[嵌入式]UART嵌入式通信协议（以AVR单片机为例）

概念

UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。在嵌入式设计中，UART用于主机与辅助设备通信，如汽车音响与外接AP之间的通信，与PC机通信包括与监控调试器和其它器件，如EEPROM通信。

通信基础

并行通信

串行通信

单工通信

数据传输方向是单向。

双工通信

半双工

通信不可同时进行

全双工

波特率

波特率是衡量资料传送速率的指标。表示每秒钟传送的符号数（symbol）。一个符号代表的信息量（比特数）与符号的阶数有关。例如传输使用256阶符号，每8bit代表一个符号，资料传送速率为120字符/秒，则波特率就是120baud，比特率是120*8=960bit/s。

UART帧格式

硬件连接

控制器

一般情况下处理器都会集成UART控制器，我们使用YART进行通信时只需要对其内部相关控制器进行设置即可。

AVR单片机USART相关寄存器

I/O数据寄存器 UDR

控制和状态寄存器 UCSRA

• 位7—RXC：USART接收结束（中断标志位）
• 位6—TXC：USART发送结束
• 位5—UDRE：数据寄存器空
• 位4—FE：帧错误
• 位3—DOR：数据溢出
• 位2—PE：奇偶校验错误
• 位1—U2X：倍速发送
• 位0—MPCM：多处理器通信模式

控制和状态寄存器UCSRB

• 位7—RXCIE：接受结束中断使能，为1产生中断
• 位6—TXCIE：发送结束中断使能
• 位5—UDRIE：USART数据寄存器空 中断使能
• 位4—RXEN：接受使能，置为后将启动USART接收器
• 位3—TXEN：发送使能，置为后将启动USART发送器
• 位2—UCSZ2：字符长度
• 位1—RXB8：对于9位串行帧进行操作时，RXB8是第9个数据位。
• 位0—TXB8：对于9位串行帧进行操作时，TXB8是第9个数据位。

控制和状态寄存器UCSRC

• 位7—URSEL：寄存器选择，通过该位访问UCSRC寄存器或UBRRH寄存器。当读UCSRC时，该位为1；当写UCSRC时，该位必须写1
• 位6—UMSEL：USART模式选择，通过这一位来选择同步或异步工作模式，0为异步，1为同步
• 位5—位4 UPM：奇偶校验模式设置，00禁止，01保留，10偶校验，11奇校验
• 位3—USBS：停止位选择。0-停止位位数1；1-停止位位数2
• 位2—位1 UCSZ：字符长度设置
  
• 位0—UCPOL：时钟极性，仅用于同步工作模式
  

波特率寄存器UBRRL和UBRRH

• 位15—URSEL：寄存器选择，当读时为0，当写时为1
• 位11—0 UBRR比特率寄存器：UBRRH包含了比特率的高四位，UBRRL包含了低8位

在操作时设置最高位URSEL来区分。

• 写操作：当写入数据时，最高位为0，数据写入UBRRH；数据的最高位为1时，数据写入UCSRC 读操作
• 读操作：第一次读取的值为寄存器UBBRH的数值，如果在连续的两个时钟周期里都执行读操作，那么第二次读到的就是UCSEC的值

波特率计算公式

例子


误差计算公式

USART的使用方法

1. 初始化。工作模式，帧结构等（UCSRC）
2. 波特率设置（UBBRL，UBBRH）
3. 中断的相关设置（UCSRB）
4. 选择中断号，编写中断服务函数

初始化

//以atmega32为例

#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
#define fosc 7372800 //时钟频率

uchar rdata;
uchar flag;

void uart_init(uint baud)//baud为设置的比特率
{
uint a;
UCSRC=0x86;
a=fosc/16-baud-1;
UBRRL=a%256;
UBRRH=a/256;
UCSRB=0x98;
SREG|=BIT(7);
}

发送函数

void uart_send(uchar data)
{
while(!(UCSRA&BIT(UDRE))); //第五位是否为1,从而满足条件退出循环发送数据
UDR=data;
while(!(UCSRA&BIT(TXC));
UCSRA|=BIT(TXC); //写1进行清除操作
}

接受函数

#pragma interrupt_handler uartrece_isr:12 //中断号
void uartrece_isr(void)
{
UCSRB&=~BIT(7); //第七位清零
rdata=UDR;
flag=1;
UCSRB|=BIT(7); //打开中断
}

主函数

void main(void)
{
uchar i ='h';
uart_init(9600);
//uart_send(i);
while(1)
	{
	if(flag)
		{
		flag=0;
		uart_send(rdata);	
		}
	}
}

实例

// ATMEGA32
#define F_CPU 8000000UL
#define myUBRR 8 // 115200 b/s
#define myU2X 1
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>
#include <string.h>

void USART_Init( unsigned int speed)//使用 UBRR 寄存器的给定值初始化 USART，该值应根据波特率 BoudRate 计算
/*  当 U2X=0 
		UBRR=Fosc/(16*BaudRate)-1  
		BaudRate=Fosc/16(UBRR+1) 
	当 U2X=1
		UBRR=Fosc/(8*BaudRate)-1 
		BaudRate=Fosc/8(UBRR+1)
*/
{
	UBRRH = (unsigned char)(speed>>8);
	UBRRL = (unsigned char)speed;

	UCSRB=(1<<RXEN)|( 1<<TXEN); //允许接收和发送USART
	#if (myU2X==1) //只有当myU2X=1时才会编译以下行
		UCSRA |= (1<<U2X); //传输速率加倍
	#endif
	UCSRC = (1<<URSEL)|(1<<USBS)|(1<<UCSZ1)|(1<<UCSZ0);// 8位传输，1个停止位

}

void USART_Transmit( unsigned char data ) //向USART通道传输一个字节
{
	while ( !(UCSRA & (1<<UDRE)) ); //检查数据寄存器的释放（准备加载下一个字节）
	UDR = data; //将数据加载到寄存器中进行传输
	UCSRA |= (1<<TXC); // 重置传输完成位
}

int main (void)
{
	char ch='O';
	int i;
	DDRC=0xFF;
	USART_Init(myUBRR);
	while (true) {
		i=0;
		do {
			PORTC=i;// 将循环数输出到端口 C，准备在日志文件中固定新接收到的符号
			if (UCSRA & (1<<RXC)){ // 控制从 USART 通道接收信息
				ch=UDR;// 读取接收缓冲区以准备接收下一个字节
				if (UCSRA & ((1<<FE)|(1<<DOR))){ //检查是否有接收错误
					ch='.';//接收到的有错误的字节被替换为'.'
					PORTC=0xFF;//便于识别日志文件中的情况
				}
				// 没有接收错误
				PORTC=ch;//将接收到的字节输出到端口C，以便在日志文件中修复
				USART_Transmit(ch);
				i++;
			}
		}
		while (i<10);
		
		while ( !(UCSRA & (1<<TXC)) ); //检查空闲移位寄存器（传输完成）
//关闭并打开UART，
//导致需要新的接收同步（搜索起始位）
		UCSRB &= ~((1<<RXEN)|( 1<<TXEN));//禁用UART发送/接收，这会重置缓冲区中累积的接收位。
		PORTC=0; // 在日志文件中记录 UART 被禁用的那一刻
		for (i=0;i<(3*myUBRR);i++);//持续时间等于几位传输时间的时间延迟
		UCSRB|=((1<<RXEN)|( 1<<TXEN));// 启用 UART 发送/接收，开始搜索起始位
		PORTC=1;// 在启用 UART 的那一刻记录在日志文件中
	}
}

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