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[嵌入式]MSP432的串行通信

数字通信基本知识

组成

发送器：处理要发送的信息，将其构造成一定格式的帧。
接收器：接收信息并解析信息。
通信介质：发送器和接收器之间的桥梁，为信息提供物理介质，通常为双绞线、光纤或无线射频。

串行通信和并行通信

串行通信：将数据一位一位地由端口送出或接收进来
并行通信：数据的各个数据位（一般为8位及其整数倍）在多条数据线上同时被传输
并行通信的传输速度快、效率高，但抗干扰能力差，且需要的资源多，一般用于短距离、高带宽的大数据量传输
串行通信节省传输线，但数据传送效率没有并行通信高

同步通信和异步通信

异步通信：处理器之间不使用公共的参考时钟，通信双方分别有自己的时钟源，但必须使用相同的波特率。例如UART就是属于串行异步通信。
同步通信：由主机提供时钟与数据，从机使用该时钟接收数据或发送数据，即通信双方公用时钟源。例如：SPI和I2C就属于串行同步通信。

异步串行通信的通用基础知识

定义

串行通信接口，即异步串行通信，简称UART，也就是我们常说的“串口”或SCI，在USB未普及之前，就是PC机必备的通信接口之一

特殊地位

串行通信具有特殊重要地位的原因

原因一：在通信方式上，属于单字节通信，是嵌入式开发中重要的调试手段之一
原因二：它是最简单的串行通信方式，硬件上所说的232、485通信均是指这个串口通信
原因三：硬件接线简单，与MCU引脚直接相连的一般只需要发送线、接收线和地线

异步串行通信的格式

串行通信数据以字节为单位，按位的顺序从发送线送出。从MCU引脚来看，高电平就是逻辑“1”，低电平就是逻辑“0”

异步串行通信的格式

串行通信格式

串行通信的发送线，平时处于逻辑“1”状态
开始发送一个字节前，先发送一位逻辑“0”，即起始位，表示发送一个字节的开始
随后发送一个字节，然后回到平时状态的逻辑“1”
每发送一个字节前，均要先发送一个逻辑”0“，这个起始位这就是”异步“之含义，所以称为异步通信
LSB模式最低有效位模式
MSB模式最高有效位模式
UART默认LSB模式

串行通信的波特率

波特率定义

人们把每秒内传送的位数叫做波特率

单位是：位/秒，记为bps

常用的波特率有9600、19200等

波特率基本概念

在包含开始位与停止位的情况下，发送一个字节需要10位，很容易计算出，在特定波特率下，发送1K字节所需要的时间。波特率越高，位长越小，易受电磁干扰，所以串行通信速度不能很高。距离短时可以适当提高波特率，但提高幅度有限

奇偶校验

目的

在异步串行通信中，如何知道一个字节的传输是否正确？最常见的方法是增加一个位（奇偶校验位），供错误检测使用

定义

? 字符奇偶校验检测（Character Parity Checking,CPC）称为垂直冗余检测（Vertical Redundancy,VRC），它是为每个字符增加一个额外位使字符中“1”的个数为奇数或偶数

? 奇数或偶数依据使用的是“奇校验检查”还是“偶校验检查”而定。当使用”奇校验检查“时，如果字符数据位中“1”的数目是偶数，校验位应为“1”，如果“1”的数目是奇数，校验位应为“0”。当使用”偶校验检查“时，如果字符数据位中“1”的数目是偶数，校验位应为“0”，如果是奇数则为“1”

实例

ASCII字符”R“，其位构成是1010010

由于字符“R”中有3个位为“1”，若使用奇校验检查，则校验位为0；如果使用偶校验检查，则校验位为1

注：几乎所有的MCU的串行异步通信接口，都提供这种功能。但实际编程使用较少，原因是单字节校验意义不大

串行通信传输方式术语

1.全双工（Full-duplex）

? 数据传送是双向的，且可以同时接收与发送数据。这种传输方式中，除了地线之外，需要两根数据线，站在任何一端的角度看，一根为发送线，另一根为接收线。一般情况下，MCU的异步串行通信接口均是全双工的。

