嵌入式硬件通信接口-UART

UART协议简介

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通用异步收发器。UART在一开始发明出来的时候用作电脑硬件的一部分，主要作用是将数据通过串行通信和并行通信间作传输转换，后来UART作为微处理器的外设应用非常广泛，同时在UART上追加同步的时钟信号，称为USART（Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter）。UART它包括RS232、RS449、RS422和RS485等接口标准规范和总线规范，是异步串行通信口的总称。可以理解为UART通信协议是软件上的通信网络中的数据链路层，表示数据传输协议。而RS232、RS485是通信接口的电器特性和连接特性、机械特性等硬件上的范畴，属于物理层

UART协议特点

UART通信可以是半双工、全双工，在空闲状态（没有数据传输期间）保持高电平，表示传输线路正常。每一个字符为一帧数据，以逻辑低电平为开始比特，然后是数据比特，可选的奇偶校验比特，最后是一个或多个停止比特（逻辑高电平）。大部分的应用都是先传输低位数据比特

UART协议应用

UART应用是非常广泛的，在早期的电脑中都会带一个RS232的接口，后来变为USB口。目前市场上绝大部分的微处理器（MCU）都带有UART硬件，可用于通信或应用程序下载。需要注意的是MCU上的UART是TTL电平

UART协议时序

UART时序包含：起始位、数据位、奇偶校验位（可选）、停止位。在无数据传输的期间（空闲状态下），数据线保持高电平；通信过程中，先发送1bit起始位（低电平），接着发送数据位（数据位多少由用户配置决定，通常为8bit，也就是1Byte），发送完数据位后接着发送1bit奇偶校验位1bit（根据通信决定可选择不发送，一般都配置为无奇偶校验），最后发送停止位(通常位1bit)。数据位选择、奇偶校验位选择和停止位选择如下表

起始位	数据位	奇偶校验位	停止位
1(bit)	5、6、7、8(bit)	奇校验或偶校验(1bit)、无	1、1.5、2(bit)

注：奇偶校验位-当配置为奇校验时，数据位中数据‘1’的个数+奇偶校验位 = 奇数；偶校验同理

数据帧结构

UART通信配置：起始位1bit+数据位8bit+无奇偶校验+停止位1bit。通信数据帧如下图：

通信速率

UART的通信速率是以波特率位单位衡量的，UART一般通信速率使用9600、115200。需要特别说明的是：UART通信中，比如波特率是9600bps，但是不意味着是9600bit/s，因为使用的波特率单位bps与平常的比特率单位bit/s是不一样的，波特率指的是每秒钟传送的码元符号的个数，是衡量数据传送速率的指标，它用单位时间内载波调制状态改变的次数来表示，比特率指的是每秒传送的比特(bit)数

UART通信中，1个bit表现为高电平或低电平，在这种情况下是9600bps = 9600bit的，一帧数据 = 起始位1bit+数据位8bit+无奇偶校验+停止位1bit = 10bit，9600bps的实际有效数据就是9600/10 = 960Byte

注：当一个一个码元符号表示两个bit时，比特率 = 波特率 x 2

UART协议在MCU中的应用

目前市场上大部分的MCU都带有UART外设，以STM32F103RCT6型号为例，该型号MCU带有数个USART（Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter），比UART多了一个时钟同步信号线（该功能比较少用），还有有CTS与RTS信号引脚，可用于流控[^有软件和硬件两种]。UART大量应用在数据收发的通信场合，因此一个好的算法处理收发过程的数据是很必要的，下面介绍一个常用的队列结构在UART收发上的应用

下面例子使用的环境如下：

• Windows10
• ARM KEIL MDK V5.25
• Thermal Printer MainBoard V1.0（STM32F103RC开发板也可以直接使用）
• DAPLink（或其他支持SWD下载方式的下载器,如ST-LINK）
• 友善串口调试助手（支持串口调试的终端都可以）

注：如果选择非DAPLink下载器（DAPLink自带虚拟串口），则还需要一个USB转TTL来连接PC与开发板

UART基础配置

例程使用STM32F103RCT6中的USART1口，基本配置为（起始位时通讯中必须存在的）：

• 波特率115200
• 8位数据位
• 一位停止位
• 无奇偶校验
• 无流控
• 全双工模式
• 开启接收中断

代码实现如下：

/**
  * @函数名       USART1_Init
  * @功  能       初始化串口，波特率115200，8位数据为，1位停止位，无奇偶校验
  * @参  数       无
  * @返回值       无
  */
void USART1_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;		// 定义一个GPIO_InitTypeDef类型的变量
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;		// 定义一个USART_InitTypeDef类型的变量
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;		//定义中断向量结构体
	
	/* 允许GPIOA和USART1的时钟 */
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	/* 配置USART1 */
	/* 配置PA9(TXD) */
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; 													// 选择PIN9
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; 										// 复用推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; 									// 50MHz速度
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);															// 初始化配置

	/* 配置PA10(RXD) */
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;				// 选择PIN10
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;	// 选择浮空输入
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					// 初始化配置
		
	/* 配置USART1的NVIC */
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);			//嵌套向量中断控制器组配置为2
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;		//配置通道
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;//抢占优先级：1
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;		//子优先级：1
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;			//使能通道
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);							//初始化配置
	
	/* 配置串口USART1的模式 */
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;			// 波特率115200
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;// 8个数据位
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;	// 1个停止位
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;	// 无奇偶校验
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;		// 无硬件流控制
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);				//把上面配置的参数带进函数里面初始化串口
	
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);			//使能接收中断
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);								//打开串口1
}

