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作者:逸珺
導讀
單片機開發串口是應用最為廣泛的通信接口,也是最為簡單的通信接口之一,但是其中的一些要點你是否明了呢?來看看本人對串口的一些總結,當然這個總結并不能面面俱到,只是將個人認為具有共性以及相對比較重要的點做了些梳理。
啥是串口?
首先這玩意兒分兩種:
通用異步收發器(UART) 是用于異步串行通信的一種物理層標準,其中數據格式和傳輸速度是可配置的。
通用同步收發器(USART)是一種串行接口設備,可以對其進行編程以進行異步或同步通信。
數據格式
線上空閑、無數據狀態為常高電平,故邏輯低定義為起始位。
起始位:總是 1 位
數據位:常見的有 8 位或 9 位。
校驗位
奇校驗
偶校驗
無校驗
停止位:
1 位
2 位
波特率:bit rate 就是位/秒的概念,就是 1 秒傳送多少位的概念。常見的波特率有哪些呢?
這里須注意的要點:
一個有效字節的傳輸時間怎么算?
位數波特率
比如 9600 下,1 位起始位,8 位數據位,奇校驗,1 位停止位,則
為什么要理解清楚這個概念呢,因為在應用中需要計算數據吞吐率問題,就比如一個應用是數據采集串口傳輸問題,需要計算采集的位速率需要小于或等于傳輸波特率,否則數據就來不及傳。當然如果說你有足夠大的緩沖區可以臨時存儲,但是如果進來太快,而傳出速度跟不上,多大的緩沖都會滿!
校驗位有用嗎?當你的傳輸介質處于一個有干擾的場景下,校驗位就可以從物理層檢測出錯誤。
理解數據編碼方式有啥意義呢?比如在調試中你可以利用邏輯分析直接去解析收發線上的數據報文。
應用電路設計的時候 RX-TX 相連,很多初學者容易在這里踩坑!
常見的傳輸位序為低有效位在前。
對于波特率而言需要注意波特率發生器有可能帶來誤碼問題
啥是 UART?
兩邊分別代表兩個通信的設備,單從 UART 編程的角度講收發不需要物理同步握手,想發就發。箭頭代表數據信息流向。RX 表示接收數據,TX 表示發送數據。數據總是從發送端傳遞到接收端,這就是為啥 RX 連接 TX,TX 連 RX 的原因。
啥是 USART?
同步簡單說,收發不可自如,不可以想發就發,收發需要利用硬件 IO 口進行握手,RTS/CTS 就是用于同步的握手信號:
RTS:Ready to send,請求發送,用于在當前傳輸結束時阻止數據發送。
CTS:clear to send,清除發送,用于指示 USART 已準備好接收數據。
這個對于普通應用而言并不常見,這里不做詳細展開,需要用到的時候只需要對應收發時控制握手信號即可。
編程策略
對于不同的單片機,其硬件體系各異,寄存器也差異很大,但是從收發編程策略角度而言,常見有下面三種方式:
查詢發送/中斷接收模式
收發中斷模式
DMA 模式
查詢發送/中斷接收模式
這里以偽代碼方式描述一下:
/*查詢發送字節*/ voiduart_send_byte(uint8ch) { /*如果當前串口狀態寄存器非空閑,則一直等待*/ /*注意while循環后的分號,表示循環體為空操作*/ while(!UART_IS_IDLE()); /*此時將發送字節寫入發送寄存器*/ UART_TX_REG=ch; } /*發送一個緩沖區*/ voiduart_send_buffer(uint8*pBuf,uint8size) { uint8i=0; /*異常參數處理*/ if(pBuf==NULL) return; for(i=0;i
對于接收而言,如采用查詢模式則幾乎是沒有任何應用價值,因為外部數據不知道什么時候會到來,所以查詢接受就不描述了,這里描述一下中斷接收。
staticuint8rx_index=0; voiduart_rx_isr(void) { /*接收報文處理*/ rx_buffer[rx_index++]=UART_RX_REG; }
中斷接收需要考慮的幾個要點:
