目錄
- 專欄
- 數字通信基本知識
-
- 組成
- 串行通信和并行通信
- 同步通信和異步通信
- 異步串行通信的通用基礎知識
- 異步串行通信的格式
- 串行通信的波特率
- 奇偶校驗
- 串行通信傳輸方式術語
-
- 1.全雙工（Full-duplex）
- 2.半雙工（Half-duplex）
- 3.單工（Simplex）
- RS232總線标準
- UART程式設計相關
-
- eUSCI模式下的UART
-
- UART
- UART運作機理
-
- 應用
- 使用UART通信
- 串行發送機TxMachine
- 串行接收機RxMachine
- 波特率的計算
- UART相關寄存器
-
- 1寄存器位址分析
- 2控制寄存器
- 3狀态寄存器
- 4波特率寄存器
- 5資料寄存器
- 常用波特率清單
- MSP432中的UART
- UART相關的SDK函數
- UART操作執行個體
- 資料
專欄
基于MSP432的嵌入式系統實踐
數字通信基本知識
組成
- 發送器：處理要發送的資訊，将其構造成一定格式的幀。
- 接收器：接收資訊并解析資訊。
- 通信媒體：發送器和接收器之間的橋梁，為資訊提供實體媒體，通常為雙絞線、光纖或無線射頻。
串行通信和并行通信
- 串行通信：将資料一位一位地由端口送出或接收進來
- 并行通信：資料的各個資料位（一般為8位及其整數倍）在多條資料線上同時被傳輸
- 并行通信的傳輸速度快、效率高，但抗幹擾能力差，且需要的資源多，一般用于短距離、高帶寬的大資料量傳輸
- 串行通信節省傳輸線，但資料傳送效率沒有并行通信高
同步通信和異步通信
- 異步通信：處理器之間不使用公共的參考時鐘，通信雙方分别有自己的時鐘源，但必須使用相同的波特率。例如UART就是屬于串行異步通信。
- 同步通信：由主機提供時鐘與資料，從機使用該時鐘接收資料或發送資料，即通信雙方公用時鐘源。例如：SPI和I2C就屬于串行同步通信。
異步串行通信的通用基礎知識
定義
串行通信接口，即異步串行通信，簡稱UART，也就是我們常說的“序列槽”或SCI，在USB未普及之前，就是PC機必備的通信接口之一
特殊地位
串行通信具有特殊重要地位的原因
- 原因一：在通信方式上，屬于單位元組通信，是嵌入式開發中重要的調試手段之一
- 原因二：它是最簡單的串行通信方式，硬體上所說的232、485通信均是指這個序列槽通信
- 原因三：硬體接線簡單，與MCU引腳直接相連的一般隻需要發送線、接收線和地線
異步串行通信的格式
串行通信資料以位元組為機關，按位的順序從發送線送出。從MCU引腳來看，高電平就是邏輯“1”，低電平就是邏輯“0”
串行通信格式
- 串行通信的發送線，平時處于邏輯“1”狀态
- 開始發送一個位元組前，先發送一位邏輯“0”，即起始位，表示發送一個位元組的開始
- 随後發送一個位元組，然後回到平時狀态的邏輯“1”
- 每發送一個位元組前，均要先發送一個邏輯”0“，這個起始位這就是”異步“之含義，是以稱為異步通信
- LSB模式 最低有效位模式
- MSB模式 最高有效位模式
- UART預設LSB模式
串行通信的波特率
波特率定義
人們把每秒内傳送的位數叫做波特率
機關是：位/秒，記為bps
常用的波特率有9600、19200等
波特率基本概念
在包含開始位與停止位的情況下，發送一個位元組需要10位，很容易計算出，在特定波特率下，發送1K位元組所需要的時間。波特率越高，位長越小，易受電磁幹擾，是以串行通信速度不能很高。距離短時可以适當提高波特率，但提高幅度有限
奇偶校驗
目的
在異步串行通信中，如何知道一個位元組的傳輸是否正确？最常見的方法是增加一個位（奇偶校驗位），供錯誤檢測使用
定義
字元奇偶校驗檢測（Character Parity Checking,CPC）稱為垂直備援檢測（Vertical Redundancy,VRC），它是為每個字元增加一個額外位使字元中“1”的個數為奇數或偶數
