1、UART串口簡介

在單片機應用開發中，串口可以說是最常用的外設之一了。

串口最重要的功能就是能夠讓單片機和外部設備進行數據交互。例如在我們學習敏矽微電子的cortex m0時，可以將開發板與電腦相連，通過串口調試助手來調試程序、觀察程序運行結果。還有很多其他的串口模塊，比如藍牙、 NBIOT、GPRS、4G 等模組，都是使用的串口來進行驅動的，因此掌握串口是嵌入式工程師必備的技能。

接下來我們就來學習如何驅動ME32F030上的串口。

在正式學習之前，我們先對UART串口的通信格式做一個了解。UART的全稱是：通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)。串行傳輸數據是按照字節為單位進行移位傳輸的，因此通信速度較低。但其擁有線路簡單、通信距離遠的優點，使用兩條線即可實現雙向通信，一條用于發送，一條用于接收。因此在工業應用中受到廣泛應用。其通信格式也十分簡單，如下圖所示：

圖1 UART數據格式

空閑位：數據線在空閑狀態的時候保持高電平，表示沒有數據傳輸。

起始位：當要傳輸數據的時候，數據線會被拉低，表示開始數據傳輸。

數據位：數據位就是實際要傳輸的數據，一般都是按照字節傳輸數據的，即一次傳輸8 位數據的。一般都是低位在前，高位在后。當然也有相反的傳輸協議，但平時很少會遇到。

奇偶校驗位：這是對數據中“1”的位數進行奇偶校驗用的，可以根據需求進行選擇。

停止位：數據傳輸完成標志位，停止位的位數可以選擇 1 位、1.5 位或 2 位高電平，一般都選擇 1 位停止位。

波特率：波特率就是 UART 數據傳輸的速率，也就是每秒傳輸的數據位數，一般選擇 9600、19200、115200 等。

隨著電腦日新月異的升級換代，現在很多電腦都不帶傳統的COM口，USB接口開始廣泛應用。所以就有了USB轉串口芯片來解決這個難題，常用的U轉串芯片有CH340、PL2303 等。通過這些芯片就可以實現串口 TTL 轉 USB。

ME32F030開發板使用的是PL2303 芯片來完成串口和電腦之間的連接，只需要一條USB 線即可。在使用前需要注意兩件事：第一，先下載并安裝PL2303的驅動程序。第二，檢查開發板的USB跳線帽是否接到COM、USB這邊。

圖2 跳線連接

2、UART驅動寄存器

ME32F030 提供2個 UART 外設：UART0,UART1。串行接口都支持紅外傳輸（IrDA）協議功能。時鐘都受 SYSAHBCLKCTRL 寄存器控制。同時每個 UART 有獨立的時鐘分頻器來產生波特率，并使之不受系統時鐘和PCLK影響。UART對應的管腳映射圖如下：

