单片机之间的通信

2013年7月30日修订

单片机之间的通信，在老师的强烈要求下，我们决定整理我们所学过的东西，在这里所展现的并不一定很全面，只能是简单的入门级别，对于通信，一直以来都是方便，但实现起来困难。硬件要求高，软件相对复杂点。这里，我们通过介绍资料、介绍硬件、介绍接线、软件应用举例、注意事项等来收集和整理了单片机与单片机、pc机与单片机通信的简单应用，仅供单片机实验室设备使用。

资料（摘自校内教材）

在通信领域内，有两种数据通信方式：并行通信和串行通信。

并行数据传输的特点：各数据位同时传输，传输速度快、效率高，多用在实时、快速的场合。并行传输的数据宽度可以是1~128位，甚至更宽，但是有多少数据位就需要多少根数据线，因此传输的成本较高，且只适用于近距离（相距数米）的通讯。

串行通信是指使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。

串行数据传输的特点：

1）节省传输线，这是显而易见的。尤其是在远程通信时，此特点尤为重要。这也是串行通信的主要优点

2）数据传送效率低。与并行通信比，这也这是显而易见的。这也是串行通信的主要缺点。

2、串行通讯制式

根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。信息只能单向传送为单工；信息能双向传送但不能同时双向传送称为半双工；信息能够同时双向传送则称为全双工。

1）单工(Simplex)方式：通信双方设备中发送器与接收器分工明确，只能在由发送器向接收器的单一固定方向上传送数据。

图1.2 单工方式

2）半双式方式（half duplex）：若使用同一根传输线既作接收又作发送，虽然数据可以在两个方向上传送，但通信双方不能同时收发数据，这样的传送方式就是半双工制。

图1.3半双工方式

3）全双工方式（full duplex）：当数据的发送和接收分流，分别由两根不同的传输线传送时，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作，这样的传送方式就是全双工制。

图1.4全双工方式

3、串行数据传输的分类

而按照串行数据的时钟控制方式，串行通信又可分为同步通信和异步通信两种。

异步通信：接收器和发送器有各自的时钟；

同步通信：发送器和接收器由同一个时钟源控制。

同步通信---Synchronous Communication

同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。同步通信的缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格的同步。

数据数据数据……数据 CRC

同步字符

图1.5 同步通信的字符帧格式

异步通信---Asynchronous Communication

异步通信中，在异步通行中有两个比较重要的指标：字符帧格式和波特率。数据通常以字符或者字节为单位组成字符帧传送。字符帧由发送端逐帧发送，每一帧数据均是低位在前，高位在后，通过传输线被接收设备逐帧接收。发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不同步。

在异步通信中，接受端是依靠字符帧格式来判断发送端是何时开始发送，何时结束发送的。字符帧格式是异步通信的一个重要指标。

1) 字符帧（Character Frame）

字符帧也叫数据帧，由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位等4部分组成，如图1.6所示。

(a)无空闲位字符帧

(b) 有空闲位字符帧

图1.6 异步通信的字符帧格式

(1) 起始位：位于字符帧开头，只占一位，为逻辑0，低电平，用于向接收设备表示发送端开始发送一帧信息。

(2) 数据位：紧跟起始位之后，用户根据情况可取5位、6位、7位或8位，低位在前，高位在后。

(3) 奇偶校验位：位于数据位之后，仅占一位，用来表征串行通信中采用奇校验还是偶校验，由用户决定。

(4) 停止位：位于字符帧最后，为逻辑1，高电平。通常可取1位、1.5位、或2位，用于向接收端表示一帧字符信息已经发送完，也为下一帧发送做准备。

在串行通信中，两相邻字符帧之间可以没有空闲位，也可以有若干空闲位，这由用户来决定。图1.6（b）表示有3个空闲位的字符帧格式。

2）波特率（baud rate）

异步通信的另一个重要指标为波特率。

波特率为每秒钟传送二进制数码的位数，也叫比特数，单位b/s，即位/秒。波特率用于表征数据传输的速度，波特率越高数据传输速度越快。但波特率和字符的实际传输速率不同，字符的实际传输速率是每秒内所传字符帧的帧数，和字符帧格式有关。

通常，异步通信的波特率为50～9600b/s。

4、ATmega16单片机的串行口及相关寄存器

ATmega16单片机的串行口结构主要三个部分：时钟发生器，发送器和接收器。

1）数据缓冲器UDR

UDR数据缓冲器的格式图如图1.7所示：

图1.7 UDR数据缓冲器的格式图

ATmega16单片机USART 发送数据缓冲寄存器和USART 接收数据缓冲寄存器共享相同的I/O 地址，称为USART 数据寄存器或UDR。将数据写入UDR 时实际操作的是发送数据缓冲寄存器(TXB)，读UDR 时实际返回的是接收数据缓冲寄存器(RXB) 的内容。

只有当UCSRA寄存器的UDRE标志置位后才可以对发送缓冲器进行写操作。如果UDRE没有置位，那么写入UDR 的数据会被USART 发送器忽略。当数据写入发送缓冲器后，若移位寄存器为空，发送器将把数据加载到发送移位寄存器。然后数据串行地从TxD 引脚输出。

2）控制状态寄存器UCSRA、UCSRB、UCSRC

（1）控制状态寄存器UCSRA格式图如图1.8所示：

图1.8控制状态寄存器UCSRA格式图

RXC: USART 接收结束

接收缓冲器中有未读出的数据时RXC 置位，否则清零。接收器禁止时，接收缓冲器被刷新，导致RXC 清零。RXC 标志可用来产生接收结束中断(见对RXCIE 位描述)。

TXC: USART 发送结束

发送移位缓冲器中的数据被送出，且当发送缓冲器 (UDR) 为空时TXC 置位。执行发送结束中断时TXC 标志自动清零，也可以通过写1 进行清除操作。TXC 标志可用来产生发送结束中断( 见对TXCIE 位的描述)。

UDRE: USART 数据寄存器空

UDRE标志指出发送缓冲器(UDR)是否准备好接收新数据。UDRE为1说明缓冲器为空，已准备好进行数据接收。UDRE标志可用来产生数据寄存器空中断(见对UDRIE位的描述)。复位后UDRE 置位，表明发送器已经就绪。

FE: 帧错误

如果接收缓冲器接收到的下一个字符有帧错误，即接收缓冲器中的下一个字符的第一个停止位为0，那么FE 置位。这一位一直有效直到接收缓冲器(UDR) 被读取。当接收到的停止位为1 时， FE 标志为0。对UCSRA 进行写入时，这一位要写0。

DOR: 数据溢出

数据溢出时DOR 置位。当接收缓冲器满( 包含了两个数据)，接收移位寄存器又有数据，若此时检测到一个新的起始位，数据溢出就产生了。这一位一直有效直到接收缓冲器(UDR) 被读取。对UCSRA 进行写入时，这一位要写0。

PE: 奇偶校验错误