示意圖

微控制器通信 - 什么是UART？

微控制器經(jīng)常發(fā)現(xiàn)自己處于具有特定功能的專用電路中，例如測(cè)量，監(jiān)控和控制。但是，有些情況下將微控制器連接到計(jì)算機(jī)可能非常有益甚至是必要的（例如，設(shè)備配置）。有幾種方法可以實(shí)現(xiàn)PC-Microcontroller通信

通過(guò)Wi-Fi（如ESP8266模塊）

以太網(wǎng)

USB

雖然這些形式的通信可能允許高數(shù)據(jù)傳輸速率，但它們很難使用，大多數(shù)微控制器都有另外一種類型的通信，稱為UART，它代表通用異步接收器/發(fā)送器。

這是一個(gè)簡(jiǎn)單的串行連接，可以是用于以低速發(fā)送少量數(shù)據(jù)，并且使用和實(shí)現(xiàn)極其簡(jiǎn)單。使UART更加便捷的是，有USB轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)換器可用于允許微控制器通過(guò)USB使用虛擬COM端口與PC通信。

串行概述

使用微控制器和計(jì)算機(jī)的串行通信可包括許多不同的設(shè)置，包括奇偶校驗(yàn)和停止位。但是，在本教程中，我們將介紹最簡(jiǎn)單的串行通信形式，這也是最常見(jiàn)的形式之一。所以我們首先要看的是如何發(fā)送串行數(shù)據(jù)。首先，我們來(lái)看看硬件！

微控制器上最簡(jiǎn)單形式的串行外設(shè)是一個(gè)美化的移位寄存器，它使用兩個(gè)獨(dú)立的I/O引腳來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)（TxDn）和接收數(shù)據(jù)（RxDn）

當(dāng)需要從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送到其發(fā)送移位寄存器中，然后逐位計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)，直到所有數(shù)據(jù)都已發(fā)送完畢。當(dāng)需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，接收器首先需要檢測(cè)是否正在接收某些數(shù)據(jù)。

一旦滿足此條件，接收器就會(huì)將數(shù)據(jù)移入移位寄存器。完成后，可以從接收移位寄存器中讀取器件，并以其認(rèn)為合適的任何方式處理數(shù)據(jù)。

UART模塊的簡(jiǎn)單框圖

UART模塊中使用的協(xié)議本身（有時(shí)稱為RS-232）包含有助于數(shù)據(jù)傳輸/接收的選項(xiàng)和附加功能。下圖顯示了典型的UART傳輸，包括起始位，數(shù)據(jù)本身，奇偶校驗(yàn)位和停止位。

從ATmega168數(shù)據(jù)表中獲取的圖像

IDLE - 如果沒(méi)有發(fā)生傳輸，則傳輸線必須保留邏輯1（5V，3.3V等）

起始位 - UART線上的下降沿表示傳輸即將開(kāi)始

數(shù)據(jù)位 - 這些是我們的實(shí)際數(shù)據(jù)位發(fā)送，并且位首先發(fā)送到最低位（位0，位1 。..位7）

奇偶校驗(yàn)位 - 此可選位可用作錯(cuò)誤檢查的基本形式具有等于所有位組合的異或（XOR）的值

停止位 - 這是停止傳輸所必需的并且是邏輯1.有時(shí)，可以使用兩個(gè)停止位，但通常只使用一個(gè)

ATmega上的UART

ATmega168上的UART模塊非常復(fù)雜，因?yàn)樗试S不同的操作模式（包括同步傳輸），但我們將配置UART以使用適用于99％基于UART的項(xiàng)目的最常見(jiàn)設(shè)置。

時(shí)鐘源

我們需要配置的第一件事是UART模塊的時(shí)鐘源（這也配置了UART運(yùn)行的模式） 。由于我們將使用異步傳輸（時(shí)鐘不傳輸，只有數(shù)據(jù)），我們將使用“正常異步”。為此，我們?cè)赨CSRnC寄存器中將UMSEL位設(shè)置為0.

奇偶校驗(yàn)位和停止位

由于大多數(shù)傳輸不需要奇偶校驗(yàn)，我們將禁用該位。為此，我們需要將兩個(gè)UPM位都設(shè)置為0，這可以在UCSR寄存器中找到。

對(duì)于停止位，我們只會(huì)使用一個(gè)停止位，通過(guò)清除UCSRnB寄存器中的USBS位來(lái)完成。

數(shù)據(jù)大小

UART模塊能夠以不同的位寬發(fā)送數(shù)據(jù)，但對(duì)于大多數(shù)項(xiàng)目，我們將使用8位數(shù)據(jù)大小，因?yàn)槲覀兊奈⒖刂破魇且粋€(gè)8位器件。為此，我們將寄存器UCSRnB和UCSRnC中的UCSZ位的值設(shè)置為011。

波特率

在談到串行通信時(shí)，波特率通常是指每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，可以認(rèn)為是連接速度。串行通信的典型波特率包括9600，115200和10417.

