一、UART基本概念

1.1 什么是UART？

UART：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter 通用异步收发器

一句话定位：全双工、串行、异步通信，单片机最常用的 “对话接口”。

• 全双工：两根线（TXD/RXD），收发同时进行，互不耽误
• 串行：数据是一位一位（bit by bit）地通过单根信号线顺序传输
• 异步：没有时钟线 SCL，靠波特率同步
• 引脚：
  • TXD：发送端
  • RXD：接收端
  • 注意：TX 接 RX，RX 接 TX 交叉相连

1.2 通信方式(单工 / 半双工 / 全双工)

1. 单工 Simplex

• 方向固定：只能 A→B，不能反向
• 一根线
• 例子：广播、老式红外

2. 半双工 Half-Duplex

• 可双向，但同一时刻只能一个方向
• 一根线
• 例子：I2C、对讲机

3. 全双工 Full-Duplex

• 双向同时收发
• 两根线
• 例子：UART、SPI

二、串行通信 VS 并行通信

1. 串行（Serial）

• 一位一位传输
• 优点：线少、成本低、距离远、抗干扰强（RS485）
• 缺点：速度慢
• 适用：UART、RS232、RS485

2. 并行（Parallel）

• 多位同时传输
• 优点：速度快
• 缺点：线多、成本高、距离近（<30 米）、干扰大
• 适用：内部总线、老式并口

三、同步通信 VS 异步通信

同步 Sync

• 有时钟线（SCL/SCLK）
• 时钟对齐，速度快
• I2C、SPI

异步 Async

• 无时钟线
• 靠波特率对齐
• UART 属于异步

四、电平标准：TTL / RS232 / RS485

1. TTL 电平（单片机原生）

• 高：5V
• 低：0V
• 距离近，板内通信

2. RS232（负逻辑）

• 高：-3V ~ -15V
• 低：+3V ~ +15V
• 老式串口，易干扰

3. RS485（差分信号，工业常用）

• 差分电压：A-B
• 高：2~6V
• 低：-2~-6V
• 抗干扰极强、距离远

CH340 就是 USB ↔ TTL 电平转换芯片！

五、串口通信核心参数

串口通信的双方必须完全一致，否则会乱码、收不到数据。

标准格式写法：波特率 数据位 校验位 停止位

1. 波特率（Baud Rate）

• 含义：每秒传输多少位（bit/s）
• 作用：决定通信 “快慢节奏”
• 常用值：2400、4800、9600、115200
• 51 单片机：由 定时器 1 模式 2 自动重装产生
  • 2400bps 示例：TH1=232; TL1=232;

注意：收发两端波特率必须相同！

2. 数据位（Data Bits）

• 表示真正传输的数据长度
• 常用：8 位（最标准）
• 对应二进制：0000 0000 ~ 1111 1111

3. 校验位（Parity）

用于简单检错，有三种：

• N（None）：无校验
• O（Odd）：奇校验
• E（Even）：偶校验

奇校验规则

数据中 1 的个数 + 校验位 = 奇数个 1

偶校验规则

数据中 1 的个数 + 校验位 = 偶数个 1

奇偶校验无法检测偶数个位出错！

4. 停止位（Stop Bits）

• 表示一帧数据结束
• 常用：1 位
• 作用：给接收端一个 “帧结束” 的标志

最常用组合

1. 9600 8 N 1波特率 9600，8 位数据，无校验，1 位停止位
2. 115200 8 N 1高速通信，最常用
3. 115200 8 E 1带偶校验
4. 115200 8 O 1带奇校验

六、串口发送规则：LSB 低位先行

UART 发送遵循：先发送最低位 bit0，最后发送最高位 bit7

例子：数据 0xAC = 1010 1100

实际发送顺序：0 0 1 1 0 1 0 1

七、UART串口编程

7.1 串口相关寄存器

在写代码前，必须搞懂操作哪几个寄存器，这是串口配置的基石：

寄存器	作用	代码对应点
SBUF	数据缓冲寄存器	发送 / 接收数据都通过它。SBUF = ch 触发发送；ch = SBUF 读取接收数据。
SCON	串口控制寄存器	核心配置寄存器。控制串口模式、允许接收、标志中断。
PCON	电源控制寄存器	控制波特率加倍（SMOD位）。
TMOD	定时器模式寄存器	配置定时器 1 为8 位自动重装载模式（用于产生波特率）。
TH1/TL1	定时器 1 初值寄存器	存放波特率重装值，决定通信快慢。
IE	中断允许寄存器	控制总中断 (EA) 和串口中断 (ES)。

7.2 串口初始化 uart_init(void) 

这是代码的入口，我们按步骤拆解位操作逻辑：

步骤 1：配置串口工作模式（方式 1）

// 清零 SCON.7 和 SCON.6 (即 SM0 和 SM1 位)
SCON &= ~(3 << 6);   
// 设置 SM1 = 1 (SCON.6)
SCON |= (1 << 6);	
// 设置 SM0 = 0 (SCON.7)
SCON &= ~(1 << 7);	

