串行通信基础概念
串行通信是单片机和外部设备之间最基础也最常用的一种数据传输方式。在了解串行通信之前，我们需要先理解数据传输的两种基本模式：并行和串行。并行通信就像多车道的高速公路，可以同时传输多位数据；而串行通信则像单行道，数据需要排队一位一位地传输。虽然从原理上看，并行通信的速度似乎更快，但在实际应用中，串行通信往往是更优的选择。
让我们通过一个具体的例子来理解。
假设我们要传输一个字节的数据"10110011"：在并行传输中，需要8根数据线同时传输这8个比特；而在串行传输中，只需要一根数据线，按照"1→0→1→1→0→0→1→1"的顺序依次传输。虽然串行传输需要更多的时间，但它的优势在实际应用中变得非常明显。
串行通信优势
串行通信之所以在单片机领域如此普及，主要有以下几个核心原因：首先是硬件成本的大幅降低。相比并行通信动辄需要8根甚至16根数据线，串行通信通常只需要1-2根数据线就能完成通信任务。这不仅节省了单片机的IO口资源，还显著降低了电路板的设计复杂度和制造成本。
其次是抗干扰能力的提升。在实际应用环境中，数据线越多，受到电磁干扰的可能性就越大。串行通信由于数据线少，更容易做好信号的屏蔽和滤波处理。特别是在工业环境下，这种抗干扰特性显得尤为重要。同时，串行通信的另一大优势是传输距离可以做得更远。在相同的硬件投入下，串行通信可以实现更远距离的稳定传输，这在很多实际应用场景中都是非常重要的特性。
在串行通信中，我们还需要关注数据的同步问题。串行通信可以分为同步通信和异步通信两种方式。同步通信需要额外的时钟信号线来协调数据的传输节奏，确保发送方和接收方步调一致。而异步通信则不需要时钟线，而是通过在数据帧中添加起始位和停止位，并预先约定波特率（传输速率）来实现数据同步。
波特率是串行通信中的一个关键参数，它表示每秒钟传输的位数。常用的波特率有9600、115200等，发送方和接收方必须使用相同的波特率才能正确通信。比如说，如果设定波特率为9600，就意味着每一位数据的传输时间是1/9600秒，约为104微秒。
在实际应用中，串行通信的具体实现方式也有多种选择。最基础的是UART（通用异步收发器），此外还有SPI（串行外设接口）、I2C（集成电路总线）等。每种通信方式都有其特定的应用场景和优势。UART因为实现简单、兼容性好而被广泛使用；SPI则以其高速性著称；I2C则在多设备通信时表现出色。
时序与同步
在数据传输过程中，发送方和接收方必须步调一致，就像两个人跳舞一样需要配合默契。为了实现这种同步，串行通信发展出了两种主要的同步方式：同步通信和异步通信。让我们先从同步通信开始深入了解。
同步通信
同步通信的核心特点是使用专门的时钟信号（CLK）来协调数据的传输。想象一个指挥家在指挥乐团，时钟信号就像指挥家的手势，告诉接收方何时该采样数据。在同步通信中，数据的有效性是由时钟信号的跳变沿来决定的。通常，接收方在时钟信号的上升沿或下降沿采样数据线上的电平状态，从而获取一位数据。这种方式的优点是时序精确，传输速度快，且不容易出现数据错位的问题。
一个典型的同步通信波形是这样的：当时钟信号为高电平时，数据线上的电平状态可能会发生变化；当时钟信号跳变到指定的采样沿（比如上升沿）时，数据线上的电平必须保持稳定，这个稳定的电平状态就是要传输的有效数据。这就像是摄影，快门（时钟信号）按下的一瞬间，拍摄对象（数据）必须保持静止。
但同步通信也有其局限性。
- 需要额外的时钟线，这增加了系统的复杂度和成本。
- 在高速传输时，时钟信号和数据信号之间可能会产生偏移，这就需要考虑信号的建立时间和保持时间。建立时间是指在时钟采样沿到来之前，数据必须保持稳定的最短时间；保持时间则是指采样沿之后，数据必须继续保持稳定的最短时间。
异步通信
相比之下，异步通信采用了一种不同的策略。它不需要时钟线，而是通过在数据帧中添加特殊的标志位（起始位和停止位）来实现同步。这就像两个人约好每隔固定时间见一次面，虽然没有实时的协调信号。
异步通信不需要时钟信号，而是通过预先约定的波特率来同步：
- 发送方和接收方分别使用自己的时钟
- 通过起始位同步数据帧
- 要求双方时钟误差小于5%
在异步通信中，发送方和接收方都必须预先配置相同的波特率。当接收方检测到起始位（通常是一个低电平）时，就开始按照预定的波特率对数据进行采样。举个例子，如果波特率是9600，那么接收方就会每隔104微秒（1/9600秒）采样一次数据线的电平状态。这种方式虽然不如同步通信精确，但实现简单，成本低，已经能满足大多数应用场景的需求。
异步通信对时钟精度有一定要求。通常来说，发送方和接收方的时钟误差不能超过5%。如果误差过大，可能会导致数据采样点偏移，引起通信错误。这就像两个人约定好每隔一分钟见面，如果其中一个人的手表走得太快或太慢，超过了可接受的误差范围，就可能错过见面的时机。
