第四章-异步(UART)通信

TxD TxD
UART特性
UART是用硬件实现异步串行通信的通信接口电路。
全双工
异步模式可编程的7位、8位、9位数据 独立的波特率发生器 最大波特率是时钟频率的1/16 两个缓冲器用于发送和接收 CTS用于发送操作 可编程的奇、偶和无校验 检测帧错误和纠正错误 支持发送和接收中断
设备A 发送器/ 接收器 设备B 接收器/ 发送器
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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通信速率
数据的传输速率可以用比特率表示。
比特率——每秒传输的二进制位数，单位为 bps（bit per second ）。 波特率——每秒钟调制信号变化的次数。
不考虑实际通信中的调制和解调，计算机直接 传输的信号只有高、低电平（逻辑0或逻辑1）， 那么比特率就等于波特率。
举例： 采用USCI_A1模块的UART在ISR中将接收的字符原样 发送出去，工作于超低功耗LPM3模式下，时钟频率选择为 ACLK=32768Hz。
#include<msp430f6638.h> void main(void) { WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; while(BAKCTL&LOCKIO) BAKCTL&=~(LOCKIO); UCSCTL6&=~(XT1OFF); UCSCTL6|=XCAP_3; Do { UCSCTL7&=~(XT2OFFG+XT1LFOFFG+DCOFFG); SFRIFG1&=~OFIFG; }while(SFRIFG1&OFIFG);
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本章结构
• MSP430通信接口
– 4.1 通信系统概述
– 4.2 USCI模块概述 – 4.3 通用异步通信协议UART模式 – 4.4 串行外设接口协议SPI模式 – 4.5 内部集成电路协议I2C模式
– 4.6 通用串行总线协议USB模块
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4.1 通信系统概述
通信系统模型
• 所有数字通信系统都具有三种设备：
– 发送器：把信息处理成合适的格式，然后发送；
– 接收器：收集信息并抽取出原始数据；
– 起始位：加到要发送的信息的开头，以识别一个新数据的开始； – 停止位：加到要发送的信息的尾部，表示传输结束。
无论以上何种通信方式，按照数据传输方向均可分为： 单工、半双工和全双工三种方式，如图所示。
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单工方式
单工（Simplex)方式：数据的传输方式是单向的，即发送端和接收 端的身份是固定的，发送端只能发送信息，不能接收信息；接收端 只能接收信息，不能发送信息。
第四章 MSP430通信接口
本章概述
• MSP430系列微控制器中具有通信模块USCI (通用串行通信接口)，可配 置成以下三种通信接口：
– 它能够配置成UART(通用异步通信协议)（异步）
– SPI(串行外设接口协议) （同步） – I2C(内部集成电路协议)模式（同步） • 此外，一些MSP430系列还具有USB模块，它完全兼容USB 2.0全速 规范，扩展了MSP430的应用领域范围。
UART帧结构图
起始位 数据区（由低到高） 1位 一般为7位或8位
校验位 停止位 1位 一般可选为1位或2位
8位数据、无校验、一位停止位的工作示例图
使用UART通信
使用UART通信需要两个引脚：
常用UART接口
• RS232:是美国电子工业协会(EIA)制定的串行通讯标准， 又称RS-232-C 。RS232是一个全双工的通讯标准，它可 以同时进行数据接收和发送的工作。 • RS485:是美国电子工业协会(EIA)制定的串行通讯标准， 又称RS-232-C 。RS232是一个全双工的通讯标准，它可 以同时进行数据接收和发送的工作。
同步、异步的概念
异步通信：处理器之间不使用公共的参考时钟，通信双方 分别有自己的时钟源，但必须使用相同的波特率。例 如UART就是属于串行异步通信。 同步通信：由主机提供时钟与数据，从机使用该时钟接收 数据或发送数据，即通信双方公用时钟源。例如：SPI 和I2C就属于串行同步通信。
