敏矽微电子Cortex-M0学习笔记07——串口通信详解

1、UART串口简介

在单片机应用开发中，串口可以说是最常用的外设之一了。

串口最重要的功能就是能够让单片机和外部设备进行数据交互。例如在我们学习敏矽微电子的cortex m0时，可以将开发板与电脑相连，通过串口调试助手来调试程序、观察程序运行结果。还有很多其他的串口模块，比如蓝牙、 NBIOT、GPRS、4G 等模组，都是使用的串口来进行驱动的，因此掌握串口是嵌入式工程师必备的技能。

接下来我们就来学习如何驱动ME32F030上的串口。

在正式学习之前，我们先对UART串口的通信格式做一个了解。UART的全称是：通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)。串行传输数据是按照字节为单位进行移位传输的，因此通信速度较低。但其拥有线路简单、通信距离远的优点，使用两条线即可实现双向通信，一条用于发送，一条用于接收。因此在工业应用中受到广泛应用。其通信格式也十分简单，如下图所示：

图1 UART数据格式

空闲位：数据线在空闲状态的时候保持高电平，表示没有数据传输。

起始位：当要传输数据的时候，数据线会被拉低，表示开始数据传输。

数据位：数据位就是实际要传输的数据，一般都是按照字节传输数据的，即一次传输8 位数据的。一般都是低位在前，高位在后。当然也有相反的传输协议，但平时很少会遇到。

奇偶校验位：这是对数据中“1”的位数进行奇偶校验用的，可以根据需求进行选择。

停止位：数据传输完成标志位，停止位的位数可以选择 1 位、1.5 位或 2 位高电平，一般都选择 1 位停止位。

波特率：波特率就是 UART 数据传输的速率，也就是每秒传输的数据位数，一般选择 9600、19200、115200 等。

随着电脑日新月异的升级换代，现在很多电脑都不带传统的COM口，USB接口开始广泛应用。所以就有了USB转串口芯片来解决这个难题，常用的U转串芯片有CH340、PL2303 等。通过这些芯片就可以实现串口 TTL 转 USB。

ME32F030开发板使用的是PL2303 芯片来完成串口和电脑之间的连接，只需要一条USB 线即可。在使用前需要注意两件事：第一，先下载并安装PL2303的驱动程序。第二，检查开发板的USB跳线帽是否接到COM、USB这边。正确的接法如下：

图2 跳线连接

2、UART驱动寄存器

ME32F030 提供2个 UART 外设：UART0,UART1。串行接口都支持红外传输（IrDA）协议功能。时钟都受 SYSAHBCLKCTRL 寄存器控制。同时每个 UART 有独立的时钟分频器来产生波特率，并使之不受系统时钟和PCLK影响。UART对应的管脚映射图如下：

图3 UART管脚映射

看完管脚的映射关系，接下来就列出与UART相关的寄存器组，随后会挨个进行讲解。

图4 UART寄存器

2-1 UART接收/发送缓冲寄存器

UART 接收/发送缓冲寄存器包含着 UART 接收到/将发送的字节，接收到的数据和待发送的串口数据都在该寄存器中。

2-2 UART状态寄存器

该寄存器用于提供 UART 接收发送缓存器的状态。大致可以归类为以下几种状态：

发送状态：发送FIFO空、发送FIFO半满、发送FIFO满。

接收状态：接收FIFO空、接收FIFO半满、接收FIFO满。

奇偶校验状态：没有奇偶校验错误，或检测到奇偶错误，写1来清除错误标志。

接收缓存器溢出状态 ：用来表明缓存器是否溢出。

2-3 UART控制寄存器

接下来就要着重讲解下UART控制寄存器了。0-5位属于基本的接收、发送中断使位，这里不再累述。

BIT6：奇偶校验中断使能，使能该中断后，当接收到的数据发生奇偶校验错误后，会产生中断通知串口接收发生错误。

BIT7：接收溢出中断使能，使能该中断后，当接收到的数据超出FIFO容量就会产生中断。通知及时取出数据或者清空FIFO。

BIT8：奇偶校验方式选择位，0为偶校验，1为奇校验。这里注意，这只是选择了奇偶校验的方式，但是并不会生效，是否启动校验还需要下面介绍的寄存器。

BIT9：奇偶校验使能位，只有当该位置1才会使能奇偶校验，具体的校验方式由刚才介绍的奇偶校验方式选择位来决定。

BIT10：IRDA传输协议使能位，置1使能。

BIT22：RX接收使能，置1使能。

BIT23：TX发送使能，置1使能。

图5 UART控制寄存器

2-4 UART中断状态寄存器

既然刚才在介绍UART控制寄存器的时候，介绍了不少中断使能控制。肯定就会有相应的中断状态的管理。UART中断状态寄存器从低位开始依次管理着：①、发送结束中断状态，②、接收完成中断状态，③、发送FIFO满中断，④、接收FIFO满中断，⑤、发送FIFO半满中断，⑥、接收FIFO半满中断，⑦、奇偶校验错误中断，⑧、接收溢出中断。

