案例5_串口通信及其应用

1、案例5-串口通信及其应用2014.11案例5-串口通信及其应用 远程监控(监测与控制)系统上位机实现：编辑、查询、统计、报表打印等管理功能;下位机实现： 监测：信号与数据采集等 控制等通信应用案例-多点温度采集通信应用案例-多点温度采集案例5-串口通信及其应用通信有线： RS232 、RS485、RS422、 CAN、 USB、以太网实验室调试：RS232工业上采用差分方式传输（RS485、CAN、以太网）无线：低速红外，高速红外(IrDA)、蓝牙(Bluetooth)、ZigBee 、无线局域网（WLAN）、蜂窝网络（GSM、CDMA、TD-SCDMA、WCDMA、 CDMA2000RS23

2、2 MAX232：5V MAX3232I：3.3VRS422/RS485 MAX485：5V MAX3485：3.3VCAN A82C250、 TJA1050 、 TJA1040 ：5V SN65HVD230：3.3VUSB以太网差分传输（RS485/422、CAN、以太网）无线数据传输无线数据传输无线模块 433M无线收发模块 CC1101传输距离： 开阔地200m以上2.4G nRF24L01P无线模块 收发模块传输距离：1000m以上串口转zigbee 无线模块 CC2530 传输距离： 1.6km MG323 GPRS/GSM模块IrDA无线红外-IrDA案例5-串口通信及其应用串行通

3、信标准RS232(RS232电平，通信距离10m)RS422/RS485(差分传输，传输距离5km,自定义通信机制)CAN(差分传输，传输距离5km，完善的通信机制)通信方式点对点点对多通信可靠性通信协议 多字节定长不定长校验方式 和校验 CRC校验RS232通信接口通信接口台式机:含RS232串口（COM1:9 Pin）笔记本：基本没有RS232，可通过USB转串口线实现DB9公头DB9母头RS232串口引脚RS232串口引脚功能脚位（Pin）简写功 能1CD载波侦测(Carrier Detect)2RXD接收字符(Receive)3TXD传送字符(Transmit)4DTR数据端备妥(Da

4、ta Terminal Ready)5GND地线(Ground)6DSR数据备妥(Data Set Ready)7RTS要求传送(Request To Send)8CTS清除以传送(C1ear To Send)9RI响铃侦测(Ring Indicator)三线制:交叉线PC机串口地址标准串口地址串口号串口地址中断号COM13F82COM22F81COM33E84COM42E8380518051串口串口AT89S51/52有一个可编程的全双工串口。可实现数据的异步收发:TXD端发送数据RXD端接收数据双工:即能发送又能接收 全双工:即能发送又能接收，且收发可同时进行 半双工:即能发送又能接收，但

5、收发不能同时进行单工:只能发或只能收RS232、RS422是全双工RS485、CAN是半双工串口通信格式-异步TTL、CMOS电平异步通信格式(通过一根信号线实现数据传输)串口线无数据时，保持高电平(1)START BIT :起始位(0)，发送基准信号DATA WORD :发送数据位(8位)，低位先发PARITY BIT :奇偶校验位（1位）STOP BIT :停止位（12位高电平）如图发送数据为：11001011B 即0 xCB波特率(bps:bit per second):每位发送的时间相等:这与通信波特率有关提高传输距离措施-RS232电平传输TTL、CMOS电平传输距离1m，超出1m容

6、易受干扰。可提高传输电压或差分方式提高抗干扰能力，有效提高传输距离。RS232电平：提高传输电压,在波特率为9600bps时，有效传输距离为10m左右。Ch1:CMOS电平 Ch2:RS232电平RS232电平定义0电平: +3V+15V1电平：-3V-15VCMOS电平定义0电平: 0V1电平：5V问题：如图所发数据？0011 0101B 0 x35波特率约为多少？RS232逻辑电平的定义0电平: +3V+15V1电平：-3V-15V TTL、CMOSRS232电平转换TTL、CMOSRS232电平转换电路RS232_RXDRS232_TXDTTL_CMOS_RXDTTL_CMOS_TXD提

