串口通信技術與編程應用

串口通信技術與編程應用7.1USART的功能和內(nèi)部結(jié)構7.2USART的寄存器7.3USART的收發(fā)格式7.4USART波特率的設置7.5USART硬件流控制7.6USART中斷請求與模式配置7.7USART編程應用實例

7.1USART的功能和內(nèi)部結(jié)構

7.1.1USART的主要功能

USART提供了一種靈活的方法與工業(yè)標準的異步串行數(shù)據(jù)格式以外的外部設備進行全雙工數(shù)據(jù)交換。USART利用分數(shù)波特率發(fā)生器提供較寬范圍的波特率參數(shù)選擇。同時它也支持同步單向通信和單線半雙工通信，支持LIN(局域互聯(lián)網(wǎng))、智能卡協(xié)議和IrDA(紅外數(shù)據(jù)組織)SIRENDEC規(guī)范，以及調(diào)制解調(diào)器CTS/RTS操作。它還允許多個處理器之間進行數(shù)據(jù)通信，通過使用多緩存配置的DMA方式，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。

USART1接口通信速率可達4.5?Mb/s，其他接口的通信速率可達2.25?Mb/s。USART1、USART2和USART3接口具有硬件的CTS和RTS信號管理，兼容ISO7816的智能卡模式和SPI通信模式。除UART5外，所有其他接口都可以使用DMA操作。1．異步模式

(1)總線在發(fā)送或接收前應處于空閑狀態(tài)。

(2)一個起始位。

(3)一個數(shù)據(jù)字(8位或9位)，最低有效位在前。

(4)?0.5、1.5、2個停止位，由此表明數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。

(5)使用分數(shù)比特率發(fā)生器(12位整數(shù)和4位小數(shù)的表示方法)。

(6)獨立的發(fā)送器和接收器使能位。

(7)接收緩沖器滿、發(fā)送緩沖器空和傳輸結(jié)束標志。

(8)溢出錯誤、噪聲錯誤、幀錯誤和校驗錯誤標志。

(9)硬件數(shù)據(jù)流控制。

(10)一個狀態(tài)寄存器(USART_SR)。

(11)數(shù)據(jù)寄存器(USART_DR)。

(12)一個比特率寄存器(USART_BRR)，12位的整數(shù)和4位小數(shù)。

(13)一個智能卡模式下的保護時間寄存器(USART_GTPR)。

2．同步模式

同步模式需要用到SCLK信號，作為發(fā)送器同步傳輸?shù)臅r鐘輸出引腳。數(shù)據(jù)可在Rx引腳上利用SCLK信號同步接收。SCLK時鐘相位和極性都可用軟件編程。在智能卡通信模式中，SCLK為智能卡提供同步時鐘。

3．IrDA傳輸模式需要的引腳

(1)?IrDA_RDI為IrDA模式下的數(shù)據(jù)輸入。

(2)?IrDA_TDO為IrDA模式下的數(shù)據(jù)輸出。

4．硬件流控制模式中需要的引腳

(1)?nCTS引腳為清除發(fā)送信號。若nCTS是高電平，在當前數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時，可阻斷下一次的數(shù)據(jù)發(fā)送。

(2)?nRTS引腳為發(fā)送請求信號。若nRTS是低電平，表明USART已準備好接收數(shù)據(jù)。

圖7.1是幾種典型的串口通信功能示意圖。圖7.1幾種典型的串口通信方式示意圖7.1.2USART的內(nèi)部結(jié)構

接口通常通過3個引腳(Rx、Tx和GND)與其他設備連接在一起。任何USART雙向通信至少需要兩個引腳：接收數(shù)據(jù)輸入(Rx)和發(fā)送數(shù)據(jù)輸出(Tx)。

Rx通過采樣技術區(qū)別數(shù)據(jù)和噪聲，從而恢復數(shù)據(jù)。當發(fā)送器被禁止時，輸出引腳恢復到它的I/O端口配置。當發(fā)送器被激活，并且不發(fā)送數(shù)據(jù)時，Tx引腳處于高電平。USART硬件結(jié)構可分為發(fā)送與接收、控制、中斷和波特率發(fā)生器4個部分。1．發(fā)送與接收部分

