[导读] 单片机开发串口是应用最为广泛的通信接口,也是最为简单的通信接口之一,但是其中的一些要点你是否明了呢?来看看本人对串口的一些总结,当然这个总结并不能面面俱到,只是将个人认为具有共性以及相对比较重要的点做了些梳理。 b$ Y- s4 x$ ?$ J啥是串口?首先这玩意儿分两种: 通用异步收发器(UART)是用于异步串行通信的一种物理层标准,其中数据格式和传输速度是可配置的。 % W1 ?9 T( [" E通用同步收发器(USART)是一种串行接口设备,可以对其进行编程以进行异步或同步通信。 数据格式 & `- u6 |. j* l, ~3 `( W1 C. k9 G1 D( ]0 Z) x 线上空闲、无数据状态为常高电平,故逻辑低定义为起始位。 ' N% G# H& @* |+ B5 q8 e- Y起始位:总是 1 位 & Q6 K$ D% D8 h! _数据位:常见的有 8 位或 9 位。 校验位 / O2 l! ]$ A" ^6 `4 ]奇校验 偶校验 4 l( \; `" G7 L无校验 5 p% j" [4 p+ ^. ~) U$ p2 X停止位: 4 Q/ g* D1 Q! O2 B {8 k ~8 I& J1 位 ! r8 r6 [2 s: s' V3 O7 c1 U1 Z+ y o2 位 F u0 S* X7 }4 n- A波特率:bit rate 就是位/秒的概念,就是 1 秒传送多少位的概念。常见的波特率有哪些呢? : u9 F6 x6 [7 n+ D2 J- [这里须注意的要点: 一个有效字节的传输时间怎么算? 比如 9600 下,1 位起始位,8 位数据位,奇校验,1 位停止位,则 为什么要理解清楚这个概念呢,因为在应用中需要计算数据吞吐率问题,就比如一个应用是数据采集串口传输问题,需要计算采集的位速率需要小于或等于传输波特率,否则数据就来不及传。当然如果说你有足够大的缓冲区可以临时存储,但是如果进来太快,而传出速度跟不上,多大的缓冲都会满! 校验位有用吗?当你的传输介质处于一个有干扰的场景下,校验位就可以从物理层检测出错误。 理解数据编码方式有啥意义呢?比如在调试中你可以利用逻辑分析直接去解析收发线上的数据报文。 4 x; m9 } }. B5 M1 v应用电路设计的时候 RX-TX 相连,很多初学者容易在这里踩坑! 常见的传输位序为低有效位在前。 9 x* [% j& M- K0 y5 l$ i! Y对于波特率而言需要注意波特率发生器有可能带来误码问题 & G4 P. z w. D: i: q啥是 UART? 8 s3 \; ] W" i& y4 r两边分别代表两个通信的设备,单从 UART 编程的角度讲收发不需要物理同步握手,想发就发。图中箭头代表数据信息流向。RX 表示接收数据,TX 表示发送数据。数据总是从发送端传递到接收端,这就是为啥 RX 连接 TX,TX 连 RX 的原因。 啥是 USART? . _8 h8 q4 X Y! X3 k! ] E. }* T( V/ } c; U- `' g! X 同步简单说,收发不可自如,不可以想发就发,收发需要利用硬件 IO 口进行握手,RTS/CTS 就是用于同步的握手信号: 4 v# B2 B7 P) M. Y# k5 T. B& hRTS:Ready to send,请求发送,用于在当前传输结束时阻止数据发送。 CTS:clear to send,清除发送,用于指示 USART 已准备好接收数据。 这个对于普通应用而言并不常见,这里不做详细展开,需要用到的时候只需要对应收发时控制握手信号即可。 