收另一个字节，两条硬件通路互不等同。
接收端具有缓冲能力，但不是无限容量的队列；前一个字节长期不读，后续连续数据仍可能覆盖或丢失。

在本程序使用的串口方式1中，一帧采用常见的 8N1 格式，共10位：

线路空闲    起始位     8个数据位，低位先发                         停止位
   1          0       D0  D1  D2  D3  D4  D5  D6  D7                 1
──────────┐      ┌──────────────────────────────────────────────────────
          └──────┘

例如字符 a 的字节值是 0x61，二进制写成 0110 0001。UART从最低位 D0 开始发送，所以数据位在线路上的先后顺序是：

字节表示（D7→D0）：0 1 1 0 0 0 0 1
实际发送（D0→D7）：1 0 0 0 0 1 1 0

完整帧：起始位0 | 1 0 0 0 0 1 1 0 | 停止位1

接收控制器先检测起始位，再在约定的时间位置采样每个数据位；收满一帧后，把字节送入接收缓冲器并置位 RI。这也是双方波特率必须一致的原因：采样时刻逐渐偏离位中心，就会读到错误数据或停止位错误。

1.1.1 知识要点

部件或标志	作用	软件操作
`TXD / P3.1`	串口发送引脚	硬件按位输出发送帧
`RXD / P3.0`	串口接收引脚	硬件从该引脚采样接收帧
`SBUF`写操作	装入待发送字节	`SBUF = data;`
`SBUF`读操作	取出已接收字节	`data = SBUF;`
`TI`	一帧发送完成标志	硬件置1，软件清0
`RI`	一帧接收完成标志	硬件置1，软件清0
定时器1	在方式1中提供波特率基准	设置 `TMOD、TH1、TL1、TR1`
`SCON`	选择串口模式并控制接收	本程序写入 `0x50`
`PCON.SMOD`	控制波特率是否加倍	本程序清0，不加倍

SCON = 0x50 即二进制 0101 0000：

位	名称	本程序值	含义
7	`SM0`	0	与 `SM1`共同选择串口方式1
6	`SM1`	1	8位UART、可变波特率
5	`SM2`	0	不启用多机通信筛选
4	`REN`	1	允许接收
3	`TB8`	0	方式1中不作为第9数据位使用
2	`RB8`	0	接收后可保存停止位状态
1	`TI`	0	初始化时无发送完成标志
0	`RI`	0	初始化时无接收完成标志

TI和RI共用51单片机的串口中断入口 interrupt 4。硬件置位标志并不代表CPU一定会进入中断，还必须同时满足：

(RI = 1 或 TI = 1) 且 ES = 1 且 EA = 1

进入串口中断后，硬件不会自动替程序清除 RI/TI，软件必须判断中断原因并清零相应标志。本程序用中断处理接收、用轮询等待发送完成；如果以后采用全中断式发送，串口中断函数也要增加 TI 分支，并用发送缓冲区管理连续数据。

配套程序的执行过程是：

主循环依次发送字符 a～z。
接着发送 \n，再发送字符串 i am wfeng!\r\n。
延时约1秒后重复发送。
收到外部字节后触发串口中断，switch根据字节值控制LED、蜂鸣器或继电器。

1.1.2 波特率计算初值

波特率表示每秒传输的符号数。在本讲的二进制UART中，一个符号只承载一个比特，所以9600 Baud可以近似理解为9600 bit/s。它不等于每秒9600字节：8N1每个有效字节还包含起始位和停止位，连续传输的理论上限约为：

$ \frac{9600\ \text{bit/s}}{10\ \text{bit/byte}}=960\ \text{byte/s} $

本程序以定时器1方式2产生波特率：

PCON &= 0x7F; // SMOD=0，波特率不加倍
TMOD &= 0x0F; // 清除定时器1的模式位
TMOD |= 0x20; // 定时器1方式2，8位自动重装
TH1 = 0xFD;   // 自动重装值
TL1 = 0xFD;   // 第一次计数的起始值
TR1 = 1;      // 启动定时器1

定时器1方式2中，TL1负责递增计数，溢出后硬件自动把 TH1复制回 TL1。因此只需设置一次 TH1，以后每次溢出都能保持相同周期。

1.1.2.1 常用波特率与定时器

本讲的计算建立在以下前提上：

晶振频率 fosc = 11.0592 MHz；
单片机按传统8051的12T定时器时钟计算；
串口方式1；
定时器1采用方式2自动重装；
SMOD = 0，波特率不加倍。

