单片机C语言串口通信：数据传输与设备交互，连接外部世界

# 1. 单片机C语言串口通信概述**

串口通信是一种广泛应用于单片机系统中的数据传输方式。它通过单片机的串口引脚与外部设备进行数据交换，实现单片机与外部世界的交互。

串口通信的特点是简单、可靠、成本低廉，适用于各种嵌入式系统和工业控制应用。在单片机C语言编程中，串口通信通过一系列函数和寄存器来实现，包括数据发送、接收、中断处理和错误检测。

# 2. 串口通信的理论基础

### 2.1 串口通信的基本原理

#### 2.1.1 数据传输方式

串口通信的数据传输方式主要有两种：

- **同步传输：**发送方和接收方使用一个共同的时钟信号来同步数据传输。这种方式可以保证数据传输的准确性，但时钟信号的生成和同步比较复杂。
- **异步传输：**发送方和接收方不使用共同的时钟信号，而是通过附加在数据后面的一位或多位停止位来指示数据传输的结束。这种方式虽然简单，但数据传输的准确性较低。

单片机串口通信一般采用异步传输方式。

#### 2.1.2 波特率、数据位、停止位、校验位

串口通信中，数据传输的速率称为波特率，单位为比特/秒（bps）。波特率越高，数据传输越快。

数据位表示一次传输的数据位数，通常为 5 位、6 位、7 位或 8 位。数据位越多，一次传输的数据量越大。

停止位表示数据传输结束后附加的停止位数，通常为 1 位或 2 位。停止位用于指示数据传输的结束，防止数据粘连。

校验位用于检测数据传输中的错误。校验位可以是奇校验或偶校验。奇校验要求数据位中 1 的个数为奇数，偶校验要求数据位中 1 的个数为偶数。接收方通过校验位来判断数据传输是否正确。

### 2.2 串口通信的硬件接口

#### 2.2.1 单片机的串口引脚

单片机通常有多个串口引脚，每个串口引脚对应一个串口模块。常用的串口引脚包括：

- **TXD：**数据发送引脚，用于发送数据。
- **RXD：**数据接收引脚，用于接收数据。
- **RTS：**请求发送引脚，用于向外部设备请求发送数据。
- **CTS：**清除发送引脚，用于外部设备向单片机发送清除发送信号。

#### 2.2.2 外部设备的串口连接

外部设备与单片机的串口连接方式有多种，常见的有：

- **直连：**单片机的串口引脚直接与外部设备的串口引脚连接。这种方式简单方便，但容易受干扰。
- **RS-232 接口：**使用 RS-232 接口芯片进行连接，可以提高抗干扰能力和传输距离。
- **RS-485 接口：**使用 RS-485 接口芯片进行连接，可以实现多点通信。

# 3. 串口通信的实践应用

### 3.1 数据传输与设备交互

#### 3.1.1 发送和接收字符

单片机与外部设备进行串口通信时，最基本的操作就是发送和接收字符。在单片机中，通常使用UART（通用异步收发器）模块来实现串口通信。UART模块提供了发送和接收字符的寄存器和控制位。

**发送字符**

发送字符时，需要将字符数据写入UART模块的发送数据寄存器（通常称为TXREG）。当数据写入TXREG后，UART模块会自动将数据发送到串口引脚，并通过串口线发送出去。

**接收字符**

接收字符时，UART模块会监视串口引脚上的数据。当检测到有数据到来时，UART模块会将数据读入接收数据寄存器（通常称为RXREG）。程序可以通过读取RXREG来获取接收到的字符数据。

**代码示例：**

// 发送字符
void send_char(char ch) {
    while (!(UART_STATUS & UART_TX_EMPTY));  // 等待发送缓冲区为空
    UART_TXREG = ch;  // 将字符写入发送数据寄存器
}

// 接收字符
char receive_char() {
    while (!(UART_STATUS & UART_RX_FULL));  // 等待接收缓冲区有数据
    return UART_RXREG;  // 读取接收数据寄存器
}

**逻辑分析：**

* `send_char()`函数首先检查发送缓冲区是否为空，以确保不会覆盖未发送的数据。然后将字符写入发送数据寄存器，UART模块会自动发送数据。
* `receive_char()`函数首先检查接收缓冲区是否有数据，以确保不会读取无效数据。然后读取接收数据寄存器，返回接收到的字符。

#### 3.1.2 数据缓冲区和中断处理

为了提高串口通信的效率，单片机通常使用数据缓冲区来存储待发送或接收的数据。数据缓冲区可以是数组或环形缓冲区，用于临时存储数据，防止数据丢失。

**发送数据缓冲区**

发送数据缓冲区用于存储待发送的数据。当程序需要发送大量数据时，可以将数据写入发送数据缓冲区，然后使用中断或轮询的方式将数据发送出去。

**接收数据缓冲区**

接收数据缓冲区用于存储接收到的数据。当UART模块检测到有数据到来时，会将数据写入接收数据缓冲区。程序可以通过中断或轮询的方式从接收数据缓冲区中读取数据。

**中断处理**

中断处理是一种高效的机制，用于在UART模块检测到数据到来或发送缓冲区为空时通知程序。当发生中断时，程序会执行中断服务程序（ISR），ISR中可以处理数据发送或接收的操作。

**代码示例：**

// 发送数据缓冲区
char tx_buffer[100];
int tx_head = 0;
int tx_tail = 0;

// 接收数据缓冲区
char rx_buffer[100];
int rx_head = 0;
int rx_tail = 0;

// 发送数据中断服务程序
void UART_TX_ISR() {
    if (tx_head == tx_tail) {
        // 发送缓冲区为空，关闭中断
        UART_TX_IE = 0;
    } else {
        // 发送缓冲区不为空，发送一个字符
        UART_TXREG = tx_buffer[tx_head];
        tx_head = (tx_head + 1) % 100;
    }
}

// 接收数据中断服务程序
void UART_RX_ISR() {
    // 读取接收到的字符
    char ch = UART_RXREG;

    // 将字符