第十三章 UART实验
本章将介绍Kendryte K210的UART外设。通过本章的学习，读者将学习到UART的使用。 本章分为如下几个小节： 13.1 UART介绍 13.2 硬件设计 13.3 程序设计 13.4 运行验证
13.1 UART介绍 串口通信是一种设备间常用的串行通信方式，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比特字节（byte）的串行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。串口通信协议是指规定了数据包的内容，内容包含了起始位、主体数据、校验位及停止位，双方需要约定一致的数据包格式才能正常收发数据的有关规范。在串口通信中，常用的协议包括RS-232、RS-422和RS-485等。 随着科技的发展，RS-232在工业上还有广泛的使用，但是在商业技术上，已经慢慢的使用USB转串口取代了RS-232串口。我们只需要在电路中添加一个USB转串口芯片，就可以实现USB通信协议和标准UART串行通信协议的转换，而我们开发板上的USB转串口芯片是CH343P这个芯片。 下面我们来学习串口通信协议，这里主要学习串口通信的协议层。 串口通信的数据包由发送设备的TXD接口传输到接收设备的RXD接口。在串口通信的协议层中，规定了数据包的内容，它由启始位、主体数据、校验位以及停止位组成，通讯双方的数据包格式要约定一致才能正常收发数据，其组成如图 13.1.1所示。 图13.1.1 串口通信协议数据帧格式 串口通信协议数据包组成可以分为波特率和数据帧格式两部分。 1. 波特率本章主要讲解的是串口异步通信，异步通信是不需要时钟信号的，但是这里需要我们约定好两个设备的波特率。波特率表示每秒钟传送的码元符号的个数，所以它决定了数据帧里面每一个位的时间长度。两个要通信的设备的波特率一定要设置相同，我们常见的波特率是4800、9600、115200等。 2. 数据帧格式数据帧格式需要我们提前约定好，串口通信的数据帧包括起始位、停止位、有效数据位以及校验位。 l 起始位和停止位 串口通信的一个数据帧是从起始位开始，直到停止位。数据帧中的起始位是由一个逻辑0 的数据位表示，而数据帧的停止位可以是 0.5、1、1.5或 2个逻辑1的数据位表示，只要双方约定一致即可。 l 有效数据位 数据帧的起始位之后，就接着是数据位，也称有效数据位，这就是我们真正需要的数据，有效数据位通常会被约定为5、6、7或者8个位长。有效数据位是低位（LSB）在前，高位（MSB）在后 l 校验位 校验位可以认为是一个特殊的数据位。校验位一般用来判断接收的数据位有无错误，检验方法有：奇检验、偶检验、0检验、1检验以及无检验。下面分别介绍一下： 奇校验是指有效数据为和校验位中“1”的个数为奇数，比如一个 8 位长的有效数据为：10101001，总共有 4 个“1”，为达到奇校验效果，校验位设置为“1”，最后传输的数据是8位的有效数据加上 1 位的校验位总共 9位。 偶校验与奇校验要求刚好相反，要求帧数据和校验位中“1”的个数为偶数，比如数据帧：11001010，此时数据帧“1”的个数为 4 个，所以偶校验位为“0”。 0 校验是指不管有效数据中的内容是什么，校验位总为“0”，1 校验是校验位总为“1”。 无校验是指数据帧中不包含校验位。 我们一般是使用无校验的情况。 3. Kendryte K210串口介绍Kendryte K210硬件上有3个UART控制器和1个UARTHS控制器，它们能够灵活地与外部设备进行全双工数据交换。 UART一共有3个，其特点如下所示： 1. 可编程收发波特率 2. 3个UART的发送FIFO以及接收FIFO共享1024*8bit RAM全双工异步通信 3. 支持输出信号波特率自动检测功能 4. 支持5、6、7、8位数据长度 5. 支持1、1.5、2、3、4位停止位长度 6. 支持奇偶校验位 7. 支持RS485协议 8. 支持IrDA协议 9. 支持DMA高速数据通信 10. 支持UART唤醒模式 11. 支持软件流控和硬件流控 UARTHS一共有1个，其特点如下所示： 1. 通讯速率可达5Mbps 2. 8字节接收和发送FIFO 3. 可编程中断模式 4. 不支持硬件流控或者其他调制解调控制信号，或异步串行数据转换器 本章实验只用到UART外设，UARTHS这里不详细介绍，感兴趣的自行了解学习。Kendryte K210官方SDK提供了多个操作UART的函数，这些函数介绍如下： 1， uart_init函数 该函数主要用于初始化UART外设，如下代码所示： void uart_init(uart_device_number_t channel) { sysctl_clock_enable(SYSCTL_CLOCK_UART1 + channel); sysctl_reset(SYSCTL_RESET_UART1 + channel); } /* uart_init 的UART功能编号 channel的配置参数 */ typedef enum _uart_device_number { UART_DEVICE_1, UART_DEVICE_2, UART_DEVICE_3, UART_DEVICE_MAX, } uart_device_number_t; 函数共有一个参数，用于选择UART的编号进行初始化，可以看到函数先使能外设时钟，然后重新复位。 2，uart_config函数 该函数用于UART的功能，该函数原型及参数描述如下所示： void uart_config(uart_device_number_t channel, uint32_t baud_rate, uart_bitwidth_t data_width, uart_stopbit_t stopbit, uart_parity_t parity); /* 数据位宽度配置参数 */ typedef enum _uart_bitwidth { UART_BITWIDTH_5BIT = 5, UART_BITWIDTH_6BIT, UART_BITWIDTH_7BIT, UART_BITWIDTH_8BIT, } uart_bitwidth_t; /* 停止位配置参数 */ typedef enum _uart_stopbit { UART_STOP_1, UART_STOP_1_5, UART_STOP_2 } uart_stopbit_t; /*奇偶校验位配置参数 */ typedef enum _uart_parity { UART_PARITY_NONE, UART_PARITY_ODD, UART_PARITY_EVEN } uart_parity_t; 函数用于设置对应串口号的波特率、数据宽度、停止位宽度、奇偶校验位，第一个参数用于选择串口号，第二个参数设置串口的波特率，后面三个参数用于设置数据格式，分别设置数据位宽度、停止位宽度和奇偶校验位。 