UART 串口通信（51单片机+Modbus协议）

一、UART 核心概念与特性

UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）
通用异步收发器，是MCU与外部设备异步通信的硬件接口模块，核心特性如下：

• 异步通信：无时钟线，依赖波特率同步；
• 全双工通信：通过TXD（发送）、RXD（接收）两根独立数据线，实现双向同时传输；
• 串行通信：数据按二进制位逐位传输，硬件成本低、抗干扰强；
• 协议化通信：有固定数据帧格式和通信规则，需双方统一参数才能正常交互。

二、UART 接线规范与硬件基础

1. 核心引脚定义

2. 关键接线原则

• TXD与RXD交叉连接：A设备的TXD → B设备的RXD，A设备的RXD → B设备的TXD；
• 示例：51单片机（TXD=P3.1、RXD=P3.0）与电脑USB转串口模块连接时，需将P3.1接模块RXD，P3.0接模块TXD；
• 禁用同端直连（如A的TXD接B的TXD），否则无法传输数据。

三、通信方式分类（单工/半双工/全双工）

四、UART 数据传输核心规则

1. 数据发送顺序

UART遵循LSB（最低位）优先原则，以8位数据0xA6（二进制10100110）为例：

• 位序号：bit7（1）、bit6（0）、bit5（1）、bit4（0）、bit3（0）、bit2（1）、bit1（1）、bit0（0）；
• 发送顺序：bit0 → bit1 → bit2 → bit3 → bit4 → bit5 → bit6 → bit7（先传低位，后传高位）。

2. 数据传输形式对比（串行vs并行）

五、UART 数据帧结构与时序

UART数据帧由4部分组成（无校验时），时序按以下顺序排列：

1. 起始位：1位低电平（标志数据开始）；
2. 数据位：5-9位（常用8位），LSB优先传输；
3. 校验位（可选）：1位（奇校验/偶校验/无校验），用于简单错误检测；
4. 停止位：1-2位高电平（标志数据结束，常用1位）。

示例时序：起始位（1bit）→ 数据位（8bit）→ 停止位（1bit），共10bit构成一个完整数据帧。

六、校验机制（奇校验/偶校验/无校验）

校验的核心作用是检测数据传输过程中的位错误，仅能检测，无法纠错：

1. 奇校验（Odd）

• 校验位设为1，确保“数据位+校验位”中1的总数为奇数；
• 示例：数据0xA6（10100110）含4个1，校验位补1，总1数为5（奇数），校验通过。

2. 偶校验（Even）

• 校验位设为0，确保“数据位+校验位”中1的总数为偶数；
• 示例：数据0xA6含4个1，校验位补0，总1数为4（偶数），校验通过。

3. 无校验（None）

• 不设校验位，依赖通信环境稳定性；
• 优点：传输效率高；缺点：无法检测错误，适用于短距离、低干扰场景。

注意：奇偶校验无法检测偶数个位同时出错的情况（如bit0和bit1同时翻转）。

七、串口通信核心参数（必须统一！）

通信双方需完全一致的4个参数，否则数据解析失败，格式示例：9600 8 N 1

八、同步与异步通信对比

九、51单片机UART寄存器配置（关键！）

51单片机通过SCON、PCON、TMOD等寄存器配置串口工作模式、波特率和中断，以下是实战必备配置：

1. SCON寄存器（串行控制寄存器）

• 地址：0x98H（可位寻址）；
• 核心位定义（仅列关键位）：

• 配置流程：

  SCON&=~(3<<6);// 清0SM0、SM1SCON|=(1<<6);// SM1=1，8位UART模式SCON|=(1<<4);// REN=1，允许接收

2. PCON寄存器（电源控制寄存器）

• 地址：0x87H（不可位寻址）；

• 核心位：

  • SMOD（B7）：波特率加倍位，SMOD=1时波特率翻倍，SMOD=0时不翻倍；
  • SMOD0（B6）：帧错误检测控制位，SMOD0=0时由SM0/SM1指定串口模式；

