嵌入式系统及应用 (8).pdf

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1、嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用第八讲串行通信【课本6.16.3】异步串行通信异步串行通信，简称串行通信简称串行通信，它是嵌入式开发中最常用的一种通信方它是嵌入式开发中最常用的一种通信方式式，可与可与PC机直接连接机直接连接。本章将阐述本章将阐述其其通用通用基础基础知识知识，结合特定芯片结合特定芯片，给出给出串串行通信构件行通信构件的使用方法与设计方法的使用方法与设计方法，并利用并利用串行接收串行接收中断中断阐述阐述中断中断的基本知识的基本知识要点要点。嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用6.1 异步串行通信的通用基础知识异步串行通信的通用基础知识导引：导引：串行串行通信接口通信接口（SCI)，简

2、称简称“串口串口”、通用异步收发器通用异步收发器（UART）。在在USB未普及之前未普及之前，串口是串口是PC机必备的通信接口之一机必备的通信接口之一。MCU中的串口通信中的串口通信，在硬件上在硬件上，一般只需要三根线一般只需要三根线，分别为发送线分别为发送线（TxD）、接收线接收线（RxD）和地线和地线（GND）；通信方式上；通信方式上，属于单字节属于单字节通信通信，是嵌入式开发中重要的打桩调试手段是嵌入式开发中重要的打桩调试手段。第第2 2页页 共共2121页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用6.1.1 串行通信的基本概念串行通信的基本概念串行通信的基本概念导引：串行通信的基本概念导引：“

3、位位”（bit）是单个二进制数字的简是单个二进制数字的简称称，是可以拥有两种状态的最小二进制值是可以拥有两种状态的最小二进制值，分别用分别用“0”和和“1”表示表示。在计算机中在计算机中，通常一个信息单位用通常一个信息单位用8位二进制表示位二进制表示，称为一个称为一个“字节字节”（byte）。串行通信的特点是串行通信的特点是：数据以字节为单位：数据以字节为单位，按位的顺序按位的顺序（例如例如最高位优先最高位优先）从一条传输线上发送出去从一条传输线上发送出去。这里至少涉及这里至少涉及4个问题：个问题：第一第一，每个字节之间是如何区分开的每个字节之间是如何区分开的？第二第二，发送一位的持续时间是多

4、少发送一位的持续时间是多少？第第三三，怎样知道传输是正确的怎样知道传输是正确的？第四第四，可以传输多远可以传输多远？第第3 3页页 共共2121页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用1.异步串行通信的格式异步串行通信的格式异步串行异步串行通信是通信是标准不标准不归零传号归零传号/空号空号数据格式数据格式，采用采用不归零码不归零码，即即用负电用负电平表示一种二进制值平表示一种二进制值，正电平表示另一种二进制值正电平表示另一种二进制值，电压均无需回到零电压均无需回到零，这这是是早期早期使用使用RS232电平电平对串行通信的描述对串行通信的描述。异步异步的含义是每个字节重新开始的含义是每个字节重新开始

5、。这这里举例以里举例以逻辑逻辑方式方式描述描述串行通信数据格式串行通信数据格式：1位起始位位起始位+8位数据位位数据位+1位停止位位停止位。逻辑逻辑方式对应于方式对应于TTL电平电平，逻辑逻辑1对应高电平对应高电平，逻辑逻辑0对应于低电平对应于低电平。可以具体给出发送可以具体给出发送数据十六进制数据十六进制56，即二进制即二进制01010110，格式为：格式为：第第4 4页页 共共2121页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用2.串行通信的波特率串行通信的波特率串口通信的串口通信的速度速度用波特率来表示用波特率来表示，它定义为每秒传输的二进制位数它定义为每秒传输的二进制位数，1波特波特=1位位/

6、s，单位单位bps（位位/s）。只有通信双方的波特率一样时才可以进行正常通只有通信双方的波特率一样时才可以进行正常通讯讯。通常使用的波特率有通常使用的波特率有9600、19200、38400、57600及及115200等等。3.奇偶校验奇偶校验（了解了解）在异步串行通信中在异步串行通信中，可以增加一个位可以增加一个位（奇偶校验位奇偶校验位），供错误检测使用供错误检测使用。4.串行通信传输方式术语串行通信传输方式术语（了解了解）全双工：数据传送方向为双向全双工：数据传送方向为双向，可以同时接收与发送数据可以同时接收与发送数据半双工：数据传送方向为双向半双工：数据传送方向为双向，不不可同时接收与发