奇數或偶數依據使用的是“奇校驗檢查”還是“偶校驗檢查”而定。當使用”奇校驗檢查“時，如果字元資料位中“1”的數目是偶數，校驗位應為“1”，如果“1”的數目是奇數，校驗位應為“0”。當使用”偶校驗檢查“時，如果字元資料位中“1”的數目是偶數，校驗位應為“0”，如果是奇數則為“1”
執行個體
ASCII字元”R“，其位構成是1010010
由于字元“R”中有3個位為“1”，若使用奇校驗檢查，則校驗位為0；如果使用偶校驗檢查，則校驗位為1
注：幾乎所有的MCU的串行異步通信接口，都提供這種功能。但實際程式設計使用較少，原因是單位元組校驗意義不大
串行通信傳輸方式術語
1.全雙工（Full-duplex）
資料傳送是雙向的，且可以同時接收與發送資料。這種傳輸方式中，除了地線之外，需要兩根資料線，站在任何一端的角度看，一根為發送線，另一根為接收線。一般情況下，MCU的異步串行通信接口均是全雙工的。
2.半雙工（Half-duplex）
資料傳送也是雙向的，但是在這種傳輸方式中，除地線之外，一般隻有一根資料線。任何時刻，隻能由一方發送資料，另一方接收資料，不能同時收發。
3.單工（Simplex）
資料傳送是單向的，一端為發送端，另一端為接收端。這種傳輸方式中，除了地線之外，隻要一根資料線就可以了。有線廣播就是單工的。
為使資料傳輸得更遠，美國電子工業協會制定了串行實體接口标準RS232
異步創新通信格式：實際的異步串行通信采用的是NRZ資料格式，即“标準不歸零傳号/空号資料格式”。“不歸零”是：用負電平表示一種二進制值，正電平表示另一種二進制值，不使用零電平。“傳号/空号”分别是表示兩種狀态的實體名稱，邏輯名稱記為“1/0”。
RS232總線标準
- RS232采用負邏輯
- -15V ~ -3V為邏輯 “ 1 ”
- +3V ~ +15V為邏輯 “ 0 ”
- 最大的傳輸距離是30m
- 通信速率一般低于20Kbps
9芯串行接口排列
注：RS232一般使用9芯串行接口
| 引腳号 | 功能 | 引腳号 | 功能 |
|---|---|---|---|
| 1 | 接收線信号檢測 | 6 | 資料通信裝置準備就緒（DSR） |
| 2 | 接收資料線（RXD） | 7 | 請求發送（RTS） |
| 3 | 發送資料線（TXD） | 8 | 允許發送（CTS） |
| 4 | 資料終端準備就緒（DTR） | 9 | 振鈴訓示 |
| 5 | 信号地（SG） |
注：在RS232通信中，常常隻用三根線：接收線、發送線和地線
随着USB接口的普及，9芯接口正在逐漸從PC機，特别是從便攜式電腦上消失。于是出現232-USB轉換線、TTL-USB轉換線，在PC機上安裝相應的驅動軟體，就可在PC機上使用一般的串行通信程式設計方式，通過USB接口實作與MCU的串行通信。
程式設計時，程式員并不直接與“發送移位寄存器”和“接收移位寄存器”打交道，隻與資料寄存器打交道。
若可以發送，則将待發送的資料放入“資料寄存器”中就可以了，剩下的工作由MCU自動完成。
MCU會将資料從“資料寄存器”送到“發送移位寄存器”，硬體将“發送移位寄存器”的資料一位一位地按照規定的波特率移到發送引腳，供對方接收。
接受時，資料一位一位地從接收引腳進入“接收移位寄存器”，當收到一個完整位元組時，MCU會自動将資料送入“資料寄存器”，并将狀态寄存器的相應位改變，供程式員判定并取出資料。
UART程式設計相關
eUSCI模式下的UART
Enhanced Universal Serial Communication Interface
