一、UART的基本概念

1.1 什么是UART？

UART（Unervisal Async Recveiver Transmitter）是一种全双工、异步、串行通信协议。它只需要两根信号线：

• TXD（Transmit Data）：发送数据线

• RXD（Receive Data）：接收数据线

• 

通信双方通过TXD和RXD交叉连接（即一方的TXD接另一方的RXD），实现数据的双向传输。

1.2 通信方式

        单工：通信时，数据接收方和发送方是固定的，通过一根信号线实现数据收发
数据传输的方向是单一的（只能由发送方发给接收方）

        半双工：通信时，数据接收方和发送方不是固定的（双方都可以发送或接收数据）
通过一根信号线实现数据收发，数据传输的方向可以是双向的（同一时刻，数据
传输的方向是单一的）

        例如：I2C：SCL 时钟线 SDA 数据线

全双工：通信时，数据接收方和发送方不是固定的（双方都可以发送或接收数据）
通过两根信号线实现数据收发，数据传输的方向是双向的
          例如：

           UART：串口发送数据时，遵循LSB 低位先行原则，先发送数据低位，再发送高位

           SPI：MOSI（Master output Slaver Input） MISO（Master Input Slaver Output） CS 片选线  SCLK 时钟线（四个共同组成SPI通信）

1.3 与CH340的关系

CH340（电平转换芯片）是一款常用的USB转串口芯片，它可以将电脑的USB信号转换为TTL电平的串口信号，从而实现电脑与单片机之间的串口通信。

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二、串行通信 vs 并行通信

特性	串行通信	并行通信
传输方式	一根信号线逐位传输	多根信号线同时传输多位
传输速度	相对较低	高
成本	低，硬件简单	高，需要多根线
抗干扰	较强（尤其是差分传输）	较差，容易受电磁干扰
传输距离	远（如RS485可达千米）	近（通常不超过30米）

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三、同步通信 vs 异步通信

• 同步通信：需要单独的时钟线（如SCLK）来同步数据，收发双方按照时钟节拍传输。优点是传输效率高，缺点是需要额外的时钟线。

• 异步通信：不需要时钟线，但双方必须约定相同的波特率（即每秒传输的位数），以此实现位同步。UART就是典型的异步通信。

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四、串口通信参数：

串口通信需要双方约定好以下参数，通常以类似“9600 8 N 1”的格式表示：

• 波特率：每秒传输的位数，单位bps。常见值：2400、4800、9600、115200等。

• 数据位：一帧中实际数据的位数，通常为8位（也可为5/6/7位）。

• 校验位：用于简单的错误检测，可选：

  • N（None）：无校验

  • O（Odd）：奇校验，奇校验值为'1'，若数据位中'1'的个数加上奇校验中的'1'，保持'1'的总个数为奇数个，则代表奇校验通过

  • E（Even）：偶校验，偶校验值为'0'，若数据位中'1’的个数加上偶校验中的'0'，保持'1‘的总个数为偶数个，则代表偶校验通过

• 停止位：一帧结束的标志，通常为1位（也可为1.5或2位）。

示例：9600 8 N 1 表示波特率9600，数据位8位，无校验，1位停止位。

9600波特率一秒传 9600/1+8+1（起始位+数据位+停止位） = 960个字节。

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五、常用电平标准

在实际应用中，根据通信距离和环境干扰，需要选择合适的电平标准。

标准	电平定义	特点	应用场景
TTL	高电平：5V（或3.3V） 低电平：0V	直接用于单片机引脚，传输距离短	板级通信，如单片机与传感器
RS232	逻辑1：-3V ~ -15V 逻辑0：+3V ~ +15V	负逻辑，抗干扰能力较强	早期电脑串口，点对点通信
RS485	差分信号：A-B > +200mV 为1 A-B < -200mV 为0	差分传输，抗共模干扰强，支持多机	工业现场，远距离（上千米）

注意：单片机通常输出TTL电平，如需与RS232设备通信，需使用MAX232等电平转换芯片；与RS485通信则需使用MAX485等转换芯片。

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六、数据校验方式

为了保证数据传输的可靠性，除了硬件校验位外，软件层面也常用以下校验方式：

6.1 奇偶校验（Parity Check）

• 奇校验：保证一帧数据（包括校验位）中1的个数为奇数。若原始数据中1的个数为奇数，则校验位置0；若为偶数，则校验位置1。

• 偶校验：保证1的个数为偶数。

• 局限：只能检测奇数个位错误，无法检测偶数个位错误，也无法纠正错误。

6.2 累加和校验（Checksum）

发送方将数据字节累加，取低8位作为校验和附在数据末尾；接收方同样累加，比对校验和。简单但冲突概率较高。

6.3 CRC校验（Cyclic Redundancy Check）

循环冗余校验，通过多项式除法计算校验码，检错能力强，广泛应用于网络和存储。

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七、51单片机串口编程基础

7.1 相关寄存器

• SBUF：串口数据缓冲寄存器，写SBUF即启动发送，读SBUF即获取接收到的数据。

• SCON：串口控制寄存器，用于设置工作方式、允许接收等。

• PCON：电源控制寄存器，其SMOD位可控制波特率加倍。

• TMOD：定时器模式寄存器，用于设置定时器1作为波特率发生器。

• TH1/TL1：定时器1的初值寄存器，用于产生波特率。

7.2 波特率计算

以定时器1作为波特率发生器为例，常用模式2（8位自动重装）。波特率计算公式为：

波特率 = (2^SMOD / 32) × (定时器1溢出率)