7、高传输距离措施-差分传输将TTL、CMOS电平转成双路差分信号，通过双绞线传输，有效抑制共模干扰信号（提高传输距离）采用专用芯片实现电平转换。RS422、RS485、CAN都是采用该方式传输；在波特率为9600bps时，有效传输距离为5kmRS485/RS422接口电路MAX485驱动芯片引脚 DI:接收 RO：发送 RE#：接收使能 DE： 发送使能 A：差分同相 B：差分反相RE#、DE接在一起后接3V3：表示固定发送RE#、DE接RS485_C，可控发送接收 RS485_C=0:接收 RS485_C=1:发送CAN接口电路SJA1000T：CAN接口芯片，实现并行数据与CAN串行数据的互

8、转；A82C250 ：CAN电平转换芯片，实现TTL电平与差分电平互换A82C250、 TJA1050 、 TJA1040 ：5V SN65HVD230：3.3V若处理器内含CAN接口功能，则可省略SJA1000T差分保护电路由于差分传输距离长，容易受雷电的影响，造成电平转换芯片、甚至CPU损坏，因此现场应用时要有一定的硬件保护措施电压保护：TVS瞬态保护二极管SMBJ65CA（6.5V）电流保护：自恢复保险丝匹配电阻：在差分的最后一个终端信号间加一120欧姆的电阻，以解决串扰。RS485差分保护电路-光隔离RS485差分保护电路-光隔离差分保护电路-光隔离B0505S-1W:DC-DC模块D

9、C-DC电源电路信号与电源全隔离同步通信同步(synchronous):多一路同步时钟信号，传输速率高异步(asynchronous)8051串口 对应有两个缓冲器SBUF。（共用一个地址）串口数据接收b=SBUF;/取串口数据串口数据发送SBUF=a;/开始发送8051 串口发送SBUF=a；/串口发送开始，发送完成需要一段时间 以9600bps为例，1位数据的发送时间为1/9600秒=0.104ms，若按上图的11位格式发送完成一字节需11.5ms左右，因此发送后必须等待11.5ms以上才能执行下一次发送，否则会丢失数据；等待发送完成方法：可采用delay(N);方式延时，但此种方式对于N

10、的确定较困难，且不同的波特率，N的值又不一样；为此8051单片机引入了TI（发送完成标志），当发送完成后硬件自动使TI=1，这样只要等到TI标志即可认为发送完成。8051 串口发送与接收-查询方式串口发送SBUF=0 x35;while(TI=0);/等待发送完成TI=0;/清发送标志SBUF=0 x35;while(TI=0);/等待发送完成TI=0; /清发送标志TI：transfer interrupt发送结束标志串口接收while(RI=0);/等待接收完成RI=0;/清接收标志b=SBUF;/接收数据RI：receive interrupt接收结束标志8051 串口发送与接收-中断方

11、式8051串口发送与接收也可采用中断方式当串口接收完成或发送完成后，硬件自动产生中断标志(RI=1或TI=1) 此时若中断允许(ES=1且EA=1),程序会立即停止当前主程序,自动跳转到中断号为n=4的中断入口地址(8n+3=0 x0023)处执行中断服务程序，因为进入该中断有两种可能(TI=1或RI=1)，因此不能自动对中断标志清零(需判断是TI=1还是RI=1引起的中断); 此时若中断不允许(ES=0或EA=0),则不执行中断服务程序。8051 串口发送与接收-中断方式8051 串口编程-查询方式 【例1】如图所示上位机发送数据a，下位机接收后回a+1/串口初始化函数void Sbuf_I

