敏矽微電子Cortex-M0學習筆記07——串口通信詳解

1、UART串口簡介

在單片機應用開發(fā)中，串口可以說是最常用的外設之一了。

串口最重要的功能就是能夠讓單片機和外部設備進行數(shù)據(jù)交互。例如在我們學習敏矽微電子的cortex m0時，可以將開發(fā)板與電腦相連，通過串口調(diào)試助手來調(diào)試程序、觀察程序運行結(jié)果。還有很多其他的串口模塊，比如藍牙、 NBIOT、GPRS、4G 等模組，都是使用的串口來進行驅(qū)動的，因此掌握串口是嵌入式工程師必備的技能。

接下來我們就來學習如何驅(qū)動ME32F030上的串口。

在正式學習之前，我們先對UART串口的通信格式做一個了解。UART的全稱是：通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)。串行傳輸數(shù)據(jù)是按照字節(jié)為單位進行移位傳輸?shù)?，因此通信速度較低。但其擁有線路簡單、通信距離遠的優(yōu)點，使用兩條線即可實現(xiàn)雙向通信，一條用于發(fā)送，一條用于接收。因此在工業(yè)應用中受到廣泛應用。其通信格式也十分簡單，如下圖所示：

圖1 UART數(shù)據(jù)格式

空閑位：數(shù)據(jù)線在空閑狀態(tài)的時候保持高電平，表示沒有數(shù)據(jù)傳輸。

起始位：當要傳輸數(shù)據(jù)的時候，數(shù)據(jù)線會被拉低，表示開始數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)位：數(shù)據(jù)位就是實際要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，一般都是按照字節(jié)傳輸數(shù)據(jù)的，即一次傳輸8 位數(shù)據(jù)的。一般都是低位在前，高位在后。當然也有相反的傳輸協(xié)議，但平時很少會遇到。

奇偶校驗位：這是對數(shù)據(jù)中“1”的位數(shù)進行奇偶校驗用的，可以根據(jù)需求進行選擇。

停止位：數(shù)據(jù)傳輸完成標志位，停止位的位數(shù)可以選擇 1 位、1.5 位或 2 位高電平，一般都選擇 1 位停止位。

波特率：波特率就是 UART 數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩簿褪敲棵雮鬏數(shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，一般選擇 9600、19200、115200 等。

隨著電腦日新月異的升級換代，現(xiàn)在很多電腦都不帶傳統(tǒng)的COM口，USB接口開始廣泛應用。所以就有了USB轉(zhuǎn)串口芯片來解決這個難題，常用的U轉(zhuǎn)串芯片有CH340、PL2303 等。通過這些芯片就可以實現(xiàn)串口 TTL 轉(zhuǎn) USB。

ME32F030開發(fā)板使用的是PL2303 芯片來完成串口和電腦之間的連接，只需要一條USB 線即可。在使用前需要注意兩件事：第一，先下載并安裝PL2303的驅(qū)動程序。第二，檢查開發(fā)板的USB跳線帽是否接到COM、USB這邊。正確的接法如下：

圖2 跳線連接

2、UART驅(qū)動寄存器

ME32F030 提供2個 UART 外設：UART0,UART1。串行接口都支持紅外傳輸（IrDA）協(xié)議功能。時鐘都受 SYSAHBCLKCTRL 寄存器控制。同時每個 UART 有獨立的時鐘分頻器來產(chǎn)生波特率，并使之不受系統(tǒng)時鐘和PCLK影響。UART對應的管腳映射圖如下：

圖3 UART管腳映射

看完管腳的映射關系，接下來就列出與UART相關的寄存器組，隨后會挨個進行講解。

圖4 UART寄存器

2-1 UART接收/發(fā)送緩沖寄存器

UART 接收/發(fā)送緩沖寄存器包含著 UART 接收到/將發(fā)送的字節(jié)，接收到的數(shù)據(jù)和待發(fā)送的串口數(shù)據(jù)都在該寄存器中。