• 51 单片机串口有 4 种工作方式，我们使用方式 1（8 位 UART，波特率可变）。
• 模式由 SM0(bit7) 和 SM1(bit6) 决定：01 对应方式 1。
• 代码先通过 & ~(3<<6) 清零这两位，再分别置 1 和置 0，确保配置准确。

步骤 2：允许串口接收

// 设置 REN = 1 (SCON.4)，允许接收
SCON |= (1 << 4);

• REN (Receive Enable) 是串口接收的总开关。
• 置 1 后，串口硬件才会采样 RXD 引脚接收数据，否则接收不到数据。

步骤 3：配置波特率加倍（SMOD）

// 清零 PCON.6 和 PCON.7 (SMOD0 和 SMOD)
PCON &= ~(3 << 6);	
// 设置 SMOD0 = 1 (此时不影响本次业务，但按代码规范写)
PCON &= ~(1 << 6);	
// 设置 SMOD = 1 (PCON.7)，波特率加倍
PCON |= (1 << 7);	

• SMOD 位用于控制波特率计算公式：
• 设置为 1 时，波特率加倍（计算 TH1 时要注意），通信速度更快。

步骤 4：配置定时器 1 模式（波特率发生器）

// 清零 TMOD 高4位 (对应定时器1的 M0, M1, C/T, GATE)
TMOD &= ~(0X0F << 4);   
// 设置 M1=1, M0=0 (TMOD.5 = 1)，即模式2：8位自动重装载
TMOD |= (1 << 5);   

• 串口方式 1 的波特率由定时器 1提供。
• 模式 2 (8 位自动重装载) 是最常用的方式，定时器溢出时会自动把 TH1 的值重装到 TL1，无需手动重装，波特率更稳定。

步骤 5：设置波特率初值

// 2400bps 配置：TH1 = TL1 = 232 (十进制)
TL1 = 232;
TH1 = 232;	

• 根据公式计算得出的值。在晶振 11.0592MHz、SMOD=1、2400bps 下，定时器初值为 232。
• 这是通信的节奏，发送端和接收端必须完全一致！

步骤 6：启动定时器

// 设置 TR1 = 1 (TCON.6)，启动定时器1
TCON |= (1 << 6);   

• 配置好后，必须启动定时器，波特率发生器才开始工作。

步骤 7 & 8：开启中断

IE |= (1 << 7);  // EA = 1，开启总中断
IE |= (1 << 4);  // ES = 1，开启串口中断

• EA (Enable All)：总中断允许位，必须打开，否则任何中断都不会响应。
• ES (Enable Serial)：串口中断允许位，打开后，接收完成才会触发 uart_handler 函数。

7.3 发送功能模块（轮询方式）

7.3.1 发送单个字符 uart_sendchar(char ch)

void uart_sendchar(char ch)
{
    // 1. 将数据写入缓冲寄存器，触发发送硬件
    SBUF = ch;

    // 2. 等待发送完成
    // TI (Transmit Interrupt Flag) 位为1时表示发送完成
    while((SCON & (1 << 1)) == 0);

    // 3. 手动清除 TI 标志 (非常重要！否则下一次发不出去)
    SCON &= ~(1 << 1);
}

• SBUF = ch：这是触发信号。单片机检测到对 SBUF 赋值，就会自动把数据移位发送出去。
• while 等待：TI (SCON.1) 是发送完成标志。如果为 0，说明还在发，死等；为 1 则发送完毕。
• 清 TI：这一步不能忘！ 硬件只会置 1，不会自动清 0。如果不清 0，下次调用函数时会一直卡在 while 循环里。

7.3.2 发送字符串 uart_sendstr(const char *p)

void uart_sendstr(const char *p)
{
    while(*p) // 直到遇到 '\0' 字符串结束符才停止
    {
        uart_sendchar(*p++); // 循环调用发送单字符函数
    }
}

• 利用指针遍历字符串，每取一个字符就调用一次 uart_sendchar。

7.3.3 发送指定长度数据 uart_sendbuff(const char *p,int len)

void uart_sendbuff(const char *p,int len)
{
    while(len--) // 循环 len 次
    {
        uart_sendchar(*p++);
    }
}

• 适合发送二进制数据流（比如你笔记里的 0xAA 0x02 0x01 ... 协议帧）。

7.4 接收功能模块（中断方式）

接收使用中断方式，这是嵌入式串口编程的标准做法（效率高，不阻塞主程序）。

7.4.1 全局变量定义

// 接收缓冲区，存储接收到的字节
xdata char recv_buffer[32];
// 缓冲区索引指针
unsigned int pos = 0;