12、nit(void) void main(void)unsigned char a; Sbuf_Init(); /串口初始化while(1)/串口数据接收while(RI=0); /等待接收完成RI=0; /清接收标志a=SBUF; /接收数据/串口数据发送SBUF=a+1; /串口发送while(TI=0); /等待发送完成TI=0; /清发送标志/KbScan();/LedDisplay();查询方式存在问题:下位机不知上位机何时发串口数据，若上位机一直不发，则之后的键盘扫描、数码显示程序无法执行。因此下位机应采用中断方式接收。8051 串口编程-中断方式 【例1】如图所示上位机发送数据a，

13、下位机接收后回a+1/中断服务程序void UART_ISR(void) interrupt 4 unsigned char a;if(RI)/接收产生的中断RI=0;/清接收标志a=SBUF; /接收数据/串口数据发送SBUF=a+1; /串口发送while(TI=0); /等待发送完成TI=0; /清发送标志 void main(void) Sbuf_Init(); /串口初始化while(1)/KbScan();/LedDisplay();8051 串口编程-中断方式 【例1】如图所示上位机发送数据a，下位机接收后回a+1在串口中断内采用查询方式发送，按9600bps算，需等待1ms左右

14、才能发送完成，占用中断时间较长，可将串口发送部分移到主程序执行。/中断服务程序unsigned char Rxd_Data;/串口接收数据unsigned char Rxd_Over;/串口接收完成标志void UART_ISR(void) interrupt 4 if(RI)/接收产生的中断RI=0;/清接收标志Rxd_Data=SBUF; /接收数据Rxd_Over=1;/置Rxd_Over标志 void main(void) Sbuf_Init(); /串口初始化while(1)if(Rxd_Over) /若接收完成/串口数据发送SBUF=a+1; /串口发送while(TI=0); /

15、等待发送完成TI=0;/清发送标志Rxd_Over=0; /清Rxd_Over标志/KbScan();/LedDisplay();8051 串口编程-初始化串口初始化 串口工作方式 SCON 波特率设置 TMOD TH1、TL1 ES、EA TR1/串口初始化函数void Sbuf_Init(void) SCON=; /串口工作方式/波特率设置 TMOD=;/T1工作方式 TH1=0 xfd; /T1计数初值 TL1=0 xfd;ES=1;EA=1;/串口中断使能 TR1=1; /启动定时器 8051 串口编程-初始化SM0、SM1:方式设置位 方式0:移位寄存器输入输出方式。数据通过RXD输

16、入出，TXD输出同步脉冲CP。该方式下，收发数据为8位，低位在前。波特率固定为fosc/12 方式1、方式3:波特率可设置，所不同是10位或11位(1位起始位+8位或9位数据位+1位停止位) 方式2、方式3:都是11位格式,但方式2波特率固定，方式3波特率可变。 波特率分析见下SM0SM1方式说 明波特率（bps）000同步移位寄存器fosc1201110位异步收发Baud=2SMOD(T1溢出率/32)10211位异步收发Baud=2SMODfosc6411311位异步收发Baud=2SMOD(T1溢出率/32)8051 串口编程-初始化SM2:多机方式控制位SM2=0:点对点SM2=1:点

17、对多REN(Receive Enable):串行接收允许控制位TB8(Transmit Bit 8):在方式2、3中,将被发送数据的第9位(奇偶校验位等);RB8(Receive Bit 8) :接收数据第9位 在方式0中,该位不起作用; 在方式1中该位为接收数据的停止位; 在方式2、3中为接收数据的第9位;TI、RI发送/接收结束标志位,中断内需手工清零。8051 串口编程-初始化SCON定义示例【例1】定义8051串口为10位波特率可设置的点对点方式 SCON=0 x50;/0101*00B【例2】定义8051串口为11位波特率可设置的点对点方式 SCON=0 xd0;/1101*00BS

18、M0SM1方式说 明波特率（bps）000同步移位寄存器fosc1201110位异步收发Baud=2SMOD(T1溢出率/32)10211位异步收发Baud=2SMODfosc6411311位异步收发Baud=2SMOD(T1溢出率/32)8051 串口编程-初始化波特率设置典型波特率 1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、57600bps、115200bps常用波特率 9600bps、19200bps、115200bps【例1】波特率位9600bps、115200bps，传输一位所需时间？传输一字节(10位)需时间？ 9600bps : 0.104