USART發(fā)送與接收部分電路結(jié)構如圖7.2所示。圖7.2USART發(fā)送與接收部分電路結(jié)構圖

當需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，內(nèi)核(或DMA外設)把數(shù)據(jù)從內(nèi)存(變量)寫入發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器TDR，之后發(fā)送控制器自動把數(shù)據(jù)從TDR加載到發(fā)送移位寄存器中，然后通過串口線Tx，把數(shù)據(jù)逐位地從Tx引腳發(fā)送出去。在數(shù)據(jù)從TDR轉(zhuǎn)移到移位寄存器時，會產(chǎn)生發(fā)送寄存器TDR已空事件TXE。當數(shù)據(jù)從移位寄存器全部發(fā)送出去時，會產(chǎn)生數(shù)據(jù)發(fā)送完成事件TC。這些事件可以在狀態(tài)寄存器中查詢到。

而接收數(shù)據(jù)則是一個逆過程，數(shù)據(jù)從串口線Rx引腳逐位地輸入接收移位寄存器中，然后自動地把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到接收數(shù)據(jù)寄存器RDR，最后用軟件(或DMA)讀取到內(nèi)存(變量)中。

2．控制及中斷部分圖7.3USART控制及中斷部分電路結(jié)構圖

發(fā)送器與接收器控制部分，包括USART三個控制寄存器(CR1、CR2和CR3)及一個狀態(tài)寄存器(SR)。該部分通過向寄存器寫入各種控制參數(shù)來控制發(fā)送和接收狀態(tài)(如奇偶校驗位、停止位等)，還包括對USART中斷的控制。串口的狀態(tài)在任何時候都可以從狀態(tài)寄存器中查詢到。

3．波特率發(fā)生器

USART波特率發(fā)生器包括發(fā)送器波特率控制、接收器波特率控制和波特率時鐘分頻器等部分，其結(jié)構如圖7.4所示。圖7.4USART波特率發(fā)生器結(jié)構圖7.2USART的寄存器圖7.5USART寄存器地址映像及復位值

7.3USART的收發(fā)格式

在STM32xx系列ARM處理器中，用戶可以通過設置USART_CR1寄存器中的M標志位來選擇是8bit字長還是9bit字長。USART串口通信中字符長度的設置如圖7.6所示。圖7.6USART字符長度的設置

在USART串口數(shù)據(jù)通信過程中，Tx引腳在起始位期間一直保持低電平，而在停止位期間則保持高電平。

在數(shù)據(jù)幀中，空閑符被認為是一個全“1”的幀，其后緊跟著包含數(shù)據(jù)的下一個幀的起始位。而間隙符是一個幀周期全接收到“0”的數(shù)。在間隙幀之后，發(fā)送器會自動插入一個或者兩個停止位，即邏輯“1”，用于應答起始位。

需要指出的是，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)都是通過波特率產(chǎn)生器驅(qū)動的。當發(fā)送者和接收者的使能位均被設置為“1”時，則會為彼此分別產(chǎn)生驅(qū)動時鐘。7.3.1USART的發(fā)送器

1．字符發(fā)送

在USART發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，Tx引腳先出現(xiàn)最低有效位。在這種模式下，USART_DR寄存器包含了一個與內(nèi)部總線和發(fā)送移位寄存器之間的緩沖寄存器，即TDR。在字符發(fā)送過程中，每個字符之前都有一個邏輯低電平的起始位，用來分隔發(fā)送的字符數(shù)目。

在USART串口發(fā)送字符的過程中，TE標志位在數(shù)據(jù)發(fā)送期間不能復位(如果數(shù)據(jù)發(fā)送期間復位標志TE，將會破壞Tx發(fā)送引腳上的數(shù)據(jù)信息，因為此時波特率計數(shù)器將被凍結(jié)，當前發(fā)送的數(shù)據(jù)將丟失)。在TE標志位使能之后，USART串口將發(fā)送一個空閑幀。

2．可配置的停止位

在USART串口通信的過程中，每個字符所帶的停止位的個數(shù)可以通過控制寄存器2中的第12位和第13位進行配置，如圖7.7所示。具體配置的內(nèi)容如下：

(1)?1個停止位。系統(tǒng)默認停止位數(shù)目為1個停止位。

(2)?2個停止位。通常情況下，USART在單線和調(diào)制解調(diào)器模式下支持2個停止位。

(3)?0.5個停止位。當USART處于智能卡模式下接收數(shù)據(jù)的時候支持0.5個停止位。

(4)?1.5個停止位。當USART處于智能卡模式下發(fā)送數(shù)據(jù)的時候支持1.5個停止位。

USART通信過程中空閑幀的發(fā)送已經(jīng)包含了停止位。間隙幀可以是10個低位(標志位M=0)之后加上1個對應配置的停止位，也可以是11個低位(標志位M=l)之后加上1個配置的停止位。但是，不能發(fā)送長度大于10或11個低位的長間隙。