2-5 UART 波特率分频器寄存器

UART 波特率分频器寄存器 (BAUDDIV) 用于时钟分频从而产生相应的波特率。该寄存器可读写。该分频器的时钟源是由UARTnCLKDIV 控制 UART 的波特率源时钟（SCLK）。

图6 UART 波特率分频器寄存器

波特率分频值计算公式：

BAUDDIV = SCLK / UART BAUDRATE

2-6 UART TX/RX FIFO 数据清除寄存器

操作该寄存器可以快速对TX/RX FIFO进行数据清空。

图7 UART TX/RX FIFO 数据清除寄存器

3、UART驱动函数

在例程LIB->common->Drivers->Source文件夹内有uart.c文件，这个就是提供的UART驱动文件，里面包含了一些基本的驱动函数，使用起来十分方便。下面会对每个函数进行讲解。

3-1 UART初始化

在每段源代码的后面，笔者对其进行一下注释，方便大家快速掌握和使用这个函数。这个函数的4个参数的意义如下：

uart：要使能的UART模块，可选UART0、UART1。

baudrate：要设置的串口的波特率。

parityoption：奇偶校验位，可选UART_EVEN_PARITY(奇校验)、 UART_ODD_PARITY(偶校验)、 UART_RX_NO_INT(无校验)。

rxinttriggerlevel：接收中断触发条件。

voidUART_Open(UART0_Type*uart,uint32_tbaudrate,uint8_tparityoption,uint8_trxinttriggerlevel)
{
uint32_tvolatiledelays;

if(uart==UART0)
{

//初始化时关闭UART0IRQ
NVIC_DisableIRQ(UART0_IRQn);

//使能UART0时钟
SYSCON->SYSAHBCLKCTRL_b.UART0_CLK=1;//enableUART0PCLK
SYSCON->UART0CLKDIV_b.DIV=0x1;/*dividedby1*/

//复位UART0
SYSCON->PRESETCTRL_b.UART0_RST_N=0;
SYSCON->PRESETCTRL_b.UART0_RST_N=1;
}
elseif(uart==UART1)
{
//初始化时关闭UART1IRQ
NVIC_DisableIRQ(UART1_IRQn);

//使能UART1时钟
SYSCON->SYSAHBCLKCTRL_b.UART1_CLK=1;//enableUART1PCLK
SYSCON->UART1CLKDIV_b.DIV=0x1;/*dividedby1*/

//复位UART1
SYSCON->PRESETCTRL_b.UART1_RST_N=0;
SYSCON->PRESETCTRL_b.UART1_RST_N=1;
}
elsereturn;

//设置波特率
uart->BAUDDIV_b.BAUDDIV=MainClock/baudrate;

//设置奇偶校验
if(parityoption==UART_ODD_PARITY)
uart->CTRL_b.PARISEL=1;

if(parityoption!=UART_NO_PARITY)
uart->CTRL_b.PARIEN=1;

//设置中断触发条件
if(rxinttriggerlevel==UART_RX_NOT_EMPTY)
uart->CTRL_b.RXNEIE=1;

if(rxinttriggerlevel==UART_RX_HALF_FULL)
uart->CTRL_b.RXHLFIE=1;

if(rxinttriggerlevel==UART_RX_FULL)
uart->CTRL_b.RXFIE=1;

//使能发送和接收功能
uart->CTRL_b.TXEN=1;
uart->CTRL_b.RXEN=1;

//插入延时
SYS_DelaymS(1);

//清空FIFO
uart->FIFOCLR=0xFF;
return;
}

3-2 UART关闭

这段函数用来关闭UART0或者UART1，只需要传入需要关闭的串口即可。

voidUART_Close(UART0_Type*uart)
{
if(uart==UART0)
{
//关闭UART0_IRQ
NVIC_DisableIRQ(UART0_IRQn);

//关闭UART0时钟
SYSCON->SYSAHBCLKCTRL_b.UART0_CLK=0;

}elseif(uart==UART1)
{

//关闭UART1_IRQ
NVIC_DisableIRQ(UART1_IRQn);

//关闭UART1时钟
SYSCON->SYSAHBCLKCTRL_b.UART1_CLK=0;
}
elsereturn;