2-2 UART狀態(tài)寄存器

該寄存器用于提供 UART 接收發(fā)送緩存器的狀態(tài)。大致可以歸類為以下幾種狀態(tài)：

發(fā)送狀態(tài)：發(fā)送FIFO空、發(fā)送FIFO半滿、發(fā)送FIFO滿。

接收狀態(tài)：接收FIFO空、接收FIFO半滿、接收FIFO滿。

奇偶校驗狀態(tài)：沒有奇偶校驗錯誤，或檢測到奇偶錯誤，寫1來清除錯誤標志。

接收緩存器溢出狀態(tài) ：用來表明緩存器是否溢出。

2-3 UART控制寄存器

接下來就要著重講解下UART控制寄存器了。0-5位屬于基本的接收、發(fā)送中斷使位，這里不再累述。

BIT6：奇偶校驗中斷使能，使能該中斷后，當接收到的數(shù)據(jù)發(fā)生奇偶校驗錯誤后，會產(chǎn)生中斷通知串口接收發(fā)生錯誤。

BIT7：接收溢出中斷使能，使能該中斷后，當接收到的數(shù)據(jù)超出FIFO容量就會產(chǎn)生中斷。通知及時取出數(shù)據(jù)或者清空FIFO。

BIT8：奇偶校驗方式選擇位，0為偶校驗，1為奇校驗。這里注意，這只是選擇了奇偶校驗的方式，但是并不會生效，是否啟動校驗還需要下面介紹的寄存器。

BIT9：奇偶校驗使能位，只有當該位置1才會使能奇偶校驗，具體的校驗方式由剛才介紹的奇偶校驗方式選擇位來決定。

BIT10：IRDA傳輸協(xié)議使能位，置1使能。

BIT22：RX接收使能，置1使能。

BIT23：TX發(fā)送使能，置1使能。

圖5 UART控制寄存器

2-4 UART中斷狀態(tài)寄存器

既然剛才在介紹UART控制寄存器的時候，介紹了不少中斷使能控制?？隙ň蜁邢鄳闹袛酄顟B(tài)的管理。UART中斷狀態(tài)寄存器從低位開始依次管理著：①、發(fā)送結(jié)束中斷狀態(tài)，②、接收完成中斷狀態(tài)，③、發(fā)送FIFO滿中斷，④、接收FIFO滿中斷，⑤、發(fā)送FIFO半滿中斷，⑥、接收FIFO半滿中斷，⑦、奇偶校驗錯誤中斷，⑧、接收溢出中斷。

2-5 UART 波特率分頻器寄存器

UART 波特率分頻器寄存器 (BAUDDIV) 用于時鐘分頻從而產(chǎn)生相應的波特率。該寄存器可讀寫。該分頻器的時鐘源是由UARTnCLKDIV 控制 UART 的波特率源時鐘（SCLK）。

圖6 UART 波特率分頻器寄存器

波特率分頻值計算公式：

BAUDDIV = SCLK / UART BAUDRATE

2-6 UART TX/RX FIFO 數(shù)據(jù)清除寄存器

操作該寄存器可以快速對TX/RX FIFO進行數(shù)據(jù)清空。

圖7 UART TX/RX FIFO 數(shù)據(jù)清除寄存器

3、UART驅(qū)動函數(shù)

在例程LIB->common->Drivers->Source文件夾內(nèi)有uart.c文件，這個就是提供的UART驅(qū)動文件，里面包含了一些基本的驅(qū)動函數(shù)，使用起來十分方便。下面會對每個函數(shù)進行講解。

3-1 UART初始化

在每段源代碼的后面，筆者對其進行一下注釋，方便大家快速掌握和使用這個函數(shù)。這個函數(shù)的4個參數(shù)的意義如下：

uart：要使能的UART模塊，可選UART0、UART1。

baudrate：要設置的串口的波特率。

parityoption：奇偶校驗位，可選UART_EVEN_PARITY(奇校驗)、 UART_ODD_PARITY(偶校驗)、 UART_RX_NO_INT(無校驗)。

rxinttriggerlevel：接收中斷觸發(fā)條件。

voidUART_Open(UART0_Type*uart,uint32_tbaudrate,uint8_tparityoption,uint8_trxinttriggerlevel)
{
uint32_tvolatiledelays;

if(uart==UART0)
{

//初始化時關閉UART0IRQ
NVIC_DisableIRQ(UART0_IRQn);