同步串行通信方式
UART 工作原理
需选择一波特率作为发送（/接收）数据的时序，交互 双方的波特率必须一致。 UART的数据以帧为单位发送，一帧数据由以下几个 部分顺序组成：开始位、数据位（可选位数7位或8 位）、校验位（可选）、停止位（可选位数1位或2 位）。通信双方的可选部分的设置必须完全一致。 数据成功的发送和接收，都有专门的中断和状态位来 指出，例如，接收到一帧数据，如果相应的中断开启， 那么进入中断处理程序读出数据，如果未开启，则可 以通过循环查看接收状态位来确定数否收到数据。
UCA１CTL1 |= UCSWRST; // 复位USCI_A1状态机 UCA１CTL1 |= UCSSEL_1; // CLK = ACLK = 32kHz UCA１BR0 = 0x03; // 32kHz/9600=3.41 UCA１BR1 = 0x00; UCA１MCTL = UCBRS_3+UCBRF_0; // UCBRS = round[(N-INT(N))×8] = 3 P8SEL|=BIT2+BIT3; P8DIR|=BIT2+BIT3; UCA１CTL1 &= ~UCSWRST; // 初始化复位USCI_A1状态机 UCA１IE |= UCRXIE; // 使能USCI_A1接收中断 __bis_SR_register(LPM3_bits + GIE); } // 进入LPM3，使能全局中断
1
1
0
0
0
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同步串行通信方式
同步通信：在同步通信方式下，在传送数据的同 时还要传送时钟信号，以使接收双方可以用时钟信 号来确定每个信息位。
发送时钟信号 接收时钟信号 数据信号
1
0
1 1
0
0
0
0
1
0
同步通信的缺点是要求发送时钟和接收时钟保持 严格同步。
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同步方式通信的数据格式
同步字符（SYN1) 同步字符（SYN2) 数据（DATA)
…
同步通信是按数据块传送的。把传送的字符顺序 地连接起来，组成数据块，在数据块前面加上特 殊的同步字符，作为数据块的起始符号，由收/发 一致的同步时钟在发送端发出，接收端接收到同 步字符后，开始接收数据块。
同步通信的优点是传输速率快。
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串行通信 (2/2)
• 在串行通信系统中，物理发送介质只需要一条信号线。发 送器根据发送器和接收器之间指定的速率发送比特序列。 要使通信双方同步，还需要一些额外的信息：
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[例]
某异步通信的波特率为4800，8个数据位，无校验 位，，一个起始位，一个停止位。试估算每个字符传输 所需要的时间。 解：起始位1位，8位数据位，无校验位，一个起始 位，一个停止位，则一个字符的编码为1+8+0+1=10位。 波特率为4800，即4800位/秒，传输10位所需要的时间是 10/4800≈0.002083秒，即2.083毫秒。
同步通信：在同步通信方式下，在传送数据的同 时还要传送时钟信号，以使接收双方可以用时钟信 号来确定每个信息位。
发送时钟信号 接收时钟信号 数据信号
1
1
0
0
0
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同步串行通信方式
同步通信：在同步通信方式下，在传送数据的同 时还要传送时钟信号，以使接收双方可以用时钟信 号来确定每个信息位。
发送时钟信号 接收时钟信号 数据信号
– 通信介质：为信息流提供物理介质，通常为双绞线、光纤或射频 网络。
通信常用术语
• • • • • 并行：数据各位同时进行传送 串行：数据逐位顺序进行传送 全双工：(串行通信)收/发可同时进行 半双工：(串行通信)收/发不可同时进行 波特率(bps.)：单位时间传送的位数
并行通信
• 在并行通信系统中，要发送的数字值的每个位都具有独立的信号线。 多条线上的逻辑电平共同形成了要发送的信息的值.