用戶可以通過以下步驟實現(xiàn)對USART通信停止位的設置：

(1)通過將USART_CR1寄存器中的UE標志位設置為1來使能USART串口通信功能。

(2)通過配置USART_CR1寄存器中的M標志位來定義字長(當標志位M=0時，字長為10；當標志位M=1時，字長為11)。

(3)停止位的個數(shù)可通過USART_CR2寄存器配置。

(4)如果用戶釆用多緩沖通信，則需要選擇USART_CR3寄存器中的DMA使能位，即DMAT標志位。用戶可以按照多緩沖通信的方式配置DMA寄存器。

(5)通過設置USART_CR1寄存器中的TE標志位發(fā)送一個空閑幀作為第一次數(shù)據(jù)發(fā)送。

(6)通過USART_BRR寄存器選擇數(shù)據(jù)通信的波特率。

(7)向USART_DR寄存器中寫入需要發(fā)送的字符(這個操作會清除TXE標志位)，停止位就會自動加在字符的末端。圖7.7USART通信中的停止位

3．單字節(jié)通信

在USART單字節(jié)通信過程中，清除TXE標志位一般都是通過向數(shù)據(jù)寄存器中寫入數(shù)據(jù)來完成的。但TXE標志位是由系統(tǒng)硬件所設置的，且該標志位用來表明以下內(nèi)容：

(1)數(shù)據(jù)已經(jīng)從TDR中轉(zhuǎn)移到移位寄存器，數(shù)據(jù)發(fā)送已經(jīng)開始。

(2)?TDR寄存器是空的。

(3)數(shù)據(jù)已寫入USART_DR寄存器，而且不會覆蓋前面的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

如果TXEIE標志位為1，則表明將產(chǎn)生一個中斷。

如果USART接口沒有進行數(shù)據(jù)發(fā)送，用戶向USART_DR寄存器中寫入一個數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)將直接被放入移位寄存器中。在發(fā)送開始的時候，TXE標志位也將被設置為1。當一個數(shù)據(jù)幀發(fā)送完成，即在結(jié)束位之后，TC標志位將被設置為1。如果USART_CR1寄存器中的TCIE標志位被設置為1，將產(chǎn)生一個中斷。

用戶可以通過軟件的方式來清除TC標志位，具體操作步驟如下：

(1)讀一次USART_SR寄存器。

(2)寫一次USART_DR寄存器。

4．間隙字符

在USART通信過程中，用戶可以通過設置SBK標志位來發(fā)送一個間隙字符。間隙幀的長度與標志位M有關。

如果SBK標志位被設置為1，在完成當前的數(shù)據(jù)發(fā)送之后將在Tx線路上發(fā)送一個間隙字符。間隙字符發(fā)送完成后，由硬件對SBK標志位進行復位。USART在最后一個間隙幀的末端插入一個邏輯1，從而保證下一個幀的起始位能夠被識別。

7.3.2USART的接收器

USART通信接口中的接收器可以接收8位或9位的數(shù)據(jù)。同樣，數(shù)據(jù)字的長度取決于USART_CR1寄存器中的M標志位。

1．字符接收

在USART數(shù)據(jù)通信接收期間，Rx引腳最先接收到最低有效位。在這種模式下，USART_DR寄存器由一個內(nèi)部總線和接收位移寄存器之間的緩沖區(qū)RDR構成。