编程策略对于不同的单片机,其硬件体系各异,寄存器也差异很大,但是从收发编程策略角度而言,常见有下面三种方式: ' i# S L' k2 b, F, q查询发送/中断接收模式 $ { |( g! h* x收发中断模式 / F7 M6 X7 r) RDMA 模式 - @+ @5 h# W8 q/ T/ T/ d5 C查询发送/中断接收模式这里以伪代码方式描述一下: - Y+ G' H0 R J+ v6 p: U! [/*查询发送字节*/ 9 X$ O' i( g- \/ Y0 S, o* Q% q$ jvoid uart_send_byte( uint8 ch ) & a' A8 H: I" ?' u1 C{ /*如果当前串口状态寄存器非空闲,则一直等待*/ & x* ^* O( Y5 f% n. {/ x- R/*注意while循环后的分号,表示循环体为空操作*/ " e4 m( k9 \' D4 owhile( !UART_IS_IDLE() ); , u# q* T5 c, c) O3 O6 V% c9 {/*此时将发送字节写入发送寄存器*/ UART_TX_REG = ch; } /*发送一个缓冲区*/ 2 J0 Y2 g4 P: m2 h" f0 {" v) Gvoid uart_send_buffer( uint8 *pBuf,uint8 size ) 2 V7 a' ~) P* S{ uint8 i = 0; /* 异常参数处理*/ ; V3 f6 n& v! h( e+ ~. Uif( pBuf == NULL ) return; for( i=0; i《size;i++ ) / c0 y- Z' _# z. a4 D9 I6 }: q. y{ . |4 y% \6 D& P. t6 V% S$ r, Usend_byte( pBuf[i] ); ; c: y, a9 i0 p1 ~. L' ^% H} 4 N C( G" W9 y& T4 ?) n} " C+ Y/ X, w# ~" M对于接收而言,如采用查询模式则几乎是没有任何应用价值,因为外部数据不知道什么时候会到来,所以查询接受就不描述了,这里描述一下中断接收。 ; W: O, E5 Q; _& u6 Rstatic uint8 rx_index = 0; void uart_rx_isr( void ) { /* 接收报文处理 */ ) \7 n* V. h F6 \. zrx_buffer[rx_index++] = UART_RX_REG; 1 I8 ~. K0 P% G3 [} - e+ J, A( v+ p/ w [ U$ J中断接收需要考虑的几个要点: 断帧:这就取决于协议怎么制定了,比如应用协议定义的是 ASCII 码方式,就可以定义同步头、同步尾,比如 AT 指令的解析,做逻辑判断帧头、帧尾即可。但是如果传输的是 16 进制数据,比如 MODBUS-RTU 其断帧采用的是 3.5 个字节时间没有新的字节接收到,则认为收到完整的帧了。 " m8 P {3 P: v: r# s, S( `+ l5 a3 L如何保证帧的完整性,一般会在报文尾部加校验,比较常用的校验模式有 CRC 校验算法。 ) ?; V' Q; d8 Z* c$ m5 b5 n: a不同的单片机开发环境对于中断向量的处理方式略有不同,需要根据各自芯片的特点进行处理。比如 51 单片机,其发送/接收都共享一个中断向量号。 收发中断模式#define FRAME_SIZE (128u) staTIc uint8 tx_buffer[FRAME_SIZE]; staTIc uint8 tx_index = 0; staTIc uint8 tx_length = 0; ! o4 ?3 W+ m* A$ ustaTIc uint8 rx_buffer[FRAME_SIZE]; * {6 k! k3 {/ Cstatic uint8 rx_index = 0; static bool rx_frame_done = false; . \9 X/ f9 W2 Lvoid prepare_frame( uint8 * pBuf, uint8 size ) & a! F) Q) o% e, M2 V. {" P/ i R{ 6 h* b/ K4 D# M/*将待传的报文按照协议封装*/ /*可能需要处理的事情,比如帧头、帧尾、校验等*/ 8 o9 D0 O: k3 ^! p# T: ~} 1 a7 k8 b* c( t8 a4 ubool uart_start_sending( uint8 * pBuf, uint8 size ) { & h, N q Q, v9 _5 