单片机中异步通信

异步通信协议是一种通信协议，其中数据在发送和接收之间不需要时钟同步。通信双方独立地控制数据的发送和接收。异步通信通常用于点对点的数据传输，其中数据流在没有共享时钟信号的情况下进行。

异步通信的基本原理

在异步通信中，数据以字节为单位传输，每个字节的传输都包含以下几部分：

1. 起始位（Start Bit）：在数据位之前传输，指示数据传输的开始。通常为1位。
2. 数据位（Data Bits）：实际传输的数据，通常为8位（1字节），有时为5到9位。
3. 可选的校验位（Parity Bit）：用于错误检测，通常是奇偶校验（例如奇校验、偶校验）。此部分不是必须的，可以选用。
4. 停止位（Stop Bit）：在数据位之后传输，指示数据传输的结束。可以是1位或2位。
5. 空闲位：用于保持线路空闲状态（传输结束后的间隙）。

异步通信的特点

1. 无时钟同步：

2. 通信双方在没有时钟信号的情况下通过约定的波特率来进行同步。发送和接收双方必须使用相同的波特率（即每秒钟传输的比特数）。

3. 适用于短距离通信：

4. 由于没有时钟信号，异步通信适合于点对点的短距离通信。

5. 简单性和低成本：

6. 由于没有时钟同步的需求，硬件和协议实现较为简单，适用于低成本、低复杂度的设备之间的通信。

7. 适合不连续传输的应用：

8. 异步通信适用于不需要连续流的场景。数据发送可以不定期进行，接收方可以在空闲时间点读取数据。

9. 数据传输效率相对较低：

10. 由于没有共享时钟，数据传输效率可能较低。每个数据单元都需要起始位和停止位来标识，导致传输过程中会有一定的开销。

异步通信的优缺点

优点

缺点

常见的异步通信协议

1. UART（通用异步收发器）

2. UART是最常见的异步通信协议，通常用于串口通信。它使用两根线：一个发送（TX）线和一个接收（RX）线。每个数据传输使用起始位、数据位、校验位（可选）和停止位进行封装。
3. 常见于嵌入式系统、PC与外设的串行通信（如调试接口、无线模块通信等）。

4. RS-232

5. RS-232标准是一种早期的串行通信标准，通常用于计算机与外设的异步通信。它定义了电气信号和通信协议，支持点对点连接，常见于串口通信接口中。

6. USB（通用串行总线）

7. 尽管USB的工作模式主要是同步的，但USB也采用了一种异步传输机制，尤其是在数据包的传输和错误校验中，依赖发送设备和接收设备独立控制数据流。USB设备的通信依赖于主机进行控制，通常不会依赖严格的时钟同步。

异步通信的实现基于以下几个关键原理和机制：数据传输的独立性、起始位和停止位、以及波特率的匹配。在异步通信中，发送方和接收方并不共享时钟信号，而是依赖于预先约定的波特率来进行数据传输和同步。以下是详细的实现机制和步骤。

1. 没有共享时钟信号

与同步通信不同，异步通信不依赖于发送方和接收方之间共享的时钟信号。每个字节的传输由发送方自行控制时间间隔。接收方通过预定的波特率（即每秒钟传输的比特数）来解码数据。

2. 数据帧结构

在异步通信中，数据是以数据帧的形式传输的，每个数据帧通常包含以下几个部分：

3. 传输过程

假设我们以**UART（通用异步收发器）**协议为例，来说明异步通信的具体实现过程。

发送数据过程：

1. 发送方准备数据：发送方将数据分割为字节，并在每个字节之前添加起始位和停止位。
2. 数据位传输：每个数据位按照预定的波特率依次发送，通常是最少的1位先发送（LSB – 最低有效位），直到完整的字节传输完毕。
3. 停止位传输：在数据位之后，发送方会发送一个或多个停止位，表示数据传输完毕，并且为接收方提供处理数据的时间。
4. 重复过程：发送方继续传输下一个字节，直到所有数据都发送完毕。

接收数据过程：

1. 接收方检测起始位：接收方在空闲时（高电平）监听信号。一旦检测到信号从高电平跳变到低电平，就表示开始接收到数据（即接收到起始位）。
2. 接收数据位：接收方按照预定的波特率同步接收每个数据位。通常是从最低有效位（LSB）开始接收，直到完整的字节接收完毕。
3. 校验位（可选）：如果使用校验位，接收方会检查接收到的校验位是否正确，来检测是否发生了数据传输错误。
4. 接收停止位：接收方在接收完数据位后，还要等待一个或多个停止位，以确认数据帧的结束。
5. 空闲等待：当一个数据帧处理完毕，接收方再次进入空闲状态，等待下一个数据的到来。

4. 波特率（Baud Rate）

波特率是异步通信中一个非常关键的概念，它决定了数据传输的速率，即每秒钟传输多少比特。发送方和接收方需要设置相同的波特率，这样接收方才能正确地解码接收到的数据。常见的波特率值有9600、19200、115200等。

例如，波特率为9600表示每秒传输9600个比特。在9600波特率下，发送方每隔1/9600秒传输一个比特，接收方则根据这个时间间隔来同步接收数据。

5. 缓冲和流控制

6. 误差检测

在异步通信中，由于没有同步时钟信号，错误检测是确保数据传输正确性的一个重要部分。常见的错误检测方法包括：

7. 异步通信的实现方式（以UART为例）

在许多嵌入式系统和微控制器中，UART（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter）模块是实现异步通信的核心硬件。它负责将串行数据流转换为并行数据，并根据波特率、数据位、停止位等配置来进行数据传输。

例如，在51单片机中，使用UART进行串行通信的代码通常如下：

输出数据

void UART_Send(char data) {
    SBUF = data;            // 将数据放入发送缓冲区
    while (TI == 0);        // 等待发送完成
    TI = 0;                 // 清除发送完成标志
}

1. SBUF = data;

2. while (TI == 0);

3. TI = 0;

接受数据

char UART_Receive() {
    while (RI == 0);        // 等待数据接收
    RI = 0;                 // 清除接收标志
    return SBUF;            // 返回接收到的数据
}

作者：190043