增強的通用串行通信接口（eUSCI）子產品支援多種串行通信模式。不同的eUSCI子產品支援不同的模式。每一個不同的eUSCI子產品以不同的字母命名，例如：eUSCI_A、eUSCI_B等。MSP432單片機實作了不止一個相同的eUSCI子產品，這些子產品将以遞增的數字命名，例如，MSP432單片機支援四個eUSCI_A子產品時，這四個子產品應該被命名為eUSCI_A0、eUSCI_A1、eUSCI_A2、eUSCI_A3。
eUSCI_A子產品支援以下通信模式：
- UART通信模式；
- 具有脈沖整型的IrDA通信模式；
- 具有自動波特率檢測的LIN通信模式；
- SPI通信模式。
USCI_B子產品支援以下通信模式：
- IIC通信模式；
- SPI通信模式。
下面首先介紹eUSCI的異步模式——URAT。
UART
Universal Asynchronous Receiver and Transmitter
異步通信收發器
UART的特點及結構
UART即異步串行通信，可設定成全雙工異步通訊方式，與PC（個人計算機）等通訊；或設定成半雙工同步模式與其他外設通信，如ADC或DAC。
MSP432單片機内置了UART功能，它的作用是将外部裝置串行資料轉換為并行資料接收；講内部并行資料轉換為串行資料發送。在通用異步收發模式下eUSCI_Ax子產品通過兩個外部收發引腳UCAxRXD和UCAxTXD把MSP432單片機與外界連接配接起來。當寄存器UCAxCLT0的UCSYNC控制位被清零，UCMODEx控制位被配置為00時，eUSCI_A子產品被配置為UART異步通信模式。
UART的特點如下：
- 傳輸7位或8位資料，可采用奇校驗、偶校驗或者無校驗；
- 具有獨立的發送和接收移位寄存器；
- 具有獨立的發送和接收緩存寄存器；
- 支援最低位優先或最高位優先的資料發送和接收方式；
- 内置多處理器系統，包括線路空閑和位址位通信協定；
- 通過有效的起始位檢測，将MSP432單片機從低功耗模式下喚醒；
- 可程式設計實作分頻因子為整數或小數；
- 具有用于檢測錯誤或排除錯誤的狀态标志位；
UART運作機理
在UART模式下，其結構如圖。由圖可知，在UART模式下，eUSCI_A子產品由串行資料接收邏輯（圖①）、波特率發生器（圖②）和串行資料發送邏輯（圖③）三個部分組成。串行資料接收邏輯用于接收串行資料，包括接收移位寄存器、接收緩存寄存器和接收狀态寄存器以及接收标志位設定邏輯。波特率發生器用于産生接收和發送的時鐘信号，其參考時鐘可以來源于ACLK或SMCLK，也可以來自于外部時鐘輸入UCLK，通過整數或小數分頻得到特定的資料傳輸波特率。傳輸資料發送邏輯用于發送串行資料，包括發送移位寄存器、發送緩存寄存器和發送狀态寄存器以及發送标志位設定邏輯。在UART模式下，eUSCI_A異步的以一定速率向另一個裝置發送和接收字元，每個字元的傳輸時鐘是基于軟體對波特率的設定，發送和接收要使用相同的波特率。
應用
序列槽是嵌入式系統與外界聯系的重要手段，主要用于以下兩個方面：
- UART直接和其他的控制器進行資料交換
- UART和PC機通信：由于PC機序列槽是RS232電平，是以連接配接時需要使用RS232轉換器
使用UART通信
使用UART通信需要兩個引腳（将在下面的示例中用到），如下表：
| 引腳名稱 | 類型 | 描述 |
|---|---|---|
| RXD | 輸入 | 串行輸入，接收資料 |
| TXD | 輸出 | 串行輸出，發送資料 |
串行發送機TxMachine
TxMachine支援下面的工作特性：
- 奇偶校驗位的生成
- 清除發送
- 中斷字元發送
- 雙緩存區操作
串行接收機RxMachine
RxMachine把接收到的串行資料送到接收移位寄存器，接收完成後，資料送到串行接收緩存寄存器（SxRBUF），使用者從SxRBUF中讀取接收到的資料。
串行接收機在接收過程中能夠檢測出以下三種錯誤條件：