斷幀:這就取決于協議怎么制定了,比如應用協議定義的是 ASCII 碼方式,就可以定義同步頭、同步尾,比如 AT 指令的解析,做邏輯判斷幀頭、幀尾即可。但是如果傳輸的是 16 進制數據,比如 MODBUS-RTU 其斷幀采用的是 3.5 個字節時間沒有新的字節接收到,則認為收到完整的幀了。
如何保證幀的完整性,一般會在報文尾部加校驗,比較常用的校驗模式有 CRC 校驗算法。
不同的單片機開發環境對于中斷向量的處理方式略有不同,需要根據各自芯片的特點進行處理。比如 51 單片機,其發送/接收都共享一個中斷向量號。
收發中斷模式
#defineFRAME_SIZE(128u) staticuint8tx_buffer[FRAME_SIZE]; staticuint8tx_index=0; staticuint8tx_length=0; staticuint8rx_buffer[FRAME_SIZE]; staticuint8rx_index=0; staticboolrx_frame_done=false; voidprepare_frame(uint8*pBuf,uint8size) { /*將待傳的報文按照協議封裝*/ /*可能需要處理的事情,比如幀頭、幀尾、校驗等*/ } booluart_start_sending(uint8*pBuf,uint8size) { if(pBuf==NULL) returnfalse; memcpy(tx_buffer,pBuf,size); tx_index=0; tx_length=size; /*使能發送中斷,向發送寄存器寫入一個字節,進入連續發送模式*/ ENABLE_TX_INT=1; UART_TX_REG=tx_buffer[tx_index++]; } voiduart_tx_isr(void) { if(tx_index
還需要考慮的是,對于 UART 硬件層面的出錯處置,以 STM32 為例,就可能有下面的錯誤可能發生:
溢出錯誤
噪聲檢測
幀錯誤
奇偶校驗錯誤
另外不同的單片機其底層硬件實現差異也不較大,比如有的硬件發送緩沖是單字節的緩沖,有的則具有 FIFO,這些在選型編程時都需要綜合考慮。
DMA 模式
DMA 發送模式而言,大致分這樣幾步:
初始化 UART 為 DMA 發送模式,開啟 DMA 結束中斷,并寫好 DMA 傳輸結束中斷處理函數
準備待發送報文,幀頭、幀尾、校驗處理
將待發送報文緩沖區首地址賦值給 DMA 源地址,DMA 目標地址設置為 UART 發送寄存器,設置好發送長度。
啟動 DMA 傳輸,剩下傳輸完成就會進入傳輸結束中斷處理函數。
DMA 接收模式而言,大致分這樣幾步:
初始化 UART 為 DMA 接收模式,開啟 DMA 結束中斷,并寫好 DMA 傳輸結束中斷處理函數
中斷處理函數中標記接收到幀,對于使用 RTOS 而言,還可以使用的機制是利用 RTOS 的事件機制、消息機制進行通知有新的幀接收到了。
對于 DMA 接收模式而言,對于變長幀的處理較為不利,所以如果想使用 DMA 接收,制定協議時盡量考慮將幀長度固定,這樣處理會方便些。
總結一下
單片機串口是一個需要好好掌握的內容,這里總結了一些個人經驗,盡量將一些個人共性的東西總結出來。至于實際實現而言,由于芯片體系差異較多,具體代碼各異。但個人認為處置的思路方法卻是基本一致。所以本文除了描述串口本身的細節而言,想表達的一個額外的觀點是:
對于一些技術點盡量學會將其共性的東西剝離總結出來。
總結、概括、剝離抽象是一個比較好的學習思路,不用對具體的硬件死記,萬變不離其宗。
如果本文有喜歡的朋友,后面陸續可以總結一下I2C/SPI等常用接口。
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審核編輯 黃昊宇
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