//使能UART0時鐘
SYSCON->SYSAHBCLKCTRL_b.UART0_CLK=1;//enableUART0PCLK
SYSCON->UART0CLKDIV_b.DIV=0x1;/*dividedby1*/

//復位UART0
SYSCON->PRESETCTRL_b.UART0_RST_N=0;
SYSCON->PRESETCTRL_b.UART0_RST_N=1;
}
elseif(uart==UART1)
{
//初始化時關閉UART1IRQ
NVIC_DisableIRQ(UART1_IRQn);

//使能UART1時鐘
SYSCON->SYSAHBCLKCTRL_b.UART1_CLK=1;//enableUART1PCLK
SYSCON->UART1CLKDIV_b.DIV=0x1;/*dividedby1*/

//復位UART1
SYSCON->PRESETCTRL_b.UART1_RST_N=0;
SYSCON->PRESETCTRL_b.UART1_RST_N=1;
}
elsereturn;

//設置波特率
uart->BAUDDIV_b.BAUDDIV=MainClock/baudrate;

//設置奇偶校驗
if(parityoption==UART_ODD_PARITY)
uart->CTRL_b.PARISEL=1;

if(parityoption!=UART_NO_PARITY)
uart->CTRL_b.PARIEN=1;

//設置中斷觸發(fā)條件
if(rxinttriggerlevel==UART_RX_NOT_EMPTY)
uart->CTRL_b.RXNEIE=1;

if(rxinttriggerlevel==UART_RX_HALF_FULL)
uart->CTRL_b.RXHLFIE=1;

if(rxinttriggerlevel==UART_RX_FULL)
uart->CTRL_b.RXFIE=1;

//使能發(fā)送和接收功能
uart->CTRL_b.TXEN=1;
uart->CTRL_b.RXEN=1;

//插入延時
SYS_DelaymS(1);

//清空FIFO
uart->FIFOCLR=0xFF;
return;
}

3-2 UART關閉

這段函數(shù)用來關閉UART0或者UART1，只需要傳入需要關閉的串口即可。

voidUART_Close(UART0_Type*uart)
{
if(uart==UART0)
{
//關閉UART0_IRQ
NVIC_DisableIRQ(UART0_IRQn);

//關閉UART0時鐘
SYSCON->SYSAHBCLKCTRL_b.UART0_CLK=0;

}elseif(uart==UART1)
{

//關閉UART1_IRQ
NVIC_DisableIRQ(UART1_IRQn);

//關閉UART1時鐘
SYSCON->SYSAHBCLKCTRL_b.UART1_CLK=0;
}
elsereturn;

//關閉相應UART的中斷，并清除中斷標志
UART_DisableInt(uart);
UART_ClearIntFlag(uart);
return;
}

3-3 UART讀取單個字節(jié)

這段函數(shù)的作用是UART讀取單個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

uint8_tUART_ByteRead(UART0_Type*uart,uint8_t*data)
{
if(uart->STATE_b.RXNE)
{
*data=uart->DATA;
return0;
}
else
return1;
}

3-4 UART連續(xù)讀取多個字節(jié)

UART連續(xù)讀取串口數(shù)據(jù)，直到讀取到指定長度的數(shù)據(jù)。

voidUART_Read(UART0_Type*uart,uint8_t*rxbuf,uint8_t*readbytes)
{
uint8_ttemp=0;

//getalldata
while((uart->STATE_b.RXNE)  ((*readbytes)--))
{
*rxbuf++=uart->DATA;
temp++;
}

//returnnumberofread
*readbytes=temp;
return;
}

3-5 UART發(fā)送單個字節(jié)

這段函數(shù)的作用是UART發(fā)送單個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

uint8_tUART_ByteWrite(UART0_Type*uart,uint8_tdata)
{
if(uart->STATE_b.TXF)
return1;

uart->DATA=data;
return0;
}

3-6 UART連續(xù)發(fā)送多個字節(jié)

UART連續(xù)發(fā)送串口數(shù)據(jù)，直到發(fā)送完指定長度的數(shù)據(jù)。

voidUART_Send(UART0_Type*uart,uint8_t*txbuf,uint32_tsendbytes)
{
while(sendbytes--)
{
while(uart->STATE_b.TXF);
uart->DATA=*txbuf++;
}
return;
}