- 奇偶校驗錯：檢測到奇偶校驗錯時，奇偶錯标志位被置位。
- 幀錯誤：未收到停止位時，幀錯誤标志位被置位。
- 超越錯誤：當接收到一個新的字元前，以前收到的字元沒有被CPU讀走，舊的資料被覆寫，那麼超越錯誤标志位被置位。
波特率的計算
一般填入波特率寄存器中的值都是通過如下的公式求出來：
UART_BR = MCLK / (BaudRate * N)
注意：N為波特率因子，大多數晶片取N = 16
有些波特率計算精度較高，它們有兩個波特率寄存器UART_BR1和UART_BR2，其中UART_BR1則用來存放上式計算出來的整數部分，而UART_BR2則用來存放上式計算出來的小數部分，這樣計算出來的波特率就更精确，誤差更小。
如果假設時鐘源選擇12MHz，如果要取UART2的9600波特率，那麼如何計算
- N = 12000000/9600 = 1250
- 1 -> OS16 UCBR2 = INT(1250/16) = 78
- UCBRF2 = INT(N/ 6 - INT(N/16)) * 16 = INT(0.125 * 16) = 2
- N = N - INT(N)
其中根據第一步，N=1250，INT(N)=0，是以N-INT(N)=0，查表TABLE24-4，可以得到UCBRSx的值應該為0.
注意，如果N-INT(N)不等于0，那麼按照官方文檔要求，在TABLE24-4中按照往前靠的原則進行查表，例如小數部分為0.125，那麼查表對應資料為0.100對應的數值。
UART相關寄存器
1寄存器位址分析
- MSP432晶片有四個UART子產品。每個子產品有其對應的寄存器。以下位址分析均為16進制，為書寫簡化起見，在不至于引起歧義的情況下，略去十六進制字尾“0x”不寫。
- UART子產品x的寄存器位址=4000_1000+x * 400+n * 2(x = 0~3;n = 0~15(除2、10、11、12), n代表寄存器号)。
2控制寄存器
- eUSCI_Ax控制字寄存器0（UCAxCTLW0）
- eUSCI_Ax控制字寄存器1（UCAxCTLW1）
- eUSCI_Ax中斷使能寄存器（UCAxIE）
- eUSCI_Ax調制控制字寄存器（UCAxMCTLW）
3狀态寄存器
- eUSCI_Ax狀态寄存器（UCAxSTATW）
- eUSCI_Ax中斷标志寄存器（UCAxIFG）
- eUSCI_Ax中斷向量寄存器（UCAxIV）
4波特率寄存器
- eUSCI_Ax波特率控制字寄存器（UCAxBRW）
- eUSCI_Ax自動波特率控制寄存器（UCAxABCTL）
5資料寄存器
- eUSCI_Ax接收緩存區寄存器（UCAxRXBUF）
- eUSCI_Ax發送緩存區寄存器（UCAxTXBUF）
常用波特率清單
- 300
- 600
- 1200
- 2400
- 4800
- 9600
- 19200
- 38400
- 43000
- 56000
- 57600
- 115200
MSP432中的UART
當MSP432要發送資料時，發送緩沖器中要發送的值裝入發送移位寄存器中，再一位一位地從發送端口UCAxTXD發送出去。
當MSP432要接收資料時，資料從UCAxRXD一位一位地送入接收移位寄存器，然後裝入接收緩存寄存器中。接收端在接收資料時可以實作錯誤檢測、解碼、幀聽等功能。
初始化配置
- 時鐘配置——時鐘源、時鐘頻率等
- GPIO配置——TXD、RXD
- UART配置——資料幀格式、波特率等
- 中斷配置
UART相關的SDK函數
void UART_clearInterruptFlag ( uint32_t moduleInstance，uint_fast8_t mask )
Clears UART interrupt sources.
