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串口通信(UART)详细介绍
2021-09-25 10:00:26 阅读: 发布人:纵横智控

通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),通常称作UART,是一种异步收发传输器。

首先先来介绍以下同步和异步通信,同步是指,发送方发出数据后,等接收方发回响应以后才发下一个数据包的通讯方式;异步是指,发送方发出数据后,不等接收方发回响应,接着发送下个数据包的通讯方式。换句话说,同步通信是阻塞方式,异步通信是非阻塞方式。在常见通信总线协议中,I2C,SPI属于同步通信而UART属于异步通信。同步通信的通信双方必须先建立同步,即双方的时钟要调整到同一个频率,收发双方不停地发送和接收连续的同步比特流。异步通信在发送字符时,发送端可以在任意时刻开始发送字符,所以,在UART通信中,数据起始位和停止位是必不可少的。

硬件层

常用RS-232标准,这里不详细解释,主要是对应设备的Tx线和Rx线要对应正确。

协议层

协议层中,规定了数据包的内容,它由起始位、主体数据、校验位以及停止位组成,通信双方的数据包格式要约定一致才能正常收发数据 。

波特率:异步通信中由于没有时钟信号,所以2个通信设备需约定好波特率,常见的有4800、9600、115200等。

通信的起始和停止信号:串口通信的一个数据包从起始信号开始,知道停止信号结束。数据包的起始信号由一个逻辑0的数据位表示,而数据包的停止信号可由0.5、1、1.5或2个逻辑1的数据位表示,只要双方约定一致即可。

有效数据:在数据包的起始位之后紧接着的就是要传输的主体数据内容,也称为有效数据,有效数据的长度常被约定为8位或9位长。

数据校验:在有效数据之后,有一个可选的数据校验位。由于数据通信相对容易受到外部干扰导致传输数据出现偏差,可以在传输过程加上校验位来解决这个问题。校验方法有奇校验(odd)、偶校验(even)、0校验(space)、1校验(mark)以及无校验(noparity)。

奇校验要求有效数据和校验位中“1”的个数为奇数,比如一个 8 位长的有效数据为:01101001,此时总共有 4 个“1”,为达到奇校验效果,校验位为“1”,最后传输的数据将是 8 位的有效数据加上 1 位的校验位总共 9 位。偶校验与奇校验要求刚好相反,要求帧数据和校验位中“1”的个数为偶数,比如数据帧:11001010,此时数据帧“1”的个数为 4 个,所以偶校验位为“0”。0 校验是不管有效数据中的内容是什么,校验位总为“0”,1 校验是校验位总为“1”。

UART功能框图剖析

这张图是当年上学时使用System C对UART建模的模块图。对于接口部分,重要的即为Tx,Rx数据输出,接收接口,clk提供波特率生成模块的初始时钟信号。有关控制器部分,在这里使用逻辑电路来实现,具体控制输出/接收使能,设备使能等。

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在目前的微控制器上,数字电路控制部分已被封装,现在只需要操作对应寄存器的对应位即可实现对UART的控制。以手上芯片STM32F411为例,下图是UART框图:

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波特率生成模块:

USART 的发送器和接收器使用相同的波特率。有以下的计算公式

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其中,fck为 USART 时钟, USARTDIV 是一个存放在波特率寄存器(USART_BRR)的一个无符号定点数。其中 DIV_Mantissa[11:0]位定义 USARTDIV 的整数部分,DIV_Fraction[3:0]位定义 USARTDIV 的小数部分。

例如:DIV_Mantissa=24(0x18),DIV_Fraction=10(0x0A),此时 USART_BRR 值为0x18A;那么USARTDIV的小数位10/16=0.625;整数位24,最终USARTDIV的值为24.625。

波特率的常用值有 2400、9600、19200、115200。下面以实例讲解如何设定寄存器值得到波特率的值。我们知道 USART1 使用APB2总线时钟,最高可达72MHz,其他USART的最高频率为36MHz。我们选取USART1作为实例讲解,即fck=72MHz。为得到115200bps的波特率,此时:115200=72000000/(16∗USARTDIV),解得USARTDIV=39.0625,可算得DIV_Fraction=0.0625*16=1=0x01,DIV_Mantissa=39=0x27,即应该设置USART_BRR的值为0x171。

数据寄存器:

UART数据寄存器(USART_DR)只有低9位有效,并且第9位数据是否有效要取决于UART控制寄存器1(USART_CR1)的M位设置,当M位为0时表示8位数据字长,当M位为1表示9位数据字长,我们一般使用8位数据字长。

USART_DR包含了已发送的数据或者接收到的数据。USART_DR实际是包含了两个寄存器,一个专门用于发送的可写TDR,一个专门用于接收的可读RDR。当进行发送操作时,往USART_DR写入数据会自动存储在TDR内;当进行读取操作时,向USART_DR读取数据会自动提取RDR数据。

TDR和RDR都是介于系统总线和移位寄存器之间。串行通信是一个位一个位传输的,发送时把TDR内容转移到发送移位寄存器,然后把移位寄存器数据每一位发送出去,接时把接收到的每一位顺序保存在接收移位寄存器内然后才转移到RDR。

UART支持DMA传输,可以实现高速数据传输(不经过CPU),使能UART的DMA功能需要将USART_CR1寄存器DMAT位置1。

控制器:

UART有专门控制发送的发送器、控制接收的接收器,还有唤醒单元、中断控制等。使用UART之前需要向USART_CR1寄存器的UE位置1使能UART,UE位用于开启供给串口的时钟。发送或者接收数据字长可选8或9位,由USARTT_CR1的M位控制。

1)发送器

当USART_CR1寄存器的发送使能位TE置1时,启动数据发送,发送移位寄存器的数据会在TX引脚输出,低位在前,高位在后。

一个字符帧发送需要3部分:起始位、数据帧、停止位。起始位是一个位周期的低电平,位周期就是每一位占用的时间 ;数据帧就是我们要发送的8或9位数据,数据是最低位开始传输的;停止位是一定时间周期的高电平。

停止位的时间长短可以通过UART控制寄存器2(USART_CR2)的STOP[1:0]位控制,可选0.5个、1个、1.5个、2个停止位。默认使用1个停止位。2个停止位适用于正常USART模式、单线模式和调制解调器模式。0.5和1.5个停止位用于智能卡模式。

当发使能位TE置1之后,发送器开始会发送一个空闲帧(一个数据帧长度的高电平),接下来就可以往USART_DR寄存器写入要发送的数据。在写入最后一个数据后,需等待UART状态寄存器(USART_SR)的TC位为1,表示数据传输完成。USART_CR1寄存器的TCIE位置1,则产生中断。

发送数据时,几个重要的标志位如下:

TE:发送使能。

TXE:发送寄存器为空,发送单个字节时使用。

TC:发送完成,发送多个字节数据时候使用。

TXIE:发送完成中断使能。

2)接收器

将CR1寄存器的RE位置1,使能USART接收,使得接收器在RX线开始搜索起始位。在确定起始位后,就根据RX线电平状态把数据存放在接收移位寄存器内。接收完成后就把接收移位寄存器的数据移到PDR内,并把USART_SR寄存器的RXNE位置。如果USART_CR2寄存器的RXNEIE置1可以产生中断。

接收数据时,几个重要的标志位如下:

RE:接收使能。

RXNE:读数据寄存器非空。

RXNEIE:发送完成中断使能。

USART_CR1寄存器:

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USART_CR2寄存器:

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USART_CR3寄存器:

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关键词:串口模块

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