3-7 UART發(fā)送字符串

UART發(fā)送一段字符串數(shù)據(jù)，只需要將要發(fā)送的字符串數(shù)據(jù)首地址傳入即可。

voidUART_PutString(UART0_Type*uart,uint8_t*str)
{
while(!(*str=='?'))
{
while(uart->STATE_b.TXF);
uart->DATA=*str++;
}
return;
}

3-8 UART使能中斷

有兩個參數(shù)項，第一個是選擇需要使能的UART，第二個選擇觸發(fā)中斷的條件。

voidUART_EnableInt(UART0_Type*uart,uint32_tintcon)
{
uart->CTRL|=intcon;
return;
}

3-9 UART關閉中斷

調(diào)用該函數(shù)后，所有的串口的中斷觸發(fā)條件都將關閉。

voidUART_DisableInt(UART0_Type*uart)
{
uart->CTRL =0xFFFFFF00;
return;
}

4、串口中斷例程

介紹完UART常用的驅(qū)動函數(shù)，接下來用個小例程來演示下UART的驅(qū)動。測試程序的功能是：通過串口助手發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)到單片機，單片機收到該數(shù)據(jù)后，將該數(shù)據(jù)通過單片機的串口發(fā)送到串口助手。

程序設計思路

首先是對UART0端口的初始化，將IO口復用為串口UART0的TX、RX功能。

隨后將UART0初始化為波特率115200，無奇偶校驗，接收非空觸發(fā)中斷。

下一步就是使能UART0的中斷，中斷觸發(fā)條件為接收FIFO非空。

最后使能UART0_IRQn中斷服務子程序。

測試程序的代碼如下：

intmain(void)
{
//UART0端口初始化
PA_2_INIT(PA_2_TX0);
PA_3_INIT(PA_3_RX0);

//UART0寄存器初始化
UART_Open(UART0,115200,UART_NO_PARITY,UART_RX_NOT_EMPTY);
UART_EnableInt(UART0,UART_RX_NOT_EMPTY);
NVIC_EnableIRQ(UART0_IRQn);
while(1)
{
}
}

//UART0中斷服務子程序
voidUART0_IRQHandler(void)
{
uint8_tcdata;

//判斷中斷狀態(tài)位
if(UART0->INTSTATUS_b.RXNEINT)
{
cdata=UART0->DATA;//將接收到的數(shù)據(jù)返回
UART0->DATA=cdata;
}

//清除中斷狀態(tài)
UART0->INTSTATUS=0x0F;
}

程序調(diào)試

編寫完程序，首先要在編譯環(huán)境下進行編譯、連接。沒有錯誤后（最好連警告也沒有）。就可以實際連接到電路板進行程序調(diào)試運行了。

在實驗前需要先確定U轉(zhuǎn)串所使用的的串口號，通過windows的設備管理器中的端口（COM和LPT）查看我們的串口，比如本例中是COM7。

圖8 串口端口號選擇

接下來打開串口上位機工具，本例使用的是“大傻串口工具”。按照程序中設置的串口參數(shù)配置好串口。端口選擇COM7，波特率115200，數(shù)據(jù)位8位，無奇偶校驗，1位停止位。最后點擊打開串口即可。打開后如圖所示：

圖9 串口配置

上位機環(huán)境配置好之后，接下里就可以下載并仿真程序了。首先我們在UART0_IRQ中斷子程序中位置打上斷點。隨后全速運行程序。

圖10 仿真界面

然后我們在上位機發(fā)送一個數(shù)據(jù)進行測試，例如發(fā)送一個字節(jié)0x11。這時候單片機便會進入串口中斷服務程序，并且停止在斷點處。這時候我們聽過watch窗口看到接收的數(shù)據(jù)，就是0x11。

圖11 數(shù)據(jù)發(fā)送

繼續(xù)單步運行并退出中斷服務程序，這時候我們再去看上位機，發(fā)現(xiàn)收到了單片機返回的數(shù)據(jù)。

圖12 數(shù)據(jù)接收

來源：敏矽MCU