有關USART字符接收的具體流程如下。

(1)通過將USART_CR1寄存器中的UE標志位設置為1來使能USART。

(2)通過配置USART_CR1寄存器中的M標志位來定義字長。

(3)通過USART_CR2寄存器配置停止位的個數(shù)。

(4)如果發(fā)生多緩沖通信，則選擇USART_CR3寄存器中的DMA使能位，即DMAT標志位，按照多緩沖通信中的配置方法來設置DMA寄存器。

(5)通過波特率寄存器USART_BRR來選擇合適的波特率。

(6)將USART_CR1寄存器中的RE標志位設置為1，即能使接收器開始尋找起始位。

在USART通信接口中接收到一個字符的時候，系統(tǒng)將執(zhí)行如下操作：

(1)?RXNE標志位被設置為1，表明移位寄存器中的內(nèi)容被轉(zhuǎn)移到RDR，即數(shù)據(jù)已經(jīng)接收到并且可供讀取。

(2)如果RXNEIE標志位被設置為1，系統(tǒng)將產(chǎn)生一個中斷。

(3)在數(shù)據(jù)接收期間如果發(fā)現(xiàn)幀錯誤、噪聲或溢出錯誤，則錯誤標志將會被設置為1。

(4)在多緩沖接收過程中，RXNE在每接收到一個字節(jié)之后都會被設置為1，并通過DMA讀取數(shù)據(jù)寄存器來消除該標志位。

(5)在單緩沖模式下，對RXNE標志位的清除是由軟件讀取USART_DR寄存器來完成的。RXNE標志位也可通過直接對其寫0進行清除。但需要注意的是，RXNE標志位必須在下一個字符接收完成前被清除，否則將產(chǎn)生溢出錯誤。

2．溢出錯誤

當USART通信接口接收到一個字符，而RXNE標志位還沒有被復位時，系統(tǒng)將出現(xiàn)溢出錯誤。換而言之，在RXNE標志位被清除之前數(shù)據(jù)不能從移位寄存器轉(zhuǎn)移到RDR寄存器。

在每次收到一個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，RXNE標志位都會被設置為1。如果在下一個字節(jié)已經(jīng)被接收或者前一次DMA請求尚未得到服務響應的時候，RXNE置位同樣會產(chǎn)生一個溢出錯誤。在發(fā)生溢出時會發(fā)生以下情況：

(1)?ORE標志位被設置為1。

(2)?RDR中的內(nèi)容不會丟失，用戶在讀取USART_DR寄存器的時候，前一個數(shù)據(jù)仍然保持有效。

(3)移位寄存器將被覆蓋，在此之后所有溢出期間接收到的數(shù)據(jù)都將丟失。

(4)如果RXNEIE標志位被設置為1或EIE的DMAR標志位被設置為1，系統(tǒng)將產(chǎn)生一個中斷。

(5)用戶可以通過對USART_SR寄存器進行讀數(shù)據(jù)操作后再繼續(xù)讀USART_DR寄存器來實現(xiàn)對ORE標志位的復位操作。

3．噪聲錯誤

在ARM處理器中，可以通過“過采樣”技術有效輸入數(shù)據(jù)和噪聲，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(不可以在同步模式下使用)。

當在USART數(shù)據(jù)幀中檢測到噪聲時，將產(chǎn)生以下動作狀態(tài)：

(1)?NE標志位在RXNE位的上升沿被設置為1。

(2)無效的數(shù)據(jù)從移位寄存器轉(zhuǎn)移到USART_DR寄存器。

(3)如果是單字節(jié)通信，將不會產(chǎn)生中斷，但NE標志位將和自身產(chǎn)生中斷的RXNE標志位一起作用。

(4)在多緩沖通信中，如果USART_CR3寄存器中的EIE標志位被設置為1，將導致一個系統(tǒng)中斷。

(5)用戶可以通過依次讀取USART_SR寄存器和USART_DR寄存器的方式對NE標志位進行復位。

7.4USART波特率的設置

波特率是每秒鐘傳送二進制數(shù)的位數(shù)，單位為位/秒(bitpersecond，bps)。波特率是串行通信的重要指標，用于表征數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，但與字符的實際傳輸速度不同。字符的實際傳輸速度是指每秒鐘內(nèi)所傳字符幀的幀數(shù)，與字符幀格式有關。例如，波特率為1200?b/s的通信系統(tǒng)，若采用11數(shù)據(jù)位字符幀，則字符的實際傳輸速度為1200/11=109.09幀/秒，每位的傳輸時間為1/1200秒。

接收器和發(fā)送器的波特率在USARTDIV中的整數(shù)和小數(shù)位中的值應設置成相同的。波特率通過USART_BRR寄存器來設置，包括12位整數(shù)部分和4位小數(shù)部分。USART_BRR寄存器格式如圖7.8所示。圖7.8USART_BRR寄存器格式

圖7.8中，位0～位3定義了USART波特率分頻器除法因子(USARTDIV)的小數(shù)部分。位4～位15定義了USAKT波特率分頻器除法因子(USARTDIV)的整數(shù)部分。

發(fā)送和接收的波特率計算公式如下：

波特率=fPCLKx/(16×USARTDIV)