在实际应用中，我们经常使用的UART通信就是一种典型的异步通信方式。它的每个数据帧都包含起始位、数据位、可选的校验位和停止位。这种帧格式提供了可靠的同步机制，同时通过校验位还可以进行简单的错误检测。
时序控制的实现
首先，让我们看一个完整的UART通信实现，包含了基础的时序控制：
// UART初始化的关键是精确的波特率设置
void UART_Init(uint32_t baudRate)
{
// 计算波特率寄存器值，注意误差控制
uint32_t clock = F_CPU; // CPU时钟频率
uint16_t baud_setting = (clock/16/baudRate - 1);
// 检查波特率误差
float real_baud = clock/16.0/(baud_setting + 1);
float error = ((real_baud - baudRate)/baudRate) * 100;
// 如果误差超过2%，可以考虑使用双倍速模式
if(fabs(error) > 2.0) {
// 启用双倍速模式
UCSR0A |= (1 << U2X0);
baud_setting = (clock/8/baudRate - 1);
}
// 设置波特率寄存器
UBRR0H = (baud_setting >> 8) & 0xFF;
UBRR0L = baud_setting & 0xFF;
}同步错误的检测与处理
接下来实现一个带有错误检测的数据接收函数：
typedef struct {
uint8_t framingError : 1; // 帧错误标志
uint8_t parityError : 1; // 校验错误标志
uint8_t overflowError : 1; // 溢出错误标志
uint8_t data; // 接收到的数据
} UART_RxResult;
UART_RxResult UART_ReceiveWithError(void)
{
UART_RxResult result = {0};
// 等待接收完成，但添加超时机制
uint16_t timeout = 0;
while(!(UCSR0A & (1<<RXC0))) {
timeout++;
if(timeout > 10000) { // 设置合适的超时值
result.overflowError = 1;
return result;
}
}
// 检查帧错误
if(UCSR0A & (1<<FE0)) {
result.framingError = 1;
}
// 检查校验错误
if(UCSR0A & (1<<UPE0)) {
result.parityError = 1;
}
// 获取数据
result.data = UDR0;
return result;
}实现可靠的数据发送
下面是一个带有重试机制的数据发送函数：
typedef enum {
UART_OK = 0,
UART_TIMEOUT,
UART_ERROR
} UART_Status;
UART_Status UART_SendWithRetry(uint8_t data, uint8_t retries)
{
while(retries--) {
uint16_t timeout = 0;
// 等待发送缓冲区空闲
while(!(UCSR0A & (1<<UDRE0))) {
timeout++;
if(timeout > 1000) {
continue; // 尝试下一次重试
}
}
// 发送数据
UDR0 = data;
// 等待发送完成
timeout = 0;
while(!(UCSR0A & (1<<TXC0))) {
timeout++;
if(timeout > 1000) {
continue; // 尝试下一次重试
}
}
// 清除发送完成标志
UCSR0A |= (1<<TXC0);
return UART_OK;
}
return UART_ERROR;
}缓冲区管理和中断处理
为了处理高速数据传输，我们需要实现缓冲区管理：
#define BUFFER_SIZE 128
typedef struct {
uint8_t buffer[BUFFER_SIZE];
uint8_t head;
uint8_t tail;
uint8_t count;
} CircularBuffer;
// 中断服务程序
ISR(USART_RX_vect)
{
uint8_t status = UCSR0A;