19、ms/位，1字节约1.04ms 115200bps: 8.68us/位， 1字节约86.8us【例2】若有1张1.44M字节的软盘，采用9600bps按10位方式进行传输，传输完成共需多少时间？ t1=1.44*1024*1024*10/9600秒=1570秒=26分钟 若采用115200bps t2= 1.44*1024*1024*10/115200秒=130秒8051 串口编程-初始化特特率设置8051单片机串口方式1、3为波特率可设置，计算公式为Baud=2SMOD(T1溢出率/32) / T1溢出率=1/ T1定时时间SM0SM1方式说 明波特率（bps）000同步移位寄存器fosc1

20、201110位异步收发Baud=2SMOD(T1溢出率/32)10211位异步收发Baud=2SMODfosc6411311位异步收发Baud=2SMOD(T1溢出率/32)foscnTTbaudSMODSMOD12*321*21*321*2321*2SMOD定时时间溢出率nfoscnfoscbaudSMODSMOD*384*212*32*2nfoscbaudSMOD*384:0 时nfoscbaudSMOD*192:1 时8051 串口编程-初始化特特率设置8051单片机串口方式1、3为波特率可设置，计算公式为nfoscbaudSMOD*384:0 时nfoscbaudSMOD*192:1

21、时n:定时器1计数次数以fosc=11.0592MHz为例，要实现9600bps的波特率，n=？n=fosc/384/9600=11059200/384/9600=3(整数)因此fosc=11.0592Mhz晶振的存在是合理的。8051 串口编程-初始化/串口初始化函数void Sbuf_Init(void) SCON=0 x50; /10位方式/波特率设置 TMOD=(TMOD&0 x0f)|0 x20;/T1方式2 TH1=0 xfd; /T1计数初值 TL1=0 xfd;ES=1;EA=1;/串口中断使能 TR1=1; /启动定时器 注意:T1方式2具有将TH1的8位计数初值自动

22、载入到TL1中功能；该自动载入是在溢出时由硬件自动完成的；T1必须要启动T1中断无需允许，这样溢出时就不进入Timer1_ISR()8051 串口编程-初始化特特率设置8051单片机串口方式1、3为波特率可设置，计算公式为nfoscbaudSMOD*384:0 时nfoscbaudSMOD*192:1 时以fosc=11.0592MHz为例，能否实现19200bps的波特率？n=fosc/384/19200=11059200/384/19200=1.5(小数)/不能因此8051单片机提供了PCON(电源控制寄存器)，其SMOD为波特率倍增控制位。注意:PCON不能位寻址。8051 串口编程-串

23、口初始化/fosc=11.0592MHz,9600bps/串口初始化函数9600bpsvoid Sbuf_Init(void) SCON=0 x50; /10位方式/波特率设置PCON=0 x00; /波特率不倍增 TMOD=(TMOD&0 x0f)|0 x20;/T1方式2 TH1=0 xfd; /T1计数初值 TL1=0 xfd;ES=1;EA=1;/串口中断使能 TR1=1; /启动定时器 /fosc=11.0592MHz,19200bps/串口初始化函数19200bpsvoid Sbuf_Init(void) SCON=0 x50; /10位方式/波特率设置PCON=0 x80

24、; /波特率倍增 TMOD=(TMOD&0 x0f)|0 x20;/T1方式2 TH1=0 xfd; /T1计数初值 TL1=0 xfd;ES=1;EA=1;/串口中断使能 TR1=1; /启动定时器 8051 串口编程-波特率计算/【问题】若8051单片机fosc=11.0592MHz,则其能实现的波特率有哪些？采用C语言编程实现。#include stdio.hvoid main(void) float baud;float fosc=11059200;int i;for(i=0;i8);uchCRCHi =crcvalueuIndex&0 xff;return (uchC