G' b& }if( pBuf == NULL ) 3 X; [7 x; M0 Z2 J( A/ Qreturn false; : Z. f% K6 F+ r/ ymemcpy( tx_buffer,pBuf,size ); . q' M5 I. n( F4 _/ g) Z# j* xtx_index = 0; tx_length = size; /*使能发送中断,向发送寄存器写入一个字节,进入连续发送模式*/ / r& Q1 m+ p" R7 G( L7 d+ FENABLE_TX_INT = 1; & M/ W4 O2 S' m. tUART_TX_REG = tx_buffer[tx_index++]; 7 P+ J& W/ _# L+ H! v; y" x& L} void uart_tx_isr( void ) 7 Q [$ u& [4 b9 Y6 r# Q) V- L% q{ " _% F: }. r; Q6 o8 s0 a5 Y8 k+ Rif( tx_index《tx_length ) { & f) @$ L- A6 V. yUART_TX_REG = tx_buffer[tx_index++]; } $ x- _5 c5 e% u7 @/ d# pelse { ( {' D# `+ I# f( g9 s R6 I/*发送完毕,关闭发送中断*/ DISABLE_TX_INT = 1; ! H: X3 D; c3 {) V& \+ S) f: w} } void uart_rx_isr( void ) s, a8 T' T' i: {{ + c! K, w- O' r( g! D/*处理接收,待接收到完整的帧就设置帧完成标记*/ /*由于应用各有不同,这里就无法描述实现了*/ } 还需要考虑的是,对于 UART 硬件层面的出错处置,以 STM32 为例,就可能有下面的错误可能发生: 溢出错误 噪声检测 ! ]7 |2 m" R4 Y帧错误 - Z: d8 Y: W- W, d( g2 k$ v3 R% e! o奇偶校验错误 另外不同的单片机其底层硬件实现差异也不较大,比如有的硬件发送缓冲是单字节的缓冲,有的则具有 FIFO,这些在选型编程时都需要综合考虑。 ~( X) y! c ] u' SDMA 模式DMA 发送模式而言,大致分这样几步: 初始化 UART 为 DMA 发送模式,开启 DMA 结束中断,并写好 DMA 传输结束中断处理函数 准备待发送报文,帧头、帧尾、校验处理 + j- R$ H* A! f- U2 d! g将待发送报文缓冲区首地址赋值给 DMA 源地址,DMA 目标地址设置为 UART 发送寄存器,设置好发送长度。 # A) d" N# Y- {' I( \ w启动 DMA 传输,剩下传输完成就会进入传输结束中断处理函数。 & U0 k, j1 h" F- o/ mDMA 接收模式而言,大致分这样几步: 初始化 UART 为 DMA 接收模式,开启 DMA 结束中断,并写好 DMA 传输结束中断处理函数 中断处理函数中标记接收到帧,对于使用 RTOS 而言,还可以使用的机制是利用 RTOS 的事件机制、消息机制进行通知有新的帧接收到了。 $ u8 Y7 j: u1 g& f# @$ a对于 DMA 接收模式而言,对于变长帧的处理较为不利,所以如果想使用 DMA 接收,制定协议时尽量考虑将帧长度固定,这样处理会方便些。 4 f2 f- o, v- g, H; x, x; O0 x总结一下单片机串口是一个需要好好掌握的内容,这里总结了一些个人经验,尽量将一些个人共性的东西总结出来。至于实际实现而言,由于芯片体系差异较多,具体代码各异。但个人认为处置的思路方法却是基本一致。所以本文除了描述串口本身的细节而言,想表达的一个额外的观点是: 对于一些技术点尽量学会将其共性的东西剥离总结出来。 # S4 p0 Z3 z3 _3 D! X# _6 i& [总结、概括、剥离抽象是一个比较好的学习思路,不用对具体的硬件死记,万变不离其宗。 |
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