現實生活中， 我們總是要與人打交道，互通有無。單片機也一樣，需要跟各種設備交互。例如汽車的顯示儀表需要知道汽車的轉速及電動機的運行參數，那么顯示儀表就需要從汽車的底層控制器取得數據。而這個數據的獲得過程就是一個通信過程。類似的例子還有控制器通常是單片機或者PLC與變頻器的通信。通信的雙方需要遵守一套既定的規則也稱為協議，這就好比我們人之間的對話，需要在雙方都遵守一套語言語法規則才有可能達成對話。

通信協議又分為硬件層協議和軟件層協議。硬件層協議主要規范了物理上的連線，傳輸電平信號及傳輸的秩序等硬件性質的內容。常用的硬件協議有串口，IIC， SPI， RS485， CAN和 USB。軟件層協議則更側重上層應用的規范，比如modbus協議。

好了，那這里我們就著重介紹51單片機的串口通信協議，以下簡稱串口。串口的6個特征如下。

（1）、物理上的連線至少3根，分別是Tx數據發送線，Rx數據接收線，GND共用地線。
（2）、0與1的約定。RS232電平，約定﹣5V至﹣25V之間的電壓信號為1，﹢5V至﹢25V之間的電壓信號為0 。TTL電平，約定5V的電壓信號為1，0V電壓信號為0 。CMOS電平，約定3.3V的電壓信號為1，0V電壓信號為0 。其中，CMOS電平一般用于ARM芯片中。
（3）、發送秩序。低位先發。
（4）、波特率。收發雙方共同約定的一個數據位（0或1）在數據傳輸線上維持的時間。也可理解為每秒可以傳輸的位數。常用的波特率有300bit/s, 600bit/s, 2400bit/s, 4800bit/s, 9600bit/s。
（5）、通信的起始信號。發送方在沒有發送數據時，應該將Tx置1 。 當需發送時，先將Tx置0，并且保持1位的時間。接受方不斷地偵測Rx，如果發現Rx常時間變高后，突然被拉低（置為0），則視為發送方將要發送數據，迅速啟動自己的定時器，從而保證了收發雙方定時器同步定時。

（6）、停止信號。發送方發送完最后一個有效位時，必須再將Tx保持1位的時間，即為停止位。

好了，理論暫時到這里，現在我們要做一個實驗，將一個字節從51單片機發送到電腦串口調試助手上。這個實驗的目的是為了掌握串口通信協議的收發過程。

虛擬串口

實驗一、虛擬串口實驗

一般單片機都有專門的串口引腳，51里面分別是P3.0和P3.1，這些引腳擁有串口的硬件電路，因此使用它們并不需要設置信號的發送停止。為了掌握協議，我們使用其他的引腳來模擬串口，所以也叫虛擬串口。這里我們選用P1.0，然而注意到我們51單片機要發送數據給電腦，必須經過一個串口轉USB設備（即TTL電平轉換為RS232電平），而限于我們的開發板只有P3.0與P3.1連接到了串口轉USB設備，所以我們可以將P1.0短接到P3.1 。 下圖是這個串口轉USB的原理圖。

好了直接上代碼吧。

1. #include "reg51.h"  

2. /* 

3.   將P1.0虛擬成串口發送腳TX 

4.   以9600bit/s的比特率向外發送數據 

5.   因為波特率是    9600bit/s 

6.   所以me發送一位的時間是 t=1000000us/9600=104us 

7. */            

8. sbit TX=P3^1; //P1^0 output TTL signal, need to transferred to rs232 signal, can be connected to P3^1  

9. #define u16 unsigned int //宏定義  

10. #define u8 unsigned char  

11. u8 sbuf;  

12. bit ti=0;  

13.   

14. void delay(u16 x)  

15. {  

16.     while(x--);  

17. }  

18. void Timer0_Init()  

19. {  

20.     TMOD |= 0x01;  

21.     TH0=65440/256;  

22.     TH0=65440%256;  

23.     TR0=0;  

24. }  

25.   

26. void Isr_Init()  

27. {  

28.     EA=1;  

29.     ET0=1;  

30. }  

31.   