void UART_disableInterrupt ( uint32_t modulelnstance，uint_fast8_t mask )
Disables individual UART interrupt sources.
void UART_disableModule ( uint32_t modulelnstance )
Disables the UART block.
void UART_enableInterrupt ( uint32_t modulelnstance，uint_fast8_t mask )
Enables individual UART interrupt sources.
void UART_enableModule ( uint32_t modulelnstance )
Enables the UART block.
uint_fast8_t UART_getEnabledInterruptStatus ( uint32_t modulelnstance )
Gets the current UART interrupt status masked with the enabled interrupts. This function is usefulto call in lSRs to get a list of pending interrupts that are actually enabled and could have causedthe lSR.
uint_fast8_t UART_getInterruptStatus ( uint32_t modulelnstance,uint8_t mask )
Gets the current UART interrupt status.
bool UART_initModule ( uint32_t modulelnstance,consteusCI_UART_ConfigV1 * config )
Initialization routine for the UART block.The values to be written into the UCAxBRW and UCAxMCTLW registers should be pre-computed and passed into the initialization function.
UART操作執行個體
程式功能：MSP432通過UART與PC通信。
描述：MSP432将通過序列槽收到的字元發回給PC，并在序列槽調試工具中顯示出來。UART幀格式被配置為一個起始位，一個停止位，無校驗位。使用的波特率為9600Baud。若使用UART0，P1.2與P1.3分别為接收端口與發送端口；若使用UART3，P9.6與P9.7分别為接收端口與發送端口。檢視對應針腳可參閱官方手冊表4-1。下面是MSP432通過UART0和UART3與PC通信：
UART0：UCA0RXD(P1.2)，UCA0TXD(P1.3)
因為MSP432P401R序列槽0被跳帽接到仿真器上了，将跳帽取下來用杜邦線接到通信裝置即可。
/* DriverLib Includes */
#include <ti/devices/msp432p4xx/driverlib/driverlib.h>
/* Standard Includes */
#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>
//配置結構體
const eUSCI_UART_Config uartConfig =
{
EUSCI_A_UART_CLOCKSOURCE_SMCLK,//時鐘源
78,//BRDIV = 78
2,//UCxBRF = 2
0,//UCxBRS = 0
EUSCI_A_UART_NO_PARITY,//無校驗
EUSCI_A_UART_LSB_FIRST,//低位先行
EUSCI_A_UART_ONE_STOP_BIT,//一個停止位
EUSCI_A_UART_MODE,//UART模式
EUSCI_A_UART_OVERSAMPLINE_BAUDRATE_GENERATION
};
//主函數
int main(void)
{
MAP_WDT_A_holdTimer();
//GPIO配置
MAP_GPIO_setAsPeripheralModuleFunctionInputPin(GPIO_PORT_P1,GPIO_PIN2|GPIO_PIN3,GPIO_PRIMARY_MODULE_FUNCTION);
//配置DCO頻率
CS_setDCOCenteredFrequency(CS_DCO_FREQUENCY_12);
//配置UART
MAP_UART_initModule(EUSCI_A0_BASE,&uartConfig);
MAP_UART_enableModule(EUSCI_A0_BASE);
//使能中斷
MAP_UART_enableInterrupt(EUSCI_A0_BASE, EUSCI_A_UART_RECEIVE_INTERRUPT);
MAP_Interrupt_enableInterrupt(INT_EUSCIA0);
MAP_Interrupt_enableSleepOnIsrExit();
MAP_Interrupt_enableMaster();
//列印資料
printf("Hello MSP432!\r\n");
UART_transmitData(EUSCI_A0_BASE,'A');