uint8_t data = UDR0;
// 检查错误标志
if(status & ((1<<FE0)|(1<<DOR0)|(1<<UPE0))) {
// 记录错误状态
g_uartErrors++;
return;
}
// 将数据存入缓冲区
if(g_rxBuffer.count < BUFFER_SIZE) {
g_rxBuffer.buffer[g_rxBuffer.head] = data;
g_rxBuffer.head = (g_rxBuffer.head + 1) % BUFFER_SIZE;
g_rxBuffer.count++;
} else {
// 缓冲区溢出处理
g_bufferOverflows++;
}
}实现同步机制
对于需要同步传输的场景，我们可以实现一个简单的同步传输协议：
typedef struct {
uint8_t sync; // 同步字节 (0xAA)
uint8_t length; // 数据长度
uint8_t data[32]; // 数据
uint8_t checksum; // 校验和
} SyncPacket;
UART_Status UART_SendPacket(SyncPacket *packet)
{
uint8_t checksum = 0;
// 发送同步字节
if(UART_SendWithRetry(0xAA, 3) != UART_OK)
return UART_ERROR;
// 发送长度
if(UART_SendWithRetry(packet->length, 3) != UART_OK)
return UART_ERROR;
// 发送数据并计算校验和
for(uint8_t i = 0; i < packet->length; i++) {
if(UART_SendWithRetry(packet->data[i], 3) != UART_OK)
return UART_ERROR;
checksum += packet->data[i];
}
// 发送校验和
return UART_SendWithRetry(checksum, 3);
}在实际应用中，我们还需要考虑以下几点：
- 时钟漂移补偿：对于长时间运行的系统，可能需要定期校准时序参数。
- 错误恢复机制：当检测到连续错误时，可以实现自动重置或重新初始化通信接口。
- 数据完整性验证：除了基本的校验和，可以实现CRC校验等更可靠的错误检测机制。
- 流控制：在高速通信场景下，实现软件或硬件流控制，避免数据丢失。
UART通信详解
UART（通用异步收发器）是单片机最常用的串行通信接口之一。它的核心特点是异步通信，这意味着数据传输不需要时钟线，而是通过预先约定的波特率来确保通信双方的同步。理解UART通信，我们需要从其基础的数据帧格式开始。
UART帧格式
UART的数据帧由几个关键部分组成：起始位、数据位、可选的校验位和停止位。在空闲状态下，UART的数据线保持高电平。当发送数据时，首先会发送一个低电平的起始位，这个起始位的作用是告诉接收方："嘿，新的数据来了！"。起始位的出现会触发接收方开始数据采样的计时器。
在数据传输过程中，最常用的配置是"8N1"格式，即8位数据位、无校验位、1位停止位。
例如，要发送字符'A'（ASCII码0x41，二进制01000001），完整的传输过程是这样的：首先是一个低电平的起始位，然后是8位数据（从最低位开始传输：10000010），最后是一个高电平的停止位。整个传输过程完全依赖于双方预先约定的波特率来保持同步。
波特率计算
波特率的选择是UART通信中的关键参数。常用的波特率包括9600、19200、115200等。
选择波特率时需要考虑两个重要因素：一是通信双方的时钟精度，二是实际应用对通信速度的要求。较低的波特率（如9600）通信更稳定但速度较慢，较高的波特率（如115200）可以提供更快的数据传输速度，但对时钟精度的要求更高。
在单片机中，波特率是通过配置波特率生成器来实现的。其计算公式为：
UBRR = (F_CPU / (16 * BAUD)) - 1其中F_CPU是单片机的时钟频率，BAUD是目标波特率，UBRR是需要设置的波特率寄存器值。例如，对于16MHz的晶振，要设置9600的波特率，计算得到UBRR值应为103。为了确保通信的可靠性，发送方和接收方的实际波特率误差不应超过2%。
UART通信中的错误检测也是非常重要的部分。常见的错误包括：帧错误（Frame Error）、数据溢出错误（Data Overrun Error）和校验错误（Parity Error）。帧错误通常是由于波特率设置不匹配导致的；数据溢出错误发生在接收缓冲区满而新数据到来时；校验错误则是在使用奇偶校验时，接收到的数据校验结果与预期不符。