其中定时器1溢出率 = 晶振频率 / (12 × (256 - TH1))

假设晶振11.0592MHz，设置SMOD=0(不加倍)，波特率=9600，则：

9600 = (1/32) × (11059200 / (12 × (256 - TH1)))
解得：TH1 = 256 - 11059200 / (12 × 32 × 9600) ≈ 256 - 3 = 253 (0xFD)

若需2400bps，则TH1=232（SMOD=1）。

7.3 定时器1初始化代码示例

// 串口初始化
void uart_init(void)
{
	// 1. 配置串口工作模式:SM0 0 SM1 1 8位UART模式
	SCON &= ~(3 << 6);
	SCON |= (1 << 6);    // SM1
	SCON &= ~(1 << 7);   // SM0
	    	
    // 2. 允许串口接收数据
	SCON |= (1 << 4);

	// 3. PCON 波特率加倍
	PCON &= ~(3 << 6);
	PCON &= ~(1 << 6);
	PCON |= (1 << 7);

	// 4. 配置定时器1工作模式:8位自动重装载
	TMOD &= ~(0x0F << 4);   
	TMOD |= (1 << 5);

	// 5. 设置定时器1初值:2400bps
	TL1 = 232;
	TH1 = 232;

	// 6. 允许定时器1开始计数
	TCON |= (1 << 6);

	// 7. 允许CPU响应所有中断
	IE |= (1 << 7);

	// 8. 允许串口产生中断
	IE |= (1 << 4);
}

7.4 发送（轮询）与接收（zhon）

• 发送（轮询）：将数据写入SBUF，等待发送完成标志TI置1。

// 发送单个字符
void uart_sendchar(char ch)
{
	SBUF = ch;

	// 判断是否发送完8位数据
	while ((SCON & (1 << 1)) == 0);  //当T1为0是还在发送，为1是跳出循环即发送完成

	SCON &= ~(1 << 1);//手动把T1置为0
}

// 发送字符串
void uart_sendstr(const char *p)  	
{
   	while (*p)
	{
		uart_sendchar(*p++);
	}
}

// 发送指定长度数据
void uart_sendbuff(const char *p, int len)
{
	while (len--)
	{
		uart_sendchar(*p++);	
	}
	
}

• 接收（中断）：当RI置1时，从SBUF读取数据。

// 串口接收中断服务函数
void uart_handler(void)		interrupt 4
{
	if ((SCON & (1 << 0)) == 1)//接受完成后R1会置为1
	{
		if (pos < 32)
		{
			recv_buffer[pos++] = SBUF;
			recv_buffer[pos] = 0;
		}
	}
		
	SCON &= ~(1 << 0);//手动把R1置为0
}

注意：发送或者接收完成之后都要手动把T1或者R1置为0

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八、Modbus协议简介

Modbus是一种广泛应用于工业控制的应用层协议，基于主从架构，通常运行在串口上。

示例:

示例中校验码=前面字节的总和

我们假设功能码为：

01:控制led

02:控制数码管

03:控制蜂鸣器

04:温度采集

数据位用来调整该功能的各种设置

解码Modbus协议：

#define DEV_ADDRESS	0x01
// 解析获得功能码
int parse(void)
{
	int ret = 0;
	int i = 0;
	int sum = 0;
	
	if ((unsigned char)recv_buffer[0] == 0xAA && (unsigned char)recv_buffer[6] == 0xBB)
	{
		if ((unsigned char)recv_buffer[1] == DEV_ADDRESS)
		{
			 for (i = 0; i < 5; i++)
			 {
			 	sum += recv_buffer[i];
			 }
			 if (sum == recv_buffer[5])
			 {
			 	ret =  recv_buffer[2];
			 }
		}
	}	

	return ret;
}

注意：if（sum == recv_buffer[i]）这个条件不能使用unsigned char，因为如果相加的数大于两个字节，校验码只有两位如果是无符号会补0就和sum不一样大了

从机应答处理：

#define DEV_ADDRESS	0x01
void callback(void)//从机给主机发信息
{ 
	int i = 0;
	int sum = 0;
    xdata char send_buffer[10];
    
    memcpy(send_buffer,recv_buffer,7);//AA 01 01 42 00 EE BB
    send_buffer[2] |= (1<<7);    //0000 0001 |1000 0000  = 0x81
   
	
	if ((unsigned char)send_buffer[0] == 0xAA && (unsigned char)send_buffer[6] == 0xBB)
	{
		if ((unsigned char)send_buffer[1] == DEV_ADDRESS)
		{
			 for (i = 0; i < 5; i++)
			 {
			 	sum += send_buffer[i];
			 }
			
			send_buffer[5] = sum;
			
		}
	}	

    uart_sendbuff(send_buffer,7);
}

功能码的最高位是数据流向位功能码的最高位是数据流向位，所以应答把功能码最高位，置为1。

解码后通过switch（功能码recv_buffer[2]）来实现不同的功能，通过数据位1的值（recv_buffer[3]）来设置功能

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九、总结

        本文从UART的基础概念出发，详细介绍了串行通信的对比、通信参数、电平标准、校验方式，并结合51单片机给出了串口初始化和收发代码，最后简单介绍了Modbus协议。