式中，fPCLKx(x=1，2)是外設的時鐘，PCLK1用于USART2、USART3、USART4和USART5，PCLK2用于USART1。USARTDIV是一個無符號的定點數(shù)。例7.1要求USARTDIV=25.62d，就有

DIV_Fraction=16×0.62d=9.92d，近似等于10d=0x0A

DIV_Mantissa=mantissa(25.620d)=25d=0x19

所以，USART_BRR=0x19A。

例7.2要求USARTDIV=50.99d，就有

DIV_Fraction=16×0.99d=15.84d≈16d=0x0

DIVMantissa=mantissa(50.990d)=50d=0x32

所以，USART_BRR=0x330。

7.5USART硬件流控制

串口之間在傳輸數(shù)據(jù)時，經(jīng)常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，或者兩臺計算機的處理速度不同，如臺式機與單片機之間的通信，若接收端數(shù)據(jù)緩沖區(qū)已滿，則此時繼續(xù)發(fā)送來的數(shù)據(jù)就會丟失。為了解決數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，USART中設計了硬件流控制。當接收端數(shù)據(jù)處理能力不足時，就發(fā)出“不再接收”的信號，發(fā)送端即停止發(fā)送，直至收到“可繼續(xù)發(fā)送”的信號后再發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，硬件流控制可以控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪M程，防止數(shù)據(jù)的丟失。硬件流控制常用的有RTS/CTS(請求發(fā)送/清除發(fā)送)流控制和DTR/DSR(數(shù)據(jù)終端就緒/數(shù)據(jù)設置就緒)流控制。用RTS/CTS流控制時，應將通信兩端的RTS、CTS線對應相連，數(shù)據(jù)終端設備(如計算機)使用RTS來協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的發(fā)送，而數(shù)據(jù)通信設備(如調(diào)制解調(diào)器)則用CTS來啟動和暫停來自計算機的數(shù)據(jù)流。

利用nCTS輸入和nRTS輸出可以控制兩個設備之間的串行數(shù)據(jù)流。兩個串口之間的硬件流控制連線如圖7.9所示。圖7.9兩個串口之間的硬件流控制

1．RTS流控制

如果RTS流控制被使能(RTSE=1)，只要USART接收器準備好接收新的數(shù)據(jù)，nRTS就變成有效(低電平)。當接收寄存器內(nèi)有數(shù)據(jù)到達時，nRTS被釋放，由此表明希望在當前幀結(jié)束時停止數(shù)據(jù)傳輸。

2．CTS流控制

如果CTS流控制被使能(CTSE=1)，發(fā)送器在發(fā)送下一幀前檢查nCTS輸入。如果nCTS有效(低電平)，則下一個數(shù)據(jù)被發(fā)送(假設那個數(shù)據(jù)是準備發(fā)送的，即TXE=0)，否則下一幀數(shù)據(jù)不被發(fā)送出去。若nCTS在傳輸期間變成無效，當前的傳輸完成后即停止發(fā)送。當CTSE=1時，只要nCTS輸入變換狀態(tài)，硬件就自動設置CTSIE狀態(tài)位，它表明接收器是否已準備好進行通信。如果設置了USART_CR3寄存器的CTSIE位，則產(chǎn)生中斷。7.6USART中斷請求與模式配置

USART的各種中斷事件被連接到同一個中斷向量。有以下幾種中斷事件：

(1)發(fā)送期間的中斷事件包括發(fā)送完成、清除發(fā)送和發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器空。

(2)接收期間的中斷事件包括閑總線檢測、溢出錯誤、接收數(shù)據(jù)寄存器非空中斷、檢驗錯誤、LIN斷開符號檢測、噪聲標志(僅在多緩沖器通信)和幀錯誤(僅在多緩沖器通信)。

(3)如果設置了對應的使能控制位，這些事件就會產(chǎn)生各自的中斷。

USART各種中斷事件邏輯如圖7.10所示。圖7.10USART中斷邏輯圖

7.7USART編程應用實例

7.7.1串口通信應用基礎

1．串口連接

STM32F103x4/6系列器件有兩個同步/異步串口(USART1和USART2)，STM32F103xC/D/E有5個串口(USART1、USART2、USART3、UART4和UART5)。在STM32處理器中，串口引腳往下兼容(即同名的串口引腳接線相同)。圖7.11是STM32F103x系列器件的5個默認串口連接示意圖。在硬件設計中如不需要硬件流控制，可不連接nCTS和nRTS信號線。

圖7.11