對(duì)于我們的串行設(shè)置，我們將使用9600的波特率（非常常見(jiàn)的波特率）。波特率可以使用下面的公式計(jì)算，但是，使用第163-165頁(yè)上的表格更容易。

由于我們的ATmega168連接到8MHz振蕩器，我們可以查看下表，看看我們將UBRR寄存器設(shè)置為什么值。

對(duì)于9600波特，我們將使用值51.請(qǐng)注意，您的CLKDIV8位可能已設(shè)置，如果是這種情況，那么您的波特率可能比您預(yù)期的慢8倍。如果是這種情況，請(qǐng)嘗試使用UBRR值12而將U2X0設(shè)置為開(kāi)，或使用更高的時(shí)鐘速度。

啟用接收/傳輸

我們需要設(shè)置幾個(gè)啟用位，其他啟用位是可選的。我們需要使能的前兩位是RXEN和TXEN，它們使能接收器和發(fā)送器。

我們可以設(shè)置兩個(gè)中斷使能位，這意味著當(dāng)我們的UART模塊完成發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，中斷將觸發(fā)（對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序有用）。

讀/寫UART

有趣的是，AVR UART外設(shè)對(duì)接收和發(fā)送寄存器使用相同的I/O地址。當(dāng)寫入U(xiǎn)ART數(shù)據(jù)寄存器（UDRn）時(shí)，數(shù)據(jù)被發(fā)送到UART發(fā)送器移位寄存器，當(dāng)從UART數(shù)據(jù)寄存器讀取時(shí)，返回來(lái)自UART接收器的數(shù)據(jù)。

一些有用的控制信號(hào)

一個(gè)寄存器UCSR0A可以幫助確定UART的狀態(tài)模塊，因?yàn)樗袔讉€(gè)狀態(tài)位。

RXC0，第7位，如果接收緩沖區(qū)中有需要讀取的數(shù)據(jù)，則為1

TXC0，第6位，一旦傳輸將為1已完成

如果發(fā)送緩沖區(qū)為空，UDRE0，位5將為1

FE0，位4，發(fā)出幀錯(cuò)誤警告

DOR0，第3位，發(fā)出數(shù)據(jù)溢出警告（當(dāng)收到的數(shù)據(jù)太多且接收緩沖區(qū)已滿時(shí)）

當(dāng)奇偶校驗(yàn)時(shí)，UPE0，位2將為1在接收到的字節(jié)上檢測(cè)到錯(cuò)誤

一個(gè)簡(jiǎn)單的UART示例

此示例將介紹如何創(chuàng)建一個(gè)echo設(shè)備，該設(shè)備將等待連接的PC向UART線路發(fā)送一個(gè)字節(jié)。一旦檢測(cè)到，AVR將立即發(fā)回相同的字節(jié)以回顯消息。

/*

* AVR UART.c

*

* Created： 09/01/2018

* Author ： RobinLaptop

*/

// These are really useful macros that help to get rid of unreadable bit masking code

#define setBit（reg， bit） （reg = reg | （1 《《 bit））

#define clearBit（reg， bit） （reg = reg & ~（1 《《 bit））

#define toggleBit（reg， bit） （reg = reg ^ （1 《《 bit））

#define clearFlag（reg， bit） （reg = reg | （1 《《 bit））

#include

int main（void）

{

// Initialize Registers

// Configure register UCSRA

setBit（UCSR0A， U2X0）; // Double the BRG speed （since I am using a 8MHz crystal which is divided by 8）

clearBit（UCSR0A， MPCM0）; // Normal UART communication

// Configure register UCSRB

clearBit（UCSR0B， RXCIE0）; // We will not enable the receiver interrupt

clearBit（UCSR0B， TXCIE0）; // We will not enable the transmitter interrupt

clearBit（UCSR0B， UDRIE0）; // We will not enable the data register empty interrupt

setBit（UCSR0B， RXEN0）; // Enable reception

setBit（UCSR0B， TXEN0）; // Enable transmission

clearBit（UCSR0B， UCSZ02）; // 8 bit character size

// Configure register UCSRC

clearBit（UCSR0C， UMSEL00）; // Normal Asynchronous Mode

clearBit（UCSR0C， UMSEL01）;

clearBit（UCSR0C， UPM00）; // No Parity Bits

clearBit（UCSR0C， UPM01）; // No Parity Bits

clearBit（UCSR0C， USBS0）; // Use 1 stop bit

setBit（UCSR0C， UCSZ01）; // 8 bit character size

setBit（UCSR0C， UCSZ00）;

// Configure the baud rate register （this is a combination of both UBRR0L and UBRR0H）

// Despite using an 8MHz crystal my Fosc is 1MHz since the CLK8DIV fuse bit is dividing the clock

// by 8. When I try to change this fuse the AVR locks me out！

UBRR0 = 12;

while （1）

{

// Wait until data has been received

while（?。║CSR0A & （1 《《 RXC0）））;

// Now send the same byte back

UDR0 = UDR0;

// Wait until the Data Transmit Register is empty

while（?。║CSR0A & （1 《《 TXC0）））;

}

}