32. void Send_Byte(u8 dat)  

33. {  

34.     sbuf=dat;//通過引入全局變量sbuf，可以保存形參dat  

35.     TX=0; //A 起始位  

36.     TR0=1;  

37.     while(ti==0);    //等待發送完成  

38.     ti=0; //清除發送完成標志  

39. }  

40.   

41. void TF0_isr() interrupt 1     //每104us進入一次中斷  

42. {  

43.     static u8 i; //記錄進入中斷的次數  

44.   

45.     TH0=65440/256;  

46.     TL0=65440%256;  

47.     i++;  

48.     if(i>=1 && i<=8)  

49.     {  

50.         if((sbuf&(1<<(i-1)))==0)  // (sbuf&(1<<(i-1)))表示取出i-1位  

51.         {  

52.             TX=0;  

53.         }  

54.         else  

55.         {  

56.             TX=1;  

57.         }  

58.     }  

59.     if(i==9)  //停止位  

60.     {  

61.         TX=1;  

62.     }  

63.     if(i==10)     

64.     {  

65.         TR0=0;  

66.         i=0;  

67.         ti=1; //發送完成  

68.     }  

69. }  

70.   

71. void main()  

72. {  

73.     TX=1; //使TX處于空閑狀態  

74.     Timer0_Init();  

75.     Isr_Init();  

76.     while(1)  

77.     {  

78.         Send_Byte(65); //0x41  

79.         delay(60000);  

80.     }  

81. }  

實驗引入了定時器0來控制發送線上的各個位的保持時間。首先main函數進入，TX置1則使發送線處于空閑，這時候發送方和接受方都處于空閑。接下來初始化定時器0，TR0置0表示還不要啟動定時器0。接著中斷系統初始化，此時中斷系統已經開啟。進入while循環，先進Send_Byte()函數，將65傳給形參dat，dat再將65賦值給sbuf，到這里準備工作就做好了。接著TX置0，這個是起始位，要保持這個起始位104us。于是就啟動定時器TR0置1，計時器開始計數。當第一次溢出的時候，也就是過了104us，進入中斷，同時接收方也偵測到了這個突然被拉低的信號，于是迅速啟動自己的定時器。進入中斷子函數后，先是重裝定時器初值，然后i加1，也就是當i＝1時，就應該發送數據的最低位了，總共有8位數據，所以使用條件語句if(i>=1 && i<=8)來判斷是否發送完數據位。然后再通過if(i==9) 來發送停止位，最后當i=10時，也就是發送完了，這時候要關閉定時器（那么程序也就），同時i置0，ti置1（才能跳出while(ti==0)循環），最后將ti置0，保證下次要發送字節時讓程序停留在while(ti==0)。

片上串口

以上說的是虛擬串口，上文中談到與串口相關的引腳P3.0與P3.1，事實上51單片機自帶片上串口，那這個串口又該怎么使用呢？

片上串口支持同步模式與異步模式。簡單來說同步模式就是指有時鐘線，而異步模式無時鐘線。這里的時鐘線是指在同步通信時，用一根線專門傳輸時鐘信號，這個信號用來與要發送的每一位保持同步，這樣就避免了例如異步通信中因為采用定時器而引入的時間誤差。

片上串口還支持8位模式和9位模式。如下圖所示

其中D0-D7是一個字節的8個位。9位模式只是多了一個位TB8，這個TB8的作用是奇偶校驗或多機通信。奇偶校驗原理這不加分析。多機通信時比如主機只發送數據給網絡中的一臺地址為0x02的設備，這時候先讓TB8為1，前面的D0-D7則為地址即0x02，之后再讓TB8為0，前面的D0-D7則為數據了。

上面設置了片上串口的模式，另外還要設置串口的波特率。

片上串口的波特率等于定時器1工作在方式2時溢出率的32分頻。如果要定時器1工作在方式2，那么TMOD＝0x20。另外要保證為32分頻，我們還必須設置計數器初值。設晶振為11.0592Mhz，則定時器的計數脈沖為F＝f/12，則定時器每計一個脈沖的時間為T＝12/f。又令計數器的起點為x，則溢出一次要計的脈沖數為（256－x）。所以在計數起點為x時，溢出一次的時間為t＝12/f*（256－x）。則對應的溢出率為1/t＝f/（12*（256－x））。對應的波特率就為b＝f/（384*（256－x））。

x＝256－f/(384*b)