//关闭相应UART的中断，并清除中断标志
UART_DisableInt(uart);
UART_ClearIntFlag(uart);
return;
}

3-3 UART读取单个字节

这段函数的作用是UART读取单个字节的数据。

uint8_tUART_ByteRead(UART0_Type*uart,uint8_t*data)
{
if(uart->STATE_b.RXNE)
{
*data=uart->DATA;
return0;
}
else
return1;
}

3-4 UART连续读取多个字节

UART连续读取串口数据，直到读取到指定长度的数据。

voidUART_Read(UART0_Type*uart,uint8_t*rxbuf,uint8_t*readbytes)
{
uint8_ttemp=0;

//getalldata
while((uart->STATE_b.RXNE)  ((*readbytes)--))
{
*rxbuf++=uart->DATA;
temp++;
}

//returnnumberofread
*readbytes=temp;
return;
}

3-5 UART发送单个字节

这段函数的作用是UART发送单个字节的数据。

uint8_tUART_ByteWrite(UART0_Type*uart,uint8_tdata)
{
if(uart->STATE_b.TXF)
return1;

uart->DATA=data;
return0;
}

3-6 UART连续发送多个字节

UART连续发送串口数据，直到发送完指定长度的数据。

voidUART_Send(UART0_Type*uart,uint8_t*txbuf,uint32_tsendbytes)
{
while(sendbytes--)
{
while(uart->STATE_b.TXF);
uart->DATA=*txbuf++;
}
return;
}

3-7 UART发送字符串

UART发送一段字符串数据，只需要将要发送的字符串数据首地址传入即可。

voidUART_PutString(UART0_Type*uart,uint8_t*str)
{
while(!(*str=='�'))
{
while(uart->STATE_b.TXF);
uart->DATA=*str++;
}
return;
}

3-8 UART使能中断

有两个参数项，第一个是选择需要使能的UART，第二个选择触发中断的条件。

voidUART_EnableInt(UART0_Type*uart,uint32_tintcon)
{
uart->CTRL|=intcon;
return;
}

3-9 UART关闭中断

调用该函数后，所有的串口的中断触发条件都将关闭。

voidUART_DisableInt(UART0_Type*uart)
{
uart->CTRL =0xFFFFFF00;
return;
}

4、串口中断例程

介绍完UART常用的驱动函数，接下来用个小例程来演示下UART的驱动。测试程序的功能是：通过串口助手发送一个字节的数据到单片机，单片机收到该数据后，将该数据通过单片机的串口发送到串口助手。

程序设计思路

首先是对UART0端口的初始化，将IO口复用为串口UART0的TX、RX功能。

随后将UART0初始化为波特率115200，无奇偶校验，接收非空触发中断。

下一步就是使能UART0的中断，中断触发条件为接收FIFO非空。

最后使能UART0_IRQn中断服务子程序。

测试程序的代码如下：

intmain(void)
{
//UART0端口初始化
PA_2_INIT(PA_2_TX0);
PA_3_INIT(PA_3_RX0);

//UART0寄存器初始化
UART_Open(UART0,115200,UART_NO_PARITY,UART_RX_NOT_EMPTY);
UART_EnableInt(UART0,UART_RX_NOT_EMPTY);
NVIC_EnableIRQ(UART0_IRQn);
while(1)
{
}
}

//UART0中断服务子程序
voidUART0_IRQHandler(void)
{
uint8_tcdata;

//判断中断状态位
if(UART0->INTSTATUS_b.RXNEINT)
{
cdata=UART0->DATA;//将接收到的数据返回
UART0->DATA=cdata;
}

//清除中断状态
UART0->INTSTATUS=0x0F;
}

程序调试

编写完程序，首先要在编译环境下进行编译、连接。没有错误后（最好连警告也没有）。就可以实际连接到电路板进行程序调试运行了。

在实验前需要先确定U转串所使用的的串口号，通过windows的设备管理器中的端口（COM和LPT）查看我们的串口，比如本例中是COM7。

图8 串口端口号选择

接下来打开串口上位机工具，本例使用的是“大傻串口工具”。按照程序中设置的串口参数配置好串口。端口选择COM7，波特率115200，数据位8位，无奇偶校验，1位停止位。最后点击打开串口即可。打开后如图所示：

图9 串口配置

上位机环境配置好之后，接下里就可以下载并仿真程序了。首先我们在UART0_IRQ中断子程序中位置打上断点。随后全速运行程序。

图10 仿真界面

然后我们在上位机发送一个数据进行测试，例如发送一个字节0x11。这时候单片机便会进入串口中断服务程序，并且停止在断点处。这时候我们听过watch窗口看到接收的数据，就是0x11。

图11 数据发送

继续单步运行并退出中断服务程序，这时候我们再去看上位机，发现收到了单片机返回的数据。

图12 数据接收

来源：敏矽MCU