2.半双工（Half-duplex）

? 数据传送也是双向的，但是在这种传输方式中，除地线之外，一般只有一根数据线。任何时刻，只能由一方发送数据，另一方接收数据，不能同时收发。

3.单工（Simplex）

? 数据传送是单向的，一端为发送端，另一端为接收端。这种传输方式中，除了地线之外，只要一根数据线就可以了。有线广播就是单工的。

为使数据传输得更远，美国电子工业协会制定了串行物理接口标准RS232

异步创新通信格式：实际的异步串行通信采用的是NRZ数据格式，即“标准不归零传号/空号数据格式”。“不归零”是：用负电平表示一种二进制值，正电平表示另一种二进制值，不使用零电平。“传号/空号”分别是表示两种状态的物理名称，逻辑名称记为“1/0”。

RS232总线标准

RS232采用负逻辑
-15V ~ -3V为逻辑 “ 1 ”
+3V ~ +15V为逻辑 “ 0 ”
最大的传输距离是30m
通信速率一般低于20Kbps

9芯串行接口排列

注：RS232一般使用9芯串行接口
RS232串口接线图

引脚号	功能	引脚号	功能
1	接收线信号检测	6	数据通信设备准备就绪（DSR）
2	接收数据线（RXD）	7	请求发送（RTS）
3	发送数据线（TXD）	8	允许发送（CTS）
4	数据终端准备就绪（DTR）	9	振铃指示
5	信号地（SG）

注：在RS232通信中，常常只用三根线：接收线、发送线和地线

串口通信接口电平转换电路

? 随着USB接口的普及，9芯接口正在逐渐从PC机，特别是从便携式电脑上消失。于是出现232-USB转换线、TTL-USB转换线，在PC机上安装相应的驱动软件，就可在PC机上使用一般的串行通信编程方式，通过USB接口实现与MCU的串行通信。
串行通信接口主要功能
UART编程模型

编程时，程序员并不直接与“发送移位寄存器”和“接收移位寄存器”打交道，只与数据寄存器打交道。

若可以发送，则将待发送的数据放入“数据寄存器”中就可以了，剩下的工作由MCU自动完成。

MCU会将数据从“数据寄存器”送到“发送移位寄存器”，硬件将“发送移位寄存器”的数据一位一位地按照规定的波特率移到发送引脚，供对方接收。

接受时，数据一位一位地从接收引脚进入“接收移位寄存器”，当收到一个完整字节时，MCU会自动将数据送入“数据寄存器”，并将状态寄存器的相应位改变，供程序员判定并取出数据。

UART编程相关

eUSCI模式下的UART

Enhanced Universal Serial Communication Interface

增强的通用串行通信接口（eUSCI）模块支持多种串行通信模式。不同的eUSCI模块支持不同的模式。每一个不同的eUSCI模块以不同的字母命名，例如：eUSCI_A、eUSCI_B等。MSP432单片机实现了不止一个相同的eUSCI模块，这些模块将以递增的数字命名，例如，MSP432单片机支持四个eUSCI_A模块时，这四个模块应该被命名为eUSCI_A0、eUSCI_A1、eUSCI_A2、eUSCI_A3。

eUSCI_A模块支持以下通信模式：

UART通信模式；
具有脉冲整型的IrDA通信模式；
具有自动波特率检测的LIN通信模式；
SPI通信模式。

USCI_B模块支持以下通信模式：

IIC通信模式；
SPI通信模式。

下面首先介绍eUSCI的异步模式——URAT。

UART

Universal Asynchronous Receiver and Transmitter

异步通信收发器

UART的特点及结构

UART即异步串行通信，可设置成全双工异步通讯方式，与PC（个人计算机）等通讯；或设置成半双工同步模式与其他外设通信，如ADC或DAC。

MSP432单片机内置了UART功能，它的作用是将外部设备串行数据转换为并行数据接收；讲内部并行数据转换为串行数据发送。在通用异步收发模式下eUSCI_Ax模块通过两个外部收发引脚UCAxRXD和UCAxTXD把MSP432单片机与外界连接起来。当寄存器UCAxCLT0的UCSYNC控制位被清零，UCMODEx控制位被配置为00时，eUSCI_A模块被配置为UART异步通信模式。

UART的特点如下：

传输7位或8位数据，可采用奇校验、偶校验或者无校验；
具有独立的发送和接收移位寄存器；
具有独立的发送和接收缓存寄存器；
支持最低位优先或最高位优先的数据发送和接收方式；
内置多处理器系统，包括线路空闲和地址位通信协议；
通过有效的起始位检测，将MSP432单片机从低功耗模式下唤醒；
可编程实现分频因子为整数或小数；
具有用于检测错误或排除错误的状态标志位；