圖3 UART管腳映射

看完管腳的映射關系，接下來就列出與UART相關的寄存器組，隨后會挨個進行講解。

圖4 UART寄存器

2-1 UART接收/發送緩沖寄存器

UART 接收/發送緩沖寄存器包含著 UART 接收到/將發送的字節，接收到的數據和待發送的串口數據都在該寄存器中。

2-2 UART狀態寄存器

該寄存器用于提供 UART 接收發送緩存器的狀態。大致可以歸類為以下幾種狀態：

發送狀態：發送FIFO空、發送FIFO半滿、發送FIFO滿。

接收狀態：接收FIFO空、接收FIFO半滿、接收FIFO滿。

奇偶校驗狀態：沒有奇偶校驗錯誤，或檢測到奇偶錯誤，寫1來清除錯誤標志。

接收緩存器溢出狀態 ：用來表明緩存器是否溢出。

2-3 UART控制寄存器

接下來就要著重講解下UART控制寄存器了。0-5位屬于基本的接收、發送中斷使位，這里不再累述。

BIT6：奇偶校驗中斷使能，使能該中斷后，當接收到的數據發生奇偶校驗錯誤后，會產生中斷通知串口接收發生錯誤。

BIT7：接收溢出中斷使能，使能該中斷后，當接收到的數據超出FIFO容量就會產生中斷。通知及時取出數據或者清空FIFO。

BIT8：奇偶校驗方式選擇位，0為偶校驗，1為奇校驗。這里注意，這只是選擇了奇偶校驗的方式，但是并不會生效，是否啟動校驗還需要下面介紹的寄存器。

BIT9：奇偶校驗使能位，只有當該位置1才會使能奇偶校驗，具體的校驗方式由剛才介紹的奇偶校驗方式選擇位來決定。

BIT10：IRDA傳輸協議使能位，置1使能。

BIT22：RX接收使能，置1使能。

BIT23：TX發送使能，置1使能。

2-4 UART中斷狀態寄存器

既然剛才在介紹UART控制寄存器的時候，介紹了不少中斷使能控制。肯定就會有相應的中斷狀態的管理。UART中斷狀態寄存器從低位開始依次管理著：①、發送結束中斷狀態，②、接收完成中斷狀態，③、發送FIFO滿中斷，④、接收FIFO滿中斷，⑤、發送FIFO半滿中斷，⑥、接收FIFO半滿中斷，⑦、奇偶校驗錯誤中斷，⑧、接收溢出中斷。

2-5 UART 波特率分頻器寄存器

UART 波特率分頻器寄存器 (BAUDDIV) 用于時鐘分頻從而產生相應的波特率。該寄存器可讀寫。該分頻器的時鐘源是由UARTnCLKDIV 控制 UART 的波特率源時鐘（SCLK）。

圖6 UART 波特率分頻器寄存器

波特率分頻值計算公式：

BAUDDIV = SCLK / UART BAUDRATE

2-6 UART TX/RX FIFO 數據清除寄存器

操作該寄存器可以快速對TX/RX FIFO進行數據清空。

圖7 UART TX/RX FIFO 數據清除寄存器

3、UART驅動函數

在例程LIB->common->Drivers->Source文件夾內有uart.c文件，這個就是提供的UART驅動文件，里面包含了一些基本的驅動函數，使用起來十分方便。下面會對每個函數進行講解。

3-1 UART初始化

在每段源代碼的后面，筆者對其進行一下注釋，方便大家快速掌握和使用這個函數。這個函數的4個參數的意義如下：

uart：要使能的UART模塊，可選UART0、UART1。

baudrate：要設置的串口的波特率。

parityoption：奇偶校驗位，可選UART_EVEN_PARITY(奇校驗)、 UART_ODD_PARITY(偶校驗)、 UART_RX_NO_INT(無校驗)。

rxinttriggerlevel：接收中斷觸發條件。

void UART_Open(UART0_Type *uart, uint32_t baudrate, uint8_t parityoption, uint8_t rxinttriggerlevel)
{
uint32_t volatile delays;  

if (uart==UART0)
{

//初始化時關閉UART0 IRQ
NVIC_DisableIRQ(UART0_IRQn);

//使能 UART0 時鐘
SYSCON->SYSAHBCLKCTRL_b.UART0_CLK=1; //enable UART0 PCLK
SYSCON->UART0CLKDIV_b.DIV = 0x1;      /* divided by 1 */

//復位 UART0
SYSCON->PRESETCTRL_b.UART0_RST_N=0;
SYSCON->PRESETCTRL_b.UART0_RST_N=1;
}
  else if (uart==UART1)
{
//初始化時關閉UART1 IRQ
NVIC_DisableIRQ(UART1_IRQn);

//使能 UART1 時鐘
SYSCON->SYSAHBCLKCTRL_b.UART1_CLK=1; //enable UART1 PCLK
SYSCON->UART1CLKDIV_b.DIV = 0x1;      /* divided by 1 */

//復位 UART1
SYSCON->PRESETCTRL_b.UART1_RST_N=0;
SYSCON->PRESETCTRL_b.UART1_RST_N=1;
}
  else return ;

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

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

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

//設置中斷觸發條件
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;

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

//插入延時
SYS_DelaymS(1);

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

3-2 UART關閉

這段函數用來關閉UART0或者UART1，只需要傳入需要關閉的串口即可。

void UART_Close(UART0_Type *uart)
{
if (uart==UART0)
{
//關閉UART0_IRQ
NVIC_DisableIRQ(UART0_IRQn);

//關閉UART0時鐘
SYSCON->SYSAHBCLKCTRL_b.UART0_CLK=0;

}else if (uart==UART1)
{

//關閉UART1_IRQ
NVIC_DisableIRQ(UART1_IRQn);