7、送数据可同时接收与发送数据单工：数据传送方向为单工：数据传送方向为单向单向第第5 5页页 共共2121页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用6.1.2 RS232和和RS485总线标准总线标准1.RS232RS232采用负逻辑采用负逻辑，-15V-3V为逻辑为逻辑“1”，+3V+15V为逻辑为逻辑“0”。RS232最大的传输距离是最大的传输距离是30m，通信速率一般低于通信速率一般低于20kbps。早期的标准串行通信接口是早期的标准串行通信接口是25芯芯，后来改为后来改为9芯芯，目前部分目前部分PC机机带有带有9芯芯RS232串口串口，其引出脚排其引出脚排列如右图所示列如右图所示。4 1 2 3

8、 5 6 7 8 9 第第6 6页页 共共2121页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用2.RS485RS485弥补了弥补了RS232通信距离短通信距离短、速率低等缺点速率低等缺点，采用采用差分信号负逻差分信号负逻辑辑，-2V-6V表示表示“1”，+2V+6V表示表示“0”。所谓差分所谓差分，就是两线电就是两线电平相减平相减，得出一个电平信号得出一个电平信号，可以较好地抑制电磁干扰可以较好地抑制电磁干扰，延长通信距离延长通信距离，通信距离在通信距离在1000米左右米左右。在硬件连接上采用在硬件连接上采用两线两线制制，数据发送和接收都要使用这对差分信号线数据发送和接收都要使用这对差分信号线，发送和

9、接收不能同时进行发送和接收不能同时进行，故采用故采用半双工半双工的方式工作的方式工作。若要若要全双工全双工通信通信，必须使用必须使用四线四线。第第7 7页页 共共2121页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用6.1.3 TTL-USB串口串口笔记本电脑及笔记本电脑及PC机作为机作为MCU程程序开发的工具机序开发的工具机，需要与需要与MCU进行进行串行通信串行通信，故出现了故出现了TTL-USB串口串口芯片芯片。以以CH342芯片为例芯片为例，TXD引脚和引脚和RXD引脚引脚与与MCU连接连接，串口输出电串口输出电路采用路采用TTL电平；电平；UD+和和UD-引脚引脚分别连接分别连接USB总线上总

10、线上。第第8 8页页 共共2121页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用6.1.4 串行通信编程模型串行通信编程模型发送数据接收数据接收接收：把单线：把单线输入的数据变成一输入的数据变成一个字节的并行数据个字节的并行数据送入送入MCU内部；内部；发送发送：把需要：把需要发送的一个字节的发送的一个字节的并行数据转换为单并行数据转换为单线输出线输出。第第9 9页页 共共2121页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用6.2 基于构件的串行通信编程方法基于构件的串行通信编程方法6.2.1 STM32L431芯片芯片UART对外引脚对外引脚第第1010页页 共共2121页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用6

11、.2.2 UART构件构件API1.UART常用接口函数简明列表常用接口函数简明列表2.UART构件的头文件构件的头文件uart.h第第1111页页 共共2121页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用6.2.3 UART构件构件API的发送测试方法的发送测试方法编写编写MCU程序程序，通过一个串口把数字通过一个串口把数字“48100”发送到发送到PC。在在PC中中，通过通过AHL-GEC-IDE的的“工具工具”“串口工具串口工具”获得接收信息获得接收信息。（1）确定确定MCU串口号串口号、所接所接MCU的引脚的引脚。在在user.h中中宏定义使用的宏定义使用的串口名为串口名为UART_User，

12、以便增强编程的可移植性以便增强编程的可移植性。（2）确定确定串口串口UART_User的波特率的波特率，在在main.c中中，对其初始化对其初始化。uart_init(UART_User,115200);/初始化串口模块初始化串口模块（3）在在main.c的主循环中的主循环中，发送数字发送数字“48100”，代码如下：代码如下：for(mi=48;mi=100;mi+)/进行循环（对应字符进行循环（对应字符0、1）uart_send1(UART_User,mi);/发送一个字节发送一个字节第第1212页页 共共2121页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用6.2.4 printf的设置方法与使用

13、的设置方法与使用printf作用：作用：格式化格式化输出函数输出函数printf灵活地从串口输出调试信息灵活地从串口输出调试信息，配合配合PC或笔记本电或笔记本电脑上的串口调试工具脑上的串口调试工具，可方便地进行嵌入式程序的调试可方便地进行嵌入式程序的调试配置配置：（1）在在printf头文件中宏定义需要与头文件中宏定义需要与printf相关联的调试串口号相关联的调试串口号。#define UART_printfUART_3/printf函数使用的串口号函数使用的串口号（2）在使用在使用printf前前，调用调用UART驱动构件中的初始化函数初始化驱动构件中的初始化函数初始化。uart_ini