环形队列应用

USART配置完毕后，开始实现队列结构，队列结构由五部分组成：

typedef struct Circular_Queue_Str
{
	uint8_t	 *BuffHead;		//缓冲区首地址
	uint16_t WritePtr;		//写入指针（位置）
	uint16_t ReadPtr;		//读取指针（位置）
	uint16_t Count;			//已使用数据量计数器
	uint16_t BuffSize;		//缓冲区大小
}CirQueue_Str;

在实际使用队列前，需要初始化队列，收发数据过程也伴随着不断入队和出队过程，相关队列函数实现如下：

/**
  * @函数名       Circular_Queue_Init
  * @功  能       初始化队列
  * @参  数       queue：队列结构， bufHead：队列数组首地址， bufSize：队列大小
  * @返回值       无
  */
void Circular_Queue_Init(CirQueue_Str *queue, uint8_t *bufHead, uint16_t bufSize)
{
	queue->BuffHead = bufHead;	//队列数组首地址
	queue->BuffSize = bufSize;	//队列数组大小
	queue->ReadPtr = 0;			//队列读指针指向首地址
	queue->WritePtr = 0;		//队列写指针指向首地址
	queue->Count = 0;			//队列计数器清零
}


/**
  * @函数名       Circular_Queue_IsEmpty
  * @功  能       判断队列是否为空
  * @参  数       queue：队列结构
  * @返回值       计数器是否等于0的结果，空 = 1，非空 = 0；
  */
uint8_t Circular_Queue_IsEmpty(CirQueue_Str *queue)
{
	return (queue->Count == 0);	//返回队列计数器是否等于0的结果
}


/**
  * @函数名       Circular_Queue_IsFull
  * @功  能       判断队列是否为满
  * @参  数       queue：队列结构
  * @返回值       计数器是否等于队列大小的结果，满 = 1，非满 = 0；
  */
uint8_t Circular_Queue_IsFull(CirQueue_Str *queue)
{
	return (queue->Count == queue->BuffSize);	//返回队列计数器是否等于队列大小的结果
}


/**
  * @函数名       Circular_Queue_Clear
  * @功  能       清空队列
  * @参  数       queue：队列结构
  * @返回值       无
  */
void Circular_Queue_Clear(CirQueue_Str *queue)
{
	queue->ReadPtr = 0;		//队列读指针指向首地址
	queue->WritePtr = 0;	//队列写指针指向首地址
	queue->Count = 0;		//队列计数器清零
}


/**
  * @函数名       Circular_Queue_Enter
  * @功  能       入队
  * @参  数       queue：队列结构，data：数据
  * @返回值       无
  */
void Circular_Queue_Enter(CirQueue_Str *queue, uint8_t data)
{
	if(Circular_Queue_IsFull(queue))			//判断队列是否满
	{
		printf("the queue is full \n");
		return;
	}
		
	*(queue->BuffHead + queue->WritePtr) = data;//数据入队
	__disable_irq();							//禁能所有中断
	queue->Count++;								//队列计数器加一
	queue->WritePtr = (queue->WritePtr + 1) % queue->BuffSize;	//写指针加一，循环队列的操作方法
	__enable_irq();								//解禁中断
}


/**
  * @函数名       Circular_Queue_Exit
  * @功  能       出队
  * @参  数       queue：队列结构
  * @返回值       temp：队列数据或出错信息
  */
uint16_t Circular_Queue_Exit(CirQueue_Str *queue)
{
	uint8_t temp;
	
	if(Circular_Queue_IsEmpty(queue))
	{
		printf("the queue is empty \n");
		return 0xffff;
	}
	
	temp = *(queue->BuffHead + queue->ReadPtr);	//数据出队
	__disable_irq();							//禁能所有中断
	queue->Count--;								//队列计数器减一
	queue->ReadPtr = (queue->ReadPtr + 1) % queue->BuffSize;		//读指针加一，循环队列的操作方法
	__enable_irq();								//解禁中断
	return temp;								//返回数据
}

相关队列函数实现后，开始初始化队列。初始化队列需要由一个数据缓冲区，以及缓冲区大小和一个队列结构体三个参数，可以定义在USART配置的文件中：

#define USART_BUFF_SIZE		256
uint8_t USART_Buff[USART_BUFF_SIZE];		//定义缓冲区数组
CirQueue_Str my_queue;						//定义队列

然后对USART和QUEUE进行初始化：

/**
  * @函数名       USART1_Config
  * @功  能       串口配置
  * @参  数       无
  * @返回值       无
  */
void USART1_Config(void)
{
	USART1_Init();			//初始化串口
	Circular_Queue_Init(&my_queue, USART_Buff, USART_BUFF_SIZE);		//初始化队列
}

当接收到数据时，会引发USART的接收中断，在中断中把数据入队：

/**
  * @函数名       USART1_IRQHandler
  * @功  能       串口1中断函数
  * @参  数       无
  * @返回值       无
  */
void USART1_IRQHandler(void)
{
	//串口空闲中断
	if(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)
	{
		USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE); //清除中断标志
		Circular_Queue_Enter(&my_queue, USART_ReceiveData(USART1));	//入队
	}
}

最后在主函数中判断队列是否存在数据，存在数据则发送出去：

/**
  * @函数名       main
  * @功  能       主函数入口
  * @参  数       无
  * @返回值       无
  */
int main(void)
{
	uint8_t temp;			//定义变量
	USART1_Config();	//串口初始化
	
	while(1)
	{
		if(!Circular_Queue_IsEmpty(&my_queue))						//判断队列书否存在数据
		{
			while(my_queue.Count != 0)											//队列存在Count个数据
			{
				temp = Circular_Queue_Exit(&my_queue);				//把数据出队（1Byte）
				USART_SendData(USART1, (uint8_t) temp);				//发送数据
				while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET);		//等待发送完成
			}
		}
	}
}

效果如下所示：