UART运行机理

UART结构图
图①串行数据接收逻辑
图②波特率发生器
图③串行数据发送逻辑

在UART模式下，其结构如图。由图可知，在UART模式下，eUSCI_A模块由串行数据接收逻辑（图①）、波特率发生器（图②）和串行数据发送逻辑（图③）三个部分组成。串行数据接收逻辑用于接收串行数据，包括接收移位寄存器、接收缓存寄存器和接收状态寄存器以及接收标志位设置逻辑。波特率发生器用于产生接收和发送的时钟信号，其参考时钟可以来源于ACLK或SMCLK，也可以来自于外部时钟输入UCLK，通过整数或小数分频得到特定的数据传输波特率。传输数据发送逻辑用于发送串行数据，包括发送移位寄存器、发送缓存寄存器和发送状态寄存器以及发送标志位设置逻辑。在UART模式下，eUSCI_A异步的以一定速率向另一个设备发送和接收字符，每个字符的传输时钟是基于软件对波特率的设定，发送和接收要使用相同的波特率。

应用

串口是嵌入式系统与外界联系的重要手段，主要用于以下两个方面：

UART直接和其他的控制器进行数据交换
UART和PC机通信：由于PC机串口是RS232电平，所以连接时需要使用RS232转换器

使用UART通信

使用UART通信需要两个引脚（将在下面的示例中用到），如下表：

引脚名称	类型	描述
RXD	输入	串行输入，接收数据
TXD	输出	串行输出，发送数据

串行发送机TxMachine

TxMachine支持下面的工作特性：

奇偶校验位的生成
清除发送
中断字符发送
双缓存区操作

串行接收机RxMachine

RxMachine把接收到的串行数据送到接收移位寄存器，接收完成后，数据送到串行接收缓存寄存器（SxRBUF），用户从SxRBUF中读取接收到的数据。

串行接收机在接收过程中能够检测出以下三种错误条件：

奇偶校验错：检测到奇偶校验错时，奇偶错标志位被置位。
帧错误：未收到停止位时，帧错误标志位被置位。
超越错误：当接收到一个新的字符前，以前收到的字符没有被CPU读走，旧的数据被覆盖，那么超越错误标志位被置位。

波特率的计算

一般填入波特率寄存器中的值都是通过如下的公式求出来：

UART_BR = MCLK / (BaudRate * N)

注意：N为波特率因子，大多数芯片取N = 16

有些波特率计算精度较高，它们有两个波特率寄存器UART_BR1和UART_BR2，其中UART_BR1则用来存放上式计算出来的整数部分，而UART_BR2则用来存放上式计算出来的小数部分，这样计算出来的波特率就更精确，误差更小。

如果假设时钟源选择12MHz，如果要取UART2的9600波特率，那么如何计算

N = 12000000/9600 = 1250
1 -> OS16 UCBR2 = INT(1250/16) = 78
UCBRF2 = INT(N/ 6 - INT(N/16)) * 16 = INT(0.125 * 16) = 2
N = N - INT(N)

其中根据第一步，N=1250，INT(N)=0，因此N-INT(N)=0，查表TABLE24-4，可以得到UCBRSx的值应该为0.

注意，如果N-INT(N)不等于0，那么按照官方文档要求，在TABLE24-4中按照往前靠的原则进行查表，例如小数部分为0.125，那么查表对应数据为0.100对应的数值。

UART相关寄存器

1寄存器地址分析

MSP432芯片有四个UART模块。每个模块有其对应的寄存器。以下地址分析均为16进制，为书写简化起见，在不至于引起歧义的情况下，略去十六进制后缀“0x”不写。
UART模块x的寄存器地址=4000_1000+x * 400+n * 2(x = 0~3;n = 0~15(除2、10、11、12), n代表寄存器号)。

2控制寄存器

eUSCI_Ax控制字寄存器0（UCAxCTLW0）
eUSCI_Ax控制字寄存器1（UCAxCTLW1）
eUSCI_Ax中断使能寄存器（UCAxIE）
eUSCI_Ax调制控制字寄存器（UCAxMCTLW）