• 配置流程：

  PCON&=~(1<<6);// SMOD0=0，启用SM0/SM1模式配置PCON|=(1<<7);// SMOD=1，波特率翻倍

3. 波特率产生（依赖定时器1）

51单片机串口波特率由定时器1产生，常用定时器1 8位自动重装载模式，计算公式：
[ \text{定时器初值} = 2^8 - \frac{2^{\text{SMOD}} \times f_{osc}}{32 \times \text{波特率} \times 12} ]

• 参数说明：

  • ( f_{osc} )：晶振频率（51单片机常用11.0592MHz）；
  • SMOD：PCON寄存器中的波特率加倍位（0或1）；

• 实战计算示例（11.0592MHz晶振，9600波特率，SMOD=1）：
  [ \text{初值} = 256 - \frac{2^1 \times 11059200}{32 \times 9600 \times 12} = 256 - 6 = 250 ]
  即TH1=0xFA，TL1=0xFA（8位自动重装载模式下，TH1=TL1=初值）。

4. 定时器1配置（产生波特率）

• 模式选择：8位自动重装载模式（TMOD寄存器配置）；
• 配置流程：

  TMOD&=~(0x0F<<4);// 清0定时器1模式位TMOD|=(1<<5);// 定时器1=8位自动重装载模式TH1=0xFA;// 9600波特率初值TL1=0xFA;TCON|=(1<<6);// 启动定时器1

5. 中断配置（允许串口中断）

IE|=(1<<7);// EA=1，开总中断IE|=(1<<4);// ES=1，开串口中断

十、16位定时器与8位自动重装载定时器区别

十一、主从通信模型（Modbus协议核心）

1. 主机（Master）

• 拥有通信控制权，主动发起指令（如控制从机LED亮灭）；
• 示例：电脑、PLC、核心控制器。

2. 从机（Slave）

• 被动响应，无法主动发起通信，仅根据主机指令执行操作并回传应答；
• 示例：51单片机、传感器模块、执行器。

十二、Modbus协议实战（作业落地）

1. 作业要求

主机按Modbus协议发送指令，从机（51单片机）解析功能码，控制对应外设，并回传应答：

• 功能码01：LED控制；
• 功能码02：数码管控制；
• 功能码03：蜂鸣器控制。

2. Modbus协议数据帧格式（简化版）

3. 从机处理流程（51单片机代码思路）

// 串口中断接收数据voiduart_isr(void)interrupt4{if(RI){// 接收完成recv_buf[recv_len++]=SBUF;// 存入接收缓冲区RI=0;// 软件清0接收标志位if(recv_len==4){// 接收完整帧（地址+功能码+数据+校验和）if(recv_buf[0]==0x01){// 匹配从机地址if(recv_buf[3]==(recv_buf[0]+recv_buf[1]+recv_buf[2])){// 校验和正确switch(recv_buf[1]){case0x01:led_control(recv_buf[2]);break;// LED控制case0x02:seg_control(recv_buf[2]);break;// 数码管控制case0x03:beep_control(recv_buf[2]);break;// 蜂鸣器控制}uart_send_ack();// 回传应答帧}}recv_len=0;// 清空缓冲区}}if(TI)TI=0;// 清0发送标志位}

十三、重点知识回顾与实战建议

核心重点

1. UART接线：TXD与RXD必须交叉，共地是关键；
2. 通信参数：波特率、数据位等4个参数需完全一致；
3. 寄存器配置：SCON（8位UART+允许接收）、PCON（波特率翻倍）、定时器1（8位自动重装载）；
4. 数据顺序：LSB优先，校验位仅用于简单错误检测；
5. Modbus协议：主从结构，功能码对应外设操作，需校验和确保数据完整。

实战建议

1. 先调试基础串口通信：实现51单片机与电脑串口助手收发数据；
2. 再实现Modbus协议解析：按作业要求处理功能码与应答；
3. 调试工具：用逻辑分析仪抓取TXD/RXD波形，验证数据帧是否正确；
4. 常见问题：通信失败先检查接线→参数→寄存器配置→校验和。

总结

UART串口通信是嵌入式开发的基础，核心在于“协议统一+硬件正确+寄存器配置准确”。掌握本文的理论知识和实战思路后，可轻松完成Modbus协议控制外设的作业，同时为后续工业通信、传感器数据传输等场景打下基础。建议多敲代码调试，通过实际波形和数据验证理解原理，避免死记硬背。