25、RCHi8 | uchCRCLo);void main(void)unsigned char Rxd_buf8=0 x01,0 x03,0 x02,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00;unsigned short int crc_value;crc_value=CRC16_S(Rxd_buf,6);/对Rxd_buf的前6字节求CRC16printf(%xt%xn,crc_value/256,crc_value%256);查表法CRC16校验CRC校验实现方法查表法（浪费空间）即时计算法（浪费时间）#include stdio.h/CRC16:即时计算法unsigned

26、 int CRC16_C(unsigned char *buf,unsigned char length)unsigned int crc_result=0 xffff;unsigned char i;while(length -)crc_result=*(buf+);for(i=0;i1)0 xa001;elsecrc_result=crc_result1;return (crc_result);void main(void)unsigned char Rxd_buf8=0 x01,0 x03,0 x02,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00;unsigned shor

27、t int crc_value;crc_value=CRC16_C(Rxd_buf,6);/对Rxd_buf的前6字节求CRC16printf(%xt%xn,crc_value/256,crc_value%256);即时计算法类ModBus通信协议-定长8字节CRC16通信#define MODBUS_ADDR 0 x01#define MODBUS_RD 0 x03#define MODBUS_WDATA1 0 x02unsigned char RxD_buf8;unsigned char RX_OVER;void UART_ISR(void) interrupt 4 static unsi

28、gned char count=0;static unsigned char pre_data=0;static unsigned char mid_data=0;static unsigned char now_data=0;/if(RI)now_data=SBUF;if(pre_data=MODBUS_ADDR & mid_data=MODBUS_RD & now_data=MODBUS_WDATA1)RxD_buf0 = pre_data;RxD_buf1 = mid_data;RxD_buf2 = now_data;count=3;elseRxD_bufcount =

29、now_data;count+;if(count=8)count=0;RX_OVER=1;pre_data = mid_data;mid_data = now_data; RI=0; 类ModBus通信协议-定长8字节CRC16通信void main(void) unsigned short int crc_value;Sbuf_Init(); /串口初始化while(1)if(RX_OVER)crc_value=CRC16_C(RxD_buf,6);if(RxD_buf6=crc_value%256&RxD_buf7=crc_value/256)/CRC16校验成功 RX_OVER=

30、0;通信调试方法-通信故障排查1、串口线连接问题没连接计算机串口线坏用一根导线将DB9的Pin2与Pin3短接，采用Scomm32串口调试工具发送数据，看是否有接收2、单片机硬件问题用示波器连接单片的TXD引脚，程序发送数据，看是否有CMOS、RS232波形，从而判断是否为硬件故障。3、软件问题串口通信方式串口通信方式 串口通信方式串口通信方式点对点点对点 PCPC机与机与MCUMCU（PCPC与智能仪表间的通信）与智能仪表间的通信） MCUMCU与与MCUMCU点对多：多机通信点对多：多机通信串口通信模式-单字节发送 单字节通信，上位机主动 上位机程序 串口通信工具：scomm32 自己编程

31、： 控件实现（VB） API函数实现（VC） 下位机程序 接收：中断方式 发送：查询方式PC机串口通信实现 两种方式实现控件MSCOMM32.OCX应用程序接口函数：API（OpenFile（）PC机串口通信（MSCOMM32.OCX）首先为工程添加MSCOMM32.ocx等控件添加如下代码：包括串口初始化，发送、接收等操作Private Sub Form_Load() If MSComm1.PortOpen Then MSComm1.PortOpen = False 关闭串口 MSComm1.CommPort = 1 设置串口1 MSComm1.Settings = 9600,N,8,1 设置串口波特率 MSComm1.InputMode = comInputModeBinary 设置串口通信模式-二进制模式 MSComm1.InputLen = 1 设置每次从输入缓冲区取出的字节数 If MSComm1.PortOpen = False Then MSComm1.PortOpen = True 打开串口End SubPC机串口通信（MSCOMM32.OCX）Public Sub Command1_Click() Dim ao(0 To 0) As Byte Dim av A