– 配置相应引脚端口；
– 软件清零UCSWRST；
– 使能UCxRXIE和/或UCxTXIE中断。
波特率生成
• 对于一个特定的时钟源 的频率，分频值下列公 式给出：
• 通常情况下，N不是一 个整数，因此，需要使 用调制器。
低频波特率生成
• 当UCOS16 = 0时即选择为“低频波特率生成”模式。由 于该模式使用低频时钟信号(32.768 kHz晶振)，故其非常 适合低功耗应用。 • 波特率是由分频器和调制器中获得。 • 寄存器将通过下面公式得出的值来进行配置。
4.3 通用串行通信接口(USCI) — UART模式
主要内容
• UART总线协议
– 总线结构 – 工作模式 – 数据传输时序
• MSP430 UART模块
– – – – USCI概述 主从机模式 UART模块寄存器 应用示例
全双工串行接口(UART)应用场合
UART（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter，异步 TxD TxD 通信收发器），俗称“串口”。 片内 其它 RxD RxD UART 串口是嵌入式系统与外界联系的重要手段，主要用于以下 通信设备 模块 两个方面： 1、UART直接和其他的控制器进行数据交换 RS232 PC机串口是RS232电平，所 2、UART 片内和PC机通信：由于 电平转换 RxD RxD 以连接时需要使用 RS232 转换器 UART PC机串口 模块
串口通信 (1/2)
串行通信的基本特征是数据逐位顺序进行传送串行通信 的格式及约定（如：同步方式、通讯速率、数据块格式、信 号电平……等）不同，形成了多种串行通信的协议与接口标 准。 常见的有： • 通用异步收发器(UART) • 通用串行总线（USB） • I2C总线 • CAN总线 • SPI总线 • RS-485，RS-232C，RS422A标准……
超采样波特率生成
• 当UCOS16 = 1时即选择为“超采样波特率生成”模式。 这个模式具有精确的位时序。它需要时钟源比所需的波特 率高16倍。 • 通过以下两步可以产生波特率： • 将时钟源16分频，结果存于BITCLK16，然后作为时钟源 由分频器再次分频，然后供给第一个调制器。 • BITCLK由BITCLK16定义，通过16分频及第二个调制器。 • 寄存器将通过下面公式得出的值来进行配置。
USCI介绍：UART模式
UART模块特征包括：
带奇校验、偶校验或非奇偶校验的7或8位数据 独立的发送和接收移位寄存器 独立的发送和接受缓冲寄存器 最低位优先或最高位优先的数据发送和接收 多处理器系统的内置空闲线路和地址位通信协议 用于自动从LPMx模式唤醒的接收机起始边沿检测 波特率可编程控制，支持小数波特率调制 用于错误检测和抑制的状态标志 用于地址检测的状态标志 发送和接收的独立中断能力
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4.2 USCI模块概述
USCI模块特性
• 低功耗运行模式（自动启动） • 两个独立模块：
– USCI_A：
– 支持Lin/IrDA的UART； – SPI( 主/从、3线和4线模式)。
– USCI_B：
– SPI (主/从、3线和4线模式)； – I2C (主/从, 高达400 kHz)。
• 双缓冲TX/RX； • 波特率/位时钟发生器：
– 自动波特率检测； – 灵活的时钟源。
• RX干扰抑制； • 使能DMA； • 错误检测。
初始化USCI模块
• 使用USCI模块之前，要先对其进行初始化配置。 建议采用以下步骤初始化或重配置USCI模块：
– 置位UCAxCTL1的UCSWRST； – 初始化USCI寄存器；
设备A 发送器
Data flow
设备B 接收器
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半双工通信
半双工（Half Duplex）：数据可以在两个方向上 进行传送，但是这种传送绝不能同时进行。
设备A 设备B
Data flow
发送器/ 接收器
接收器/ 发送器
特点：双向，但不同时。
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全双工通信
全双工（Full Duplex）：能够在两个方向同时 进行数据传送。一般实现方法是采用两个信道 完成。
USCI_Ax模块框图—— UART模式
在异步模式下， USCI_Ax模块通过两个 外部引脚UCAxRXD和 UCAxTXD将芯片连接 到外部系统。
当UCSYNC = 0时， 选择UART模式。
UART通信字符格式
UART的字符格式，包括一个起始位，7或8位数据位， 一个奇/偶/非奇偶校验位，地址位（地址位模式），以及1或 2个停止位。UCMSB位控制传送方向，选择低位或高位优先 ，UART通讯的典型选择是低位优先。