3状态寄存器

eUSCI_Ax状态寄存器（UCAxSTATW）
eUSCI_Ax中断标志寄存器（UCAxIFG）
eUSCI_Ax中断向量寄存器（UCAxIV）

4波特率寄存器

eUSCI_Ax波特率控制字寄存器（UCAxBRW）
eUSCI_Ax自动波特率控制寄存器（UCAxABCTL）

5数据寄存器

eUSCI_Ax接收缓存区寄存器（UCAxRXBUF）
eUSCI_Ax发送缓存区寄存器（UCAxTXBUF）

常用波特率列表

300
600
1200
2400
4800
9600
19200
38400
43000
56000
57600
115200

MSP432中的UART

当MSP432要发送数据时，发送缓冲器中要发送的值装入发送移位寄存器中，再一位一位地从发送端口UCAxTXD发送出去。

当MSP432要接收数据时，数据从UCAxRXD一位一位地送入接收移位寄存器，然后装入接收缓存寄存器中。接收端在接收数据时可以实现错误检测、解码、帧听等功能。

初始化配置

时钟配置——时钟源、时钟频率等
GPIO配置——TXD、RXD
UART配置——数据帧格式、波特率等
中断配置

UART相关的SDK函数

void UART_clearInterruptFlag ( uint32_t moduleInstance，uint_fast8_t mask )
Clears UART interrupt sources.
    
void UART_disableInterrupt ( uint32_t modulelnstance，uint_fast8_t mask )
Disables individual UART interrupt sources.
    
void UART_disableModule ( uint32_t modulelnstance )
Disables the UART block.
    
void UART_enableInterrupt ( uint32_t modulelnstance，uint_fast8_t mask )
Enables individual UART interrupt sources.
    
void UART_enableModule ( uint32_t modulelnstance )
Enables the UART block.
    
uint_fast8_t UART_getEnabledInterruptStatus ( uint32_t modulelnstance )
Gets the current UART interrupt status masked with the enabled interrupts. This function is usefulto call in lSRs to get a list of pending interrupts that are actually enabled and could have causedthe lSR.
    
uint_fast8_t UART_getInterruptStatus ( uint32_t modulelnstance,uint8_t mask )
Gets the current UART interrupt status.

bool UART_initModule ( uint32_t modulelnstance,consteusCI_UART_ConfigV1 * config )
Initialization routine for the UART block.The values to be written into the UCAxBRW and UCAxMCTLW registers should be pre-computed and passed into the initialization function.

UART操作实例

程序功能：MSP432通过UART与PC通信。

描述：MSP432将通过串口收到的字符发回给PC，并在串口调试工具中显示出来。UART帧格式被配置为一个起始位，一个停止位，无校验位。使用的波特率为9600Baud。若使用UART0，P1.2与P1.3分别为接收端口与发送端口；若使用UART3，P9.6与P9.7分别为接收端口与发送端口。查看对应针脚可参阅官方手册表4-1。下面是MSP432通过UART0和UART3与PC通信：

UART0：UCA0RXD(P1.2)，UCA0TXD(P1.3)

/* DriverLib Includes */
#include <ti/devices/msp432p4xx/driverlib/driverlib.h>

/* Standard Includes */
#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>
//配置结构体
const eUSCI_UART_Config uartConfig =
{
    EUSCI_A_UART_CLOCKSOURCE_SMCLK,//时钟源
    78,//BRDIV = 78
    2,//UCxBRF = 2
    0,//UCxBRS = 0
    EUSCI_A_UART_NO_PARITY,//无校验
    EUSCI_A_UART_LSB_FIRST,
    EUSCI_A_UART_ONE_STOP_BIT,//一个停止位
    EUSCI_A_UART_MODE,//UART模式
    EUSCI_A_UART_OVERSAMPLINE_BAUDRATE_GENERATION
};

//主函数
int main(void)
{
    MAP_WDT_A_holdTimer();
    //GPIO配置
    MAP_GPIO_setAsPeripheralModuleFunctionInputPin(GPIO_PORT_P1,GPIO_PIN1|GPIO_PIN2|GPIO_PIN3,GPIO_PRIMARY_MODULE_FUNCTION);
    //配置DCO频率
    CS_setDCOCenteredFrequency(CS_DCO_FREQUENCY_12);
    //配置UART
    MAP_UART_initModule(EUSCI_A0_BASE,&uartConfig);
    MAP_UART_enableModule(EUSCI_A0_BASE);
    //使能中断
    MAP_UART_enableInterrupt(EUSCI_A0_BASE, EUSCI_A_UART_RECEIVE_INTERRUPT);
    MAP_Interrupt_enableInterrupt(INT_EUSCIA0);
    MAP_Interrupt_enableSleepOnIsrExit();
    MAP_Interrupt_enableMaster();
    //打印数据
    printf("Hello MSP432!\r\n");
    UART_transmitData(EUSCI_A0_BASE,'A');
    UART_transmitData(EUSCI_A0_BASE,'B');
    while(1)
    {
        MAP_PCM_gotoLPM0();//低功耗模式0，串口中断唤醒
    }
}