14、t(UART_printf,115200);/初始化初始化“调试串口调试串口”使用使用：使用举例在：使用举例在printf.h的文件后部的文件后部例如例如，使用使用printf打印输出至打印输出至PC端显示端显示。printf(“打印输出测试”);第第1313页页 共共2121页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用6.3 UART构件的制作过程构件的制作过程6.3.1 UART寄存器概述寄存器概述第第1414页页 共共2121页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用6.3.2 利用直接地址操作的串口发送打通程序利用直接地址操作的串口发送打通程序制作制作UART构件构件，需考虑到各种通用要素需考虑到各

15、种通用要素，因此因此，直接编写一个完整直接编写一个完整且可稳定运行的构件很难且可稳定运行的构件很难，开发人员一般会考虑先试着发送一个字符至开发人员一般会考虑先试着发送一个字符至PC端端，完整实现串行口正常工作的全过程完整实现串行口正常工作的全过程，然后利用然后利用PC端能稳定运行的端能稳定运行的接收器接收数据接收器接收数据，如果能成功接收到数据则说明发送过程是可行的如果能成功接收到数据则说明发送过程是可行的。本节本节给出用直接对端口进行编程的方法使用给出用直接对端口进行编程的方法使用UART发送单个字节发送单个字节。第第1515页页 共共2121页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用1.声明地址

16、变量声明地址变量2.给地址变量赋值给地址变量赋值3.UART初始化步骤初始化步骤（1）设置引脚复用功能为串口设置引脚复用功能为串口（2）设置波特率设置波特率（3）开启开启UART功能功能4.发送数据发送数据循环发送循环发送ASCII值为值为“48100”的字符至的字符至PC机显示机显示第第1616页页 共共2121页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用第第1717页页 共共2121页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用6.3.3 UART构件设计构件设计1.UART驱动构件封装要点驱动构件封装要点分析分析UART具有具有初始化初始化、发送和接收发送和接收三种基本操作三种基本操作。下面分析串口初始化

17、函数的参数下面分析串口初始化函数的参数应该有哪些应该有哪些。首先应该有串口号首先应该有串口号，因为一个因为一个MCU有若干串口有若干串口，你必须确定使用哪个你必须确定使用哪个串口；其次是波特率串口；其次是波特率，因为必须确定串口使用什么速度收发因为必须确定串口使用什么速度收发。关于奇偶校验关于奇偶校验，由于由于实际使用主要是多字节组成的一个帧实际使用主要是多字节组成的一个帧，自行定义通信协议自行定义通信协议，单字节校验意义不大；单字节校验意义不大；此外此外，串口在嵌入式系统中的重要作用是实现类似串口在嵌入式系统中的重要作用是实现类似C语言中语言中printf函数功能函数功能，也不宜也不宜使用单

18、字节校验使用单字节校验，因此就不校验因此就不校验。这样这样，串口初始化函数就两个参数：串口与波特串口初始化函数就两个参数：串口与波特率率。从从知识要素角度知识要素角度，进一步分析进一步分析UART驱动构件的基本函数驱动构件的基本函数，与寄存器直接打交道与寄存器直接打交道的有：初始化的有：初始化、发送单个字节与接收单个字节的函数发送单个字节与接收单个字节的函数，以及使能及禁止接收中断以及使能及禁止接收中断、获取接收中断状态的函数获取接收中断状态的函数。发送中断不具有实际应用价值发送中断不具有实际应用价值，可以忽略可以忽略。第第1818页页 共共2121页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用2.UA

19、RT端口寄存器结构体类型端口寄存器结构体类型通常在构件设计中把一个模块的寄存器用一个结构体类型封装起来通常在构件设计中把一个模块的寄存器用一个结构体类型封装起来，方便方便编程时使用编程时使用，串行模块结构体类型为串行模块结构体类型为UART_TypeDef。第第1919页页 共共2121页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用3.UART驱动构件源程序的制作驱动构件源程序的制作UART驱动构件的源程序文件中驱动构件的源程序文件中实现实现的对外接口函数的对外接口函数，主要是对相关寄存器主要是对相关寄存器进行配置进行配置，从而完成构件的基本功能从而完成构件的基本功能，构件内部使用的函数也在构件源程序文构件内部使用的函数也在构件源程序文件中定义件中定义，构件中函数的制作过程应在构件中函数的制作过程应在已经打通的基本功能基础上已经打通的基本功能基础上，先常量后先常量后变量变量，一步一步调试推进一步一步调试推进。第第2020页页 共共2121页页嵌入式系统及应用嵌入式系统及应用谢谢！谢谢！第第2121页页 共共2121页页