在这些条件下，TH1 = 0xFD对应的是 9600 bit/s。0xFD不是固定代表某个波特率；晶振频率、单片机的1T/6T/12T模式、串口模式或 SMOD变化后，结果都会变化。

11.0592 MHz常用于经典51串口，是因为它能够被12、32以及多种整数重装周期整除，容易得到误差为0的常用波特率：

目标波特率	`SMOD`	每次溢出的计数次数 `N`	`TH1 = 256-N`
1200	0	24	`0xE8`
2400	0	12	`0xF4`
4800	0	6	`0xFA`
9600	0	3	`0xFD`
19200	1	3	`0xFD`

上表仅适用于列出的条件。STC89系列还可能支持6T模式或增强型波特率发生器，实际项目应先确认芯片时钟模式和使用的波特率源，不能机械照抄 0xFD。

1.1.2.2 复盘公式

第一步：求定时器1的计数频率

按12T模式计算，一个机器周期包含12个晶振周期，定时器每个机器周期加1：

$ f_{timer}=\frac{f_{osc}}{12} =\frac{11.0592\ \text{MHz}}{12} =921.6\ \text{kHz} $

所以定时器真正加1所需的时间为：

$ t_{count}=\frac{1}{921600}\approx1.085\ \mu s $

第二步：求 0xFD到溢出的计数次数

0xFD = 253，8位计数器的模数是256：

$ N=256-TH1=256-253=3 $

计数过程如下：

装入 0xFD
    │ 第1次计数
    ▼
   0xFE
    │ 第2次计数
    ▼
   0xFF
    │ 第3次计数
    ▼
   0x00，产生溢出 ──> 硬件立即把TH1的0xFD重装到TL1

因此定时器1的溢出频率为：

$ f_{overflow}=\frac{f_{osc}}{12(256-TH1)} =\frac{11059200}{12\times3} =307200\ \text{Hz} $

第三步：经过串口波特率分频

串口方式1使用定时器1时：

$ \text{Baud}=\frac{2^{SMOD}}{32}\times f_{overflow} $

SMOD=0时：

$ \text{Baud}=\frac{1}{32}\times307200=9600\ \text{bit/s} $

合并后得到通用公式：

$ \boxed{\text{Baud}=\frac{2^{SMOD}}{32}\times \frac{f_{osc}}{12(256-TH1)}} $

反过来求重装值：

$ \boxed{TH1=256-\frac{2^{SMOD}f_{osc}} {384\times\text{Baud}}} $

代入本讲参数：

$ TH1=256-\frac{11059200}{384\times9600} =256-3=253=0xFD $

视频框图把 /32画成 /2和 /16两级。SMOD=0时二者相乘仍是 /32，所以也可以交换运算顺序：

$ \frac{11.0592\ \text{MHz}}{12\times2\times16} =28.8\ \text{kHz} $

$ \frac{1}{28.8\ \text{kHz}}\approx34.722\ \mu s $

$ 34.722\ \mu s\times3\approx104.167\ \mu s =\frac{1}{9600} $

这种算法在数值上完全等价，但 34.722 μs已经包含了UART的 /32分频，不能称为“定时器每加1所需的时间”。定时器每加1约需 1.085 μs；计3次溢出约需 3.255 μs，再经过 /32折算后，才得到约 104.167 μs的UART位周期。

1.1.3 ASCII与HEX的本质

串口线上只传输高低电平表示的字节，不会额外携带“这是ASCII”或“这是HEX”的标签。ASCII和HEX通常只是串口助手对同一批字节采用的输入、显示方式：

ASCII发送：把键盘输入的字符编码成字节。例如输入 3，发送 0x33。
HEX发送：把输入文字当成十六进制字节。例如输入 03，发送 0x03。
ASCII接收显示：把收到的字节按字符解释，例如 0x61显示为 a。
HEX接收显示：把收到的字节按十六进制数显示，例如 0x61显示为 61。

实际字节：         0x61       0x62       0x7A       0x0A
ASCII显示：          a          b          z         换行
HEX显示：           61         62         7A          0A

字节始终相同，变化的是软件如何解释和显示它。

标准ASCII是7位编码，范围为 0x00～0x7F。其中既包含可见字符，也包含换行、回车等控制字符。中文通常采用UTF-8、GBK等多字节编码，不属于基础ASCII范围。