为了提高通信的可靠性，UART通常会实现一些错误处理机制。最基本的是奇偶校验，它通过添加一个校验位来检测单比特错误。更复杂的实现可能包括CRC校验、帧头帧尾检测等。在实际应用中，还经常会实现超时处理机制，避免因为通信错误导致程序阻塞。
在实际编程中，UART的初始化和数据收发通常需要考虑以下几个方面：
- 正确配置IO口的功能复用，将相应的引脚设置为UART功能
- 设置波特率、数据位数、校验方式和停止位
- 使能发送和接收功能
- 配置中断（如果需要使用中断方式）
- 实现数据缓冲区管理（特别是在高速通信场景下）
高速数据传输场景下，通常会采用中断方式来处理UART通信。接收中断服务程序会将接收到的数据存入循环缓冲区，主程序则负责处理缓冲区中的数据。这种方式可以有效避免数据丢失，并提高系统的实时性。
实际编程实现
UART初始化
void UART_Init(uint32_t baud)
{
// 计算波特率寄存器值
uint16_t ubrr = F_CPU/16/baud - 1;
// 设置波特率
UBRR0H = (uint8_t)(ubrr>>8);
UBRR0L = (uint8_t)ubrr;
// 使能发送和接收
UCSR0B |= (1<<RXEN0)|(1<<TXEN0);
// 设置格式：8数据位，1停止位
UCSR0C |= (1<<UCSZ01)|(1<<UCSZ00);
}数据发送与接收
基础发送函数：
void UART_SendChar(char data)
{
// 等待发送缓冲区空
while(!(UCSR0A & (1<<UDRE0)));
// 发送数据
UDR0 = data;
}基础接收函数：
char UART_ReceiveChar(void)
{
// 等待接收完成
while(!(UCSR0A & (1<<RXC0)));
// 返回数据
return UDR0;
}中断处理
使用中断方式接收数据：
volatile uint8_t rx_buffer[64];
volatile uint8_t rx_count = 0;
ISR(USART0_RX_vect)
{
rx_buffer[rx_count++] = UDR0;
if(rx_count >= 64) rx_count = 0;
}环形缓冲区
实现环形缓冲区来管理数据：
#define BUFFER_SIZE 64
typedef struct {
uint8_t data[BUFFER_SIZE];
uint8_t head;
uint8_t tail;
} RingBuffer;
void RingBuffer_Write(RingBuffer *buffer, uint8_t data)
{
buffer->data[buffer->head] = data;
buffer->head = (buffer->head + 1) % BUFFER_SIZE;
}
uint8_t RingBuffer_Read(RingBuffer *buffer)
{
uint8_t data = buffer->data[buffer->tail];
buffer->tail = (buffer->tail + 1) % BUFFER_SIZE;
return data;
}总结
- 基础概念
- 串行通信是按位顺序传输数据的方式
- 主要优势：线路简单、成本低、抗干扰能力强、传输距离远
- 分为同步通信（需要时钟线）和异步通信（不需要时钟线）
- 时序与同步机制
- 同步通信：使用专门的时钟信号(CLK)协调数据传输，时序精确但需要额外时钟线
- 异步通信：通过预先约定的波特率和起始/停止位来同步，实现简单但要求时钟误差<5%
- 波特率：表示每秒传输的位数，发送方和接收方必须一致
- UART通信特点
- 标准帧格式：起始位 + 数据位(5-8位) + 校验位(可选) + 停止位
- 关键参数：波特率设置、数据位数、校验方式、停止位
- 错误检测：帧错误、数据溢出、校验错误等
- 实现要点
// 波特率计算
UBRR = (F_CPU / (16 * BAUD)) - 1
// 基本初始化流程
1. 配置IO口复用功能
2. 设置波特率
3. 配置帧格式
4. 使能收发功能
5. 配置中断（如需要）标签：UART,基础,通信,uint8,串行,波特率,时钟 From： https://blog.csdn.net/qq_56869120/article/details/144627031