51单片机（三）串口通信（UART）、Modbus协议-拓冰建站

1. 什么是UART？

UART，全称是Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，即通用异步收发器。它是一种广泛应用于嵌入式系统中的串行、异步、全双工通信协议。

简单来说，UART 允许两个设备之间通过一根发送线（TXD）和一根接收线（RXD）进行数据交换。它不需要时钟信号，通信双方通过约定相同的波特率来同步数据传输的节奏。

UART 的核心作用是将要传输的数据在并行和串行形式之间进行转换。在设备内部，数据通常是并行处理的（如8位或16位），而UART会将这些并行数据逐位（bit-by-bit）地通过一根线发送出去，接收端再将串行数据还原为并行数据。

2. UART传输数据顺序

UART在传输一个字节的数据时，遵循LSB（Least Significant Bit，最低有效位）先行的原则。

例如，要发送数据0xF6（二进制为1111 0110），其传输顺序如下：

起始位：先发送一个低电平（逻辑0），表示数据传输开始。
数据位：从最低位（LSB）开始发送，即先发送0，然后是1、1、0、1、1、1、1（MSB）。
校验位（可选）：根据校验方式发送奇偶校验位。
停止位：发送一个或多个高电平（逻辑1），表示数据传输结束。

所以，在信号线上看到的比特流顺序是：起始位(0)->LSB(0)->1->1->0->1->1->1->1(MSB)->校验位->停止位(1)。

3. 单工、半双工、全双工特点

根据数据传输的方向和方式，通信方式可以分为以下三种：

3.1 单工通信

特点：数据传输是单向的。发送方和接收方是固定的，一方只能发送，另一方只能接收。
信号线：只需要一根数据线。
例子：广播、电视信号。

3.2 半双工通信

特点：通信双方都可以发送和接收数据，但不能同时进行。在同一时刻，数据只能沿一个方向传输。
信号线：只需要一根数据线。
例子：对讲机、I2C总线。

3.3 全双工通信

特点：通信双方可以同时发送和接收数据，互不干扰。
信号线：需要两根独立的数据线（如TXD和RXD）。
例子：UART串口通信、电话。

4. 什么是串行、并行及特点

数据传输的形式主要分为串行传输和并行传输。

4.1 串行传输

定义：使用一根信号线，按照先后次序，逐位（bit-by-bit）地发送数据。
特点：
- 传输速率慢：相对于并行，单位时间内传输的数据量较少。
- 硬件成本低：只需要一根或两根线，引脚少，布线简单。
- 传输距离远：抗干扰能力强，适合长距离通信（如RS485可达1200米）。
- 实现简单：协议相对简单。

4.2 并行传输

定义：使用多根信号线，在同一时刻同时传输多个比特的数据（如8位、16位）。
特点：
- 传输速率快：单位时间内能传输大量数据。
- 硬件成本高：需要多根数据线，占用更多引脚，布线复杂。
- 传输距离近：线间干扰大，抗干扰能力差，不适合长距离传输（通常在30米以内）。
- 实现复杂：需要精确同步多根线上的信号。

5. 串口通信时序

串口通信的时序是理解其工作原理的关键。一个完整的数据帧（通常为10位或11位）的传输时序如下：

串口通信时序：
先发送一个bit的低电平，代表起始位
再发送8个bit的数据位（先发送数据低位，再发送高位）
发送一个bit的校验位（奇偶校验高电平奇校验低电平偶校验）
发送一个bit的电平，代表停止位，表示串口通信结束

空闲位：当没有数据传输时，数据线保持高电平（逻辑1）。
起始位：发送方将数据线拉低（逻辑0），持续一个比特的时间。这告诉接收方，数据即将开始。
数据位：紧接着起始位，发送8位（或5-9位）的数据。顺序是LSB先行。
校验位（可选）：在数据位之后，可以发送一个校验位用于简单的错误检测。
停止位：最后，发送方将数据线拉高（逻辑1），持续1、1.5或2个比特的时间。这表示一帧数据传输结束。

6. 奇校验和偶校验？有什么缺点？

奇偶校验是一种简单的错误检测方法，通过在数据帧中添加一个校验位来实现。

6.1 奇校验

规则：确保数据位中“1”的个数加上校验位“1”的个数，总和为奇数。
例子：要发送数据0110 0000（其中有2个1，偶数个）。为了满足奇校验，校验位应为1，使得总共有3个1（奇数）。如果接收方计算出的1的个数是偶数，则说明传输过程中可能发生了错误。