1.1.3.1 ASCII表

字符或控制码	十进制	十六进制	8位二进制	说明
`'0'`	48	`0x30`	`00110000`	字符0，不是数值0
`'3'`	51	`0x33`	`00110011`	字符3，不是数值3
`'A'`	65	`0x41`	`01000001`	大写字母A
`'a'`	97	`0x61`	`01100001`	小写字母a
`'b'`	98	`0x62`	`01100010`	小写字母b
`'i'`	105	`0x69`	`01101001`	小写字母i
`'z'`	122	`0x7A`	`01111010`	小写字母z
`LF / '\n'`	10	`0x0A`	`00001010`	换行
`CR / '\r'`	13	`0x0D`	`00001101`	回车

1.1.3.1.1 例题: ASCII码实验

主循环首先执行：

for (count = 0; count < 26; count++)
{
    UART_Send_Byte('a' + count);
}

'a'的值为 0x61，循环变量依次加 0～25，因此发送出的字节依次对应字符 a～z。随后程序又发送：

UART_Send_Byte('\n');
UART_Send_Str("i am wfeng!\r\n");

接收区选择ASCII显示时可看到：

abcdefghijklmnopqrstuvwxyz
i am wfeng!

选择HEX显示时，同一段数据的主要字节为：

61 62 63 ... 78 79 7A 0A
69 20 61 6D 20 77 66 65 6E 67 21 0D 0A

其中：

61对应 a，62对应 b，7A对应 z；
0A是换行符 LF，不是字母 i；
69才是小写字母 i；
20是空格；
字符串末尾的 0D 0A是常见的 CR LF回车换行组合。

HEX显示中的 61表示一个字节 0x61。它不是十进制61，也不是两个ASCII字符 '6'和 '1'；只有把HEX输入框中的 61按十六进制解析后，才会生成一个值为 0x61的字节。

1.1.3.2 字符与数字的区别

C语言中的数字常量、字符常量和字符串并不是一回事：

C语言写法	含义	典型字节值
`3`	十进制整数3	`0x03`
`0x03`	十六进制整数3	`0x03`
`'3'`	ASCII字符3	`0x33`
`"3"`	字符串，由字符3和结束符组成	`0x33 0x00`

所以，下面两个条件不会匹配同一个接收字节：

case 0x03: // 要求收到数值字节0x03，串口助手应使用HEX发送03
case '3':  // 要求收到ASCII字节0x33，串口助手应使用ASCII发送3

1.1.3.2.1 例题: 字符发送实验

视频演示结束时，第三、第四个分支使用字符常量：

case '3':
    LED3 = 0;
    break;
case '4':
    LED4 = 0;
    break;

相应现象如下：

串口助手发送设置	输入内容	实际发出的字节	匹配结果
ASCII	`3`	`0x33`	匹配 `case '3'`，LED3点亮
HEX	`33`	`0x33`	同样匹配 `case '3'`
HEX	`03`	`0x03`	不匹配 `case '3'`
ASCII	`4`	`0x34`	匹配 `case '4'`，LED4点亮
HEX	`05`	`0x05`	匹配 `case 0x05`，四个LED熄灭
ASCII	`5`	`0x35`	不匹配 `case 0x05`

当前示例故意保留了两类命令：'3'/'4'按ASCII字符匹配，其余 0x01、0x02、0x05～0x09按数值字节匹配。这有助于观察两种发送方式的差异，但正式设计通信协议时，应统一命令格式。例如决定使用ASCII命令，就全部使用 '1'～'9'；决定使用二进制命令，就全部使用 0x01～0x09，并在协议文档中明确规定。

排查“发送了3却没有执行”的问题时，不要只看界面里显示的字符，应按以下顺序检查：

串口助手当前是ASCII发送还是HEX发送；
实际发送字节究竟是 0x33还是 0x03；
程序比较的是 '3'还是 0x03；
接收显示模式只是改变显示方式，不能改变已经收到的字节。

1.2 思维导图知识总结

本讲围绕三个核心问题完成串口复盘：

数据如何发送和接收：CPU通过写、读 SBUF使用物理分开的收发缓冲器，硬件按位完成UART帧的发送与采样，TI/RI报告完成状态。
9600波特率如何得到 0xFD：在11.0592 MHz、12T、定时器1方式2、SMOD=0的条件下，每次溢出计3个机器周期，再经UART /32分频，得到9600 bit/s。
ASCII与HEX的本质是什么：线路上传的是同一个个字节，ASCII和HEX只是输入解析与接收显示方式；字符 '3'是 0x33，数值3是 0x03。

把这三个问题串起来，就能形成完整认识：波特率决定“何时采样”，UART帧决定“怎样逐位传输”，SBUF和 RI/TI负责“怎样与程序交换数据”，而ASCII或HEX决定“人怎样输入和观察这些字节”。

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