//中断服务子程序
void EUSCIA0_IRQHandler(void)
{
    uint32_t status = MAP_UART_getEnabledInterruptStatus(EUSCI_A0_BASE);

    if(status & EUSCI_A_UART_RECEIVE_INTERRUPT_FLAG)
    {
        uint32_t val;
        val = UART_receiveData(EUSCI_A0_BASE);//变量val就是接收到的数据的值
        UART_transmitData(EUSCI_A0_BASE,val);//将接收到的数据发送回去
    }
}

//标准输入输出函数对接
int fputc(int ch,FILE *f)
{
    UART_transmitData(EUSCI_A0_BASE,ch & 0xFF);
    return ch;
}

int fgetc(FILE *f)
{
    while(EUSCI_A_UART_RECEIVE_INTERRUPT_FLAG != UART_getInterruptStatus(EUSCI_A0_BASE,EUSCI_A_UART_RECEIVE_INTERRUPT_FLAG));
    return UART_receiveData(EUSCI_A0_BASE);
}

UART3：UCA3RXD(P9.6)，UCA3TXD(P9.7)

/* DriverLib Includes */
#include <ti/devices/msp432p4xx/driverlib/driverlib.h>

/* Standard Includes */
#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>
//配置结构体
const eUSCI_UART_Config uartConfig =
{
    EUSCI_A_UART_CLOCKSOURCE_SMCLK,//时钟源
    78,//BRDIV = 78
    2,//UCxBRF = 2
    0,//UCxBRS = 0
    EUSCI_A_UART_NO_PARITY,//无校验
    EUSCI_A_UART_LSB_FIRST,
    EUSCI_A_UART_ONE_STOP_BIT,//一个停止位
    EUSCI_A_UART_MODE,//UART模式
    EUSCI_A_UART_OVERSAMPLINE_BAUDRATE_GENERATION
};

//主函数
int main(void)
{
    MAP_WDT_A_holdTimer();
    //GPIO配置
    MAP_GPIO_setAsPeripheralModuleFunctionInputPin(GPIO_PORT_P9,GPIO_PIN6|GPIO_PIN7,GPIO_PRIMARY_MODULE_FUNCTION);
    //配置DCO频率
    CS_setDCOCenteredFrequency(CS_DCO_FREQUENCY_12);
    //配置UART
    MAP_UART_initModule(EUSCI_A3_BASE,&uartConfig);
    MAP_UART_enableModule(EUSCI_A3_BASE);
    //使能中断
    MAP_UART_enableInterrupt(EUSCI_A3_BASE, EUSCI_A_UART_RECEIVE_INTERRUPT);
    MAP_Interrupt_enableInterrupt(INT_EUSCIA3);
    MAP_Interrupt_enableSleepOnIsrExit();
    MAP_Interrupt_enableMaster();
    //打印数据
    printf("Hello MSP432!\r\n");
    UART_transmitData(EUSCI_A3_BASE,'A');
    UART_transmitData(EUSCI_A3_BASE,'B');
    while(1)
    {
        MAP_PCM_gotoLPM0();//低功耗模式0，串口中断唤醒
    }
}

//中断服务子程序
void EUSCIA3_IRQHandler(void)
{
    uint32_t status = MAP_UART_getEnabledInterruptStatus(EUSCI_A3_BASE);

    if(status & EUSCI_A_UART_RECEIVE_INTERRUPT_FLAG)
    {
        uint32_t val;
        val = UART_receiveData(EUSCI_A3_BASE);//变量val就是接收到的数据的值
        UART_transmitData(EUSCI_A3_BASE,val);//将接收到的数据发送回去
    }
}

//标准输入输出函数对接
int fputc(int ch,FILE *f)
{
    UART_transmitData(EUSCI_A3_BASE,ch & 0xFF);
    return ch;
}

int fgetc(FILE *f)
{
    while(EUSCI_A_UART_RECEIVE_INTERRUPT_FLAG != UART_getInterruptStatus(EUSCI_A3_BASE,EUSCI_A_UART_RECEIVE_INTERRUPT_FLAG));
    return UART_receiveData(EUSCI_A3_BASE);
}