6.2 偶校验

规则：确保数据位中“1”的个数加上校验位“1”的个数，总和为偶数。
例子：要发送数据0110 0000（其中有2个1，偶数个）。为了满足偶校验，校验位应为0，使得总共有2个1（偶数）。

6.3 缺点

奇偶校验的主要缺点是无法检测出偶数个比特位同时出错的情况。

例如，在奇校验中，如果数据0110 0000（2个1）加上校验位1，总共有3个1（奇数）。如果在传输过程中，有两个比特位发生翻转，变成了0100 0001（仍然是2个1），加上校验位1，总共有3个1（奇数），校验仍然通过，但数据已经错误。
因此，奇偶校验只能检测出奇数个比特的错误，可靠性有限，适用于对错误容忍度较高的场景。

7. 串口通信参数

要使两个设备通过UART成功通信，它们必须配置相同的通信参数。这些参数通常以“波特率-数据位-校验位-停止位”的格式表示，例如9600 8 N 1。

波特率：表示每秒传输的比特数（bps）。常见的波特率有 2400、4800、9600、115200 等。通信双方的波特率必须一致。
数据位：表示一帧数据中实际数据的位数。常见的是8位，也可以是5、6、7位。
校验位：N（None，无校验）、O（Odd，奇校验）、E（Even，偶校验）。
停止位：表示一帧数据结束的标志位，可以是1、1.5或2位。

8. 同步和异步

这是通信中两个重要的概念，用于区分通信双方如何协调数据传输的节奏。

8.1 同步通信

特点：发送方和接收方通过一根专门的时钟线（SCL）来同步数据传输。时钟信号决定了何时读取数据线上的电平状态。
优点：传输速率高，协议效率高。
缺点：需要额外的时钟线，硬件连接稍复杂。
例子：I2C、SPI。

8.2 异步通信

特点：通信双方没有专门的时钟线。它们通过约定相同的波特率来同步数据传输的速率。每个数据帧都包含起始位和停止位，用于标识数据的开始和结束。
优点：只需要数据线，硬件连接简单，成本低。
缺点：每个数据帧需要额外的起始位和停止位，传输效率略低。
例子：UART。

9. TTL、RS232、RS485

这三种是串口通信中常见的电气标准，它们定义了信号的电平标准，决定了通信的距离和抗干扰能力。

9.1 TTL电平

电平标准：高电平（逻辑1）为 3.3V 或 5V，低电平（逻辑0）为 0V。
特点：电平与单片机等数字芯片直接兼容，无需转换。但传输距离短（通常几米以内），抗干扰能力弱。
常见芯片：CH340（用于USB转TTL）。

9.2 RS232电平

电平标准：逻辑1 为 -3V 到 -15V，逻辑0 为 +3V 到 +15V。这是一种负逻辑。
特点：传输距离比TTL远（可达15米左右），抗干扰能力更强。但电平与TTL不兼容，需要电平转换芯片（如MAX232）。
应用：早期的电脑串口（DB9接口）。

9.3 RS485电平

电平标准：采用差分信号传输。逻辑1 为两根线之间的电压差为 +2V 到 +6V，逻辑0 为 -2V 到 -6V。
特点：抗干扰能力极强，传输距离非常远（可达1200米以上），支持多点通信（可挂载多个设备）。
应用：工业控制、远距离数据采集。

10. Modbus协议格式

Modbus是一种广泛应用于工业电子设备中的通信协议，它建立在物理层（如RS232、RS485）之上，定义了设备之间请求和应答的数据格式。这里以Modbus RTU模式为例，介绍其报文格式。

一个典型的Modbus RTU报文帧结构如下：

起始码	地址码	功能码	数据位	校验码	结束码
0xAA	0x01	0x01	0x00 0x42	0xEE	0xBB

起始码：标志一帧报文的开始。
地址码：目标从机设备的地址（1-247）。
功能码：告诉从机要执行什么操作。例如：
- 0x01：控制LED灯
- 0x02：控制数码管
- 0x03：控制蜂鸣器
- 0x04：读取传感器温度
数据位：功能码所需的参数，如控制指令、数据地址等。
校验码：用于错误检测，Modbus RTU通常使用CRC校验。
结束码：标志一帧报文的结束。