• recv_buffer 用来存一帧数据。
• pos 记录当前存到第几个位置。
• 使用 xdata 是为了扩展到外部 RAM（51 内部 RAM 较小，存 32 字节数据通常够用，但按工程规范写）。

7.4.2 中断服务函数 uart_handler(void) interrupt 4

void uart_handler(void) interrupt 4
{
    // 1. 判断是否是接收中断 (RI 标志位)
    // RI (Receive Interrupt Flag) 位为1表示接收完成
    if((SCON & (1 << 0)) == 1)
    {
        // 2. 防止缓冲区溢出
        if(pos < 32)
        {
            // 3. 读取数据，SBUF 自动清 RI 标志 (部分编译器需手动，此处按逻辑写)
            recv_buffer[pos++] =  SBUF;
            // 4. 字符串补零，方便后续处理 (非必须，但实用)
            recv_buffer[pos] = 0;
        }
    }
    
    // 5. 手动清除 RI 标志 (关键！防止重复中断)
    SCON &= ~(1 << 0);	
}

• interrupt 4：51 单片机中，串口中断的中断号是 4。必须写对，否则程序跑飞。
• 判断 RI：RI (SCON.0) 是接收完成标志。
• 读取 SBUF：读取 SBUF 会自动将 RI 标志清零（部分老旧编译器可能需手动清，此处代码包含手动清操作，双重保险）。
• 清 RI：无论是否处理数据，都要手动清除标志，否则会一直进入中断死循环。

八、Modbus 协议

核心是：

• 主机发指令 → 从机解析功能码 → 执行动作 → 回复应答
• 帧结构固定，包含帧头 / 地址 / 功能码 / 数据 / 校验 / 帧尾

8.1 主机 → 从机：下发指令帧解析

示例帧：0xAA 0x01 0x01 0x42 0x00 0xEE 0xBB

字节序号	数值	含义	说明
0	0xAA	起始位 / 帧头	固定值，标识一帧数据的开始
1	0x01	地址码	从机地址，用于多机通信时指定目标设备
2	0x01	功能码	核心！决定从机要做什么动作
3	0x42	数据位 1	功能码对应的参数 1
4	0x00	数据位 2	功能码对应的参数 2
5	0xEE	校验码	校验数据完整性，防止传输错误
6	0xBB	结束位 / 帧尾	固定值，标识一帧数据的结束

•  Modbus 的标准约定：主机指令帧功能码 = 0x01，从机正常应答帧功能码 = 0x81
• 主机收到 0x81 就知道：这是 0x01 指令的应答，不是新的指令
• 同时，错误应答会用 0x80 | 功能码 | 错误码，方便主机判断执行结果

功能码定义(示例)

功能码	含义
0x01	控制 LED
0x02	控制数码管
0x03	控制蜂鸣器
0x04	温度采集

所以这一帧的含义是：

主机对地址为 0x01 的从机，下发 控制 LED 的指令，参数为 0x42 0x00，校验码 0xEE，帧尾 0xBB

8.2 从机 → 主机：应答帧解析

示例应答帧：0xAA 0x01 0x81 0x42 0x00 0x6E 0xBB

关键细节：功能码 + 0x80

标准 Modbus 中，从机应答会把功能码的最高位置 1，表示 “应答帧”。

• 主机发 0x01 → 从机回 0x81（0x01 | 0x80）
• 这是一种约定：让主机一眼就知道 “这是哪条指令的应答”

字节序号	数值	含义	说明
0	0xAA	帧头	和主机指令帧格式保持一致
1	0x01	地址码	回传从机自身地址，主机确认应答来源
2	0x81	功能码（应答）	`0x01	0x80`，表示 “LED指令的应答”
3	0x42	数据位 1	回传主机指令的参数，或执行结果
4	0x00	数据位 2	同上
5	0x6E	校验码	应答帧数据的校验和
6	0xBB	帧尾	固定结束标志

8.3 核心流程：主机下发 → 从机解析 → 执行 → 应答

整个交互逻辑可以分为 4 步：

1. 主机下发指令

• 按帧格式打包数据，发送给从机
• 示例：0xAA 0x01 0x01 0x42 0x00 0xEE 0xBB

2. 从机接收并校验

• 串口中断接收数据，存到缓冲区
• 校验帧头（0xAA）、帧尾（0xBB）和校验码
• 校验失败：丢弃数据，等待下一帧

3. 解析功能码并执行动作

根据功能码分支执行不同外设操作：

switch(功能码)
{
    case 0x01: 控制LED(data1, data2); break;
    case 0x02: 控制数码管(data1, data2); break;
    case 0x03: 控制蜂鸣器(data1, data2); break;
    case 0x04: 温度采集(&data1, &data2); break;
    default: 错误处理; break;
}

4. 从机生成应答帧并发送

• 功能码 + 0x80（如 0x01 → 0x81）
• 打包地址、数据、校验码、帧尾
• 发送给主机，完成一次交互