UART_transmitData(EUSCI_A0_BASE,'B');
while(1)
{
MAP_PCM_gotoLPM0();//低功耗模式0，序列槽中斷喚醒
}
}
//中斷服務子程式
void EUSCIA0_IRQHandler(void)
{
uint32_t status = MAP_UART_getEnabledInterruptStatus(EUSCI_A0_BASE);
if(status & EUSCI_A_UART_RECEIVE_INTERRUPT_FLAG)
{
uint32_t val;
val = UART_receiveData(EUSCI_A0_BASE);//變量val就是接收到的資料的值
UART_transmitData(EUSCI_A0_BASE,val);//将接收到的資料發送回去
}
}
//标準輸入輸出函數對接
int fputc(int ch,FILE *f)
{
UART_transmitData(EUSCI_A0_BASE,ch & 0xFF);
return ch;
}
int fgetc(FILE *f)
{
while(EUSCI_A_UART_RECEIVE_INTERRUPT_FLAG != UART_getInterruptStatus(EUSCI_A0_BASE,EUSCI_A_UART_RECEIVE_INTERRUPT_FLAG));
return UART_receiveData(EUSCI_A0_BASE);
}
UART3：UCA3RXD(P9.6)，UCA3TXD(P9.7)
/* DriverLib Includes */
#include <ti/devices/msp432p4xx/driverlib/driverlib.h>
/* Standard Includes */
#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>
//配置結構體
const eUSCI_UART_Config uartConfig =
{
EUSCI_A_UART_CLOCKSOURCE_SMCLK,//時鐘源
78,//BRDIV = 78
2,//UCxBRF = 2
0,//UCxBRS = 0
EUSCI_A_UART_NO_PARITY,//無校驗
EUSCI_A_UART_LSB_FIRST,//低位先行
EUSCI_A_UART_ONE_STOP_BIT,//一個停止位
EUSCI_A_UART_MODE,//UART模式
EUSCI_A_UART_OVERSAMPLINE_BAUDRATE_GENERATION
};
//主函數
int main(void)
{
MAP_WDT_A_holdTimer();
//GPIO配置
MAP_GPIO_setAsPeripheralModuleFunctionInputPin(GPIO_PORT_P9,GPIO_PIN6|GPIO_PIN7,GPIO_PRIMARY_MODULE_FUNCTION);
//配置DCO頻率
CS_setDCOCenteredFrequency(CS_DCO_FREQUENCY_12);
//配置UART
MAP_UART_initModule(EUSCI_A3_BASE,&uartConfig);
MAP_UART_enableModule(EUSCI_A3_BASE);
//使能中斷
MAP_UART_enableInterrupt(EUSCI_A3_BASE, EUSCI_A_UART_RECEIVE_INTERRUPT);
MAP_Interrupt_enableInterrupt(INT_EUSCIA3);
MAP_Interrupt_enableSleepOnIsrExit();
MAP_Interrupt_enableMaster();
//列印資料
printf("Hello MSP432!\r\n");
UART_transmitData(EUSCI_A3_BASE,'A');
UART_transmitData(EUSCI_A3_BASE,'B');
while(1)
{
MAP_PCM_gotoLPM0();//低功耗模式0，序列槽中斷喚醒
}
}
//中斷服務子程式
void EUSCIA3_IRQHandler(void)
{
uint32_t status = MAP_UART_getEnabledInterruptStatus(EUSCI_A3_BASE);
if(status & EUSCI_A_UART_RECEIVE_INTERRUPT_FLAG)
{
uint32_t val;
val = UART_receiveData(EUSCI_A3_BASE);//變量val就是接收到的資料的值
UART_transmitData(EUSCI_A3_BASE,val);//将接收到的資料發送回去
}
}
//标準輸入輸出函數對接
int fputc(int ch,FILE *f)
{
UART_transmitData(EUSCI_A3_BASE,ch & 0xFF);
return ch;
}
int fgetc(FILE *f)
{
while(EUSCI_A_UART_RECEIVE_INTERRUPT_FLAG != UART_getInterruptStatus(EUSCI_A3_BASE,EUSCI_A_UART_RECEIVE_INTERRUPT_FLAG));
return UART_receiveData(EUSCI_A3_BASE);
}
資料
MSP432P401R官方手冊