其中f為晶振頻率，b為希望的波特率，x為定時器的計數起點TH1的值。

例如當晶振為11.0592M，希望波特率為9600bit/s，則TH1＝253。題外話，我們同樣可以演算出在其他常用波特率情況下，TH1始終為一個整數。這里也就解釋了為什么51里面選用了11.0592M的晶振而不是12M，這樣就保證了串口的時序更加準確，雖然犧牲了定時器的準確度。

實驗二，片外串口發送一個字節。

好了現在開始我們的實驗之旅。直接看代碼吧。

1. #include "reg51.h"  

2. #define u16 unsigned int  

3. #define u8 unsigned char  

4.   

5. void delay(u16 x)  

6. {  

7.     while(x--);  

8. }  

9.   

10. void Uart_Init() //串口初始化  

11. {  

12.     SCON=0x50; //8位異步模式  

13.     TMOD|=0x20; //定時器1工作方式2  

14.     TH1=253;//9600bit/s  

15.     TR1=1;  

16. }  

17.   

18. void Send_Byte(u8 dat)  

19. {  

20.     SBUF=dat; //啟動發送，只需要把發送內容給SBUF這個寄存器  

21.     while(TI==0); //等待發送完成，因為TI為1時表示在發送停止位  

22.     TI=0;  

23. }  

24.   

25. void main()  

26. {  

27.     Uart_Init();  

28.     while(1)  

29.     {  

30.        Send_Byte('m');  

31.        delay(60000);  

32.     }  

33. }  

實驗二較之實驗一，代碼減少了很多，而且不用考慮繁瑣的位發送時序。只需要明白各個寄存器SCON，TMOD，TCON，SBUF的用法。TI是SCON中的第一位，為發送中斷請求標志位。在本方式中，在停止位開始發送時由內部硬件置位，響應中斷后TI必須又軟件清零。

實驗三、片上串口發送一個字符串

上面介紹了如何發送一個字節，那如何發送一個字符串甚至文本呢？這里我們首先介紹下字符串的概念。

字符串：從存儲器的某個地址開始，連續存放多個字符的ASCII碼，并且在最后一個字符的后面存放一個0，這段連續的內存空間就叫字符串，最后的0叫字符串的結束符。注意這里的0和加單引號的0不是一個概念，加單引號的0是指0的ASCII碼。

數組與字符串的關系：字符串是數組的一種特殊情況，數組在特定條件下可當做字符串用。C語言用雙引號描述一個字符串，如“abcd”。

下面我們通過一個實驗來展示如何發送字符串。我們實驗的目標是打印字符串“Hello World ! 第一!”到打印機。直接上代碼。

1. #include "reg51.h"  

2. #define u16 unsigned int  

3. #define u8 unsigned char  

4.   

5. void delay(u16 x)  

6. {  

7.     while(x--);  

8. }  

9.   

10. void Uart_Init() //串口初始化  

11. {  

12.     SCON=0x50; //8位異步模式  

13.     TMOD|=0x20; //定時器1工作方式2  

14.     TH1=253;//9600bit/s  

15.     TR1=1;  

16. }  

17.   

18. void Send_Byte(u8 dat)    //串口發送一個字節  

19. {  

20.     SBUF=dat; //啟動發送，只需要把發送內容給SBUF這個寄存器  

21.     while(TI==0); //等待發送完成，因為TI為1時表示在發送停止位  

22.     TI=0;  

23. }  

24.   

25.  void Send_String(u8 *str)   //發送一個字符串  *str為字符串第一個字符的地址  

26.  {  

27.     abc:      //標號  

28.     if(*str != 0)  

29.     {  

30.         Send_Byte(*str);  

31.         str++;  

32.         goto abc;     

33.     }  

34.  }  

35.   

36. void main()  

37. {  

38.     Uart_Init();  

39.     while(1)  

40.     {  

41.        Send_String("Hello World! 第一！");  

42.        Send_Byte(10);  

43.        delay(60000);  

44.        delay(60000);  

45.     }  

46. }  

實驗效果