//關閉UART1時鐘
SYSCON->SYSAHBCLKCTRL_b.UART1_CLK=0;
}
  else return ;

//關閉相應UART的中斷，并清除中斷標志
UART_DisableInt(uart);
UART_ClearIntFlag(uart);
return;
}

3-3 UART讀取單個字節

這段函數的作用是UART讀取單個字節的數據。

uint8_t UART_ByteRead(UART0_Type *uart, uint8_t *data)
{
if (uart->STATE_b.RXNE)
{
*data=uart->DATA;
return 0;
}
  else
return 1;
}

3-4 UART連續讀取多個字節

UART連續讀取串口數據，直到讀取到指定長度的數據。

void UART_Read(UART0_Type *uart, uint8_t * rxbuf, uint8_t *readbytes)
{
uint8_t temp=0;

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

//return number of read
*readbytes=temp;
return;
}

3-5 UART發送單個字節

這段函數的作用是UART發送單個字節的數據。

uint8_t UART_ByteWrite(UART0_Type *uart, uint8_t data)
{
if (uart->STATE_b.TXF)
return 1;

uart->DATA=data;
return 0;
}

3-6 UART連續發送多個字節

UART連續發送串口數據，直到發送完指定長度的數據。

void UART_Send(UART0_Type *uart, uint8_t * txbuf, uint32_t sendbytes)
{
while (sendbytes--)
{
while (uart->STATE_b.TXF);
uart->DATA=*txbuf++;
}
return;
}

3-7 UART發送字符串

UART發送一段字符串數據，只需要將要發送的字符串數據首地址傳入即可。

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

3-8 UART使能中斷

有兩個參數項，第一個是選擇需要使能的UART，第二個選擇觸發中斷的條件。

void UART_EnableInt(UART0_Type *uart, uint32_t intcon)
{
uart->CTRL |= intcon;
return;
}

3-9 UART關閉中斷

調用該函數后，所有的串口的中斷觸發條件都將關閉。

void UART_DisableInt(UART0_Type *uart)
{
uart->CTRL &= 0xFFFFFF00;
return;
}

4、串口中斷例程

介紹完UART常用的驅動函數，接下來用個小例程來演示下UART的驅動。測試程序的功能是：通過串口助手發送一個字節的數據到單片機，單片機收到該數據后，將該數據通過單片機的串口發送到串口助手。

程序設計思路

首先是對UART0端口的初始化，將IO口復用為串口UART0的TX、RX功能。

隨后將UART0初始化為波特率115200，無奇偶校驗，接收非空觸發中斷。

下一步就是使能UART0的中斷，中斷觸發條件為接收FIFO非空。

最后使能UART0_IRQn中斷服務子程序。

測試程序的代碼如下：

int main(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 中斷服務子程序
void UART0_IRQHandler(void)
{
uint8_t cdata; 

//判斷中斷狀態位
if (UART0->INTSTATUS_b.RXNEINT )
{
cdata = UART0->DATA; //將接收到的數據返回
UART0->DATA=cdata;
}

//清除中斷狀態
UART0->INTSTATUS = 0x0F;
}

程序調試

編寫完程序，首先要在編譯環境下進行編譯、連接。沒有錯誤后（最好連警告也沒有）。就可以實際連接到電路板進行程序調試運行了。

在實驗前需要先確定U轉串所使用的的串口號，通過windows的設備管理器中的端口（COM和LPT）查看我們的串口，比如本例中是COM7。

圖8 串口端口號選擇

接下來打開串口上位機工具，本例使用的是“大傻串口工具”。按照程序中設置的串口參數配置好串口。端口選擇COM7，波特率115200，數據位8位，無奇偶校驗，1位停止位。最后點擊打開串口即可。打開后如圖所示：

圖9 串口配置

上位機環境配置好之后，接下里就可以下載并仿真程序了。首先我們在UART0_IRQ中斷子程序中位置打上斷點。隨后全速運行程序。

圖10 仿真界面

然后我們在上位機發送一個數據進行測試，例如發送一個字節0x11。這時候單片機便會進入串口中斷服務程序，并且停止在斷點處。這時候我們聽過watch窗口看到接收的數據，就是0x11。

圖11 數據發送

繼續單步運行并退出中斷服務程序，這時候我們再去看上位機，發現收到了單片機返回的數據。

圖12 數據接收