3，uart_send_data函数 该函数用来发送数据，函数代码如下所示： int uart_send_data(uart_device_number_t channel, const char *buffer, size_t buf_len) { g_write_count = 0; while(g_write_count < buf_len) { uart_channel_putc(*buffer++, channel); g_write_count++; } return g_write_count; } 可以看到，函数共有三个参数，第一个参数用于设置发送数据的串口号，第二个参数是要发送的数据，第三个参数是设置发送数据的长度，函数会返回写入成功的字节数。 4，uart_receive_data函数 该函数用来发送数据，函数代码如下所示： int uart_receive_data(uart_device_number_t channel, char *buffer, size_t buf_len) { size_t i = 0; for(i = 0; i < buf_len; i++) { if(uart[channel]->LSR & 1) buffer = (char)(uart[channel]->RBR & 0xff); else break; } return i; } 函数共有三个参数，第一个参数用于设置接收数据的串口号，第二个参数是用于设置接收数据存放的内存地址，第三个参数是设置接收数据的长度，该函数接收一段数据后会返回收到数据的字节数，我们可以根据返回值确定字符串的大小，从而方便我们处理数据。 13.2 硬件设计 13.2.1 例程功能 1. Kendryte K210通过USB串口和上位机对话，Kendryte K210在收到上位机发过来的字符串后，会返回给上位机。同时每隔一定时间，通过USB串口输出一段信息到电脑。 13.2.2 硬件资源 1.USB接口 UARTHS_TX – IO5 UARTHS_RX – IO4 13.2.3 原理图 本章实验内容，主要讲解UART外设的使用，无需关注原理图。 13.3 程序设计 13.3.1 UART驱动代码介绍 UART源码包括两个文件：uart.c和uart.h（正点原子团队编写），我们先介绍uart.h文件的内容。 /*****************************HARDWARE-PIN*********************************/ /* 硬件IO口，与原理图对应 */ #define PIN_UART_USB_RX (4) #define PIN_UART_USB_TX (5) /*****************************SOFTWARE-GPIO********************************/ /* 软件GPIO口，与程序对应 */ #define UART_USB_NUM UART_DEVICE_3 /*****************************FUNC-GPIO************************************/ /* GPIO口的功能，绑定到硬件IO口 */ #define FUNC_UART_USB_RX (FUNC_UART1_RX + UART_USB_NUM * 2) #define FUNC_UART_USB_TX (FUNC_UART1_TX + UART_USB_NUM * 2) 这里是是硬件管脚和UART的串口号绑定，我们这里使用的是UART3。 /** * @param baudrate：波特率 * @retval 无 */ void usart_init(uint32_t baudrate) { fpioa_set_function(PIN_UART_USB_RX, FUNC_UART_USB_RX); fpioa_set_function(PIN_UART_USB_TX, FUNC_UART_USB_TX); /* 初始化串口号，设置波特率,8位数据格式，1个停止位，无奇偶校验位 */ uart_init(UART_USB_NUM); uart_configure(UART_USB_NUM, baudrate, UART_BITWIDTH_8BIT, UART_STOP_1, UART_PARITY_NONE); } 这个函数用于初始化我们UART，函数带有一个参数，用于设置波特率，串口号可以通过uart.h文件的宏定义修改，可以看到，我们先绑定硬件管脚的功能，然后初始化UART，再配置UART即可。 13.3.2 main.c代码 main.c中的代码如下所示： char recvbut[200]; int main(void) { uint16_t times = 0; uint8_t recvbut_len = 0; char *hello = {"正点原子K210 开发板\r\n"}; usart_init(115200); /* 初始化UART */ /* 开机发送正点原子K210 开发板 */ uart_send_data(UART_USB_NUM, hello, strlen(hello)); while (1) { /* 等待串口信息，并通过串口发送出去 */ recvbut_len = uart_receive_data(UART_USB_NUM, recvbut, 200); if (recvbut_len != 0) { uart_send_data(UART_USB_NUM, recvbut, recvbut_len); } else { if ((times % 30000) == 0) { uart_send_data(UART_USB_NUM, hello, strlen(hello)); times = 0; } times++; usleep(100); } } } 我们主要看到循环中的内容，先用定义的变量recvbut_len获取接收数据的长度，并将数据存放于recvbut，如果数据长度不为0（有数据），则通过串口发送收到的数据recvbut，否则，延时100us。系统每隔3秒打印输出一段信息。 13.4 运行验证 将DNK210开发板连接到电脑主机，通过VSCode将固件烧录到开发板中，我们打开“串口终端”，可以看到串口中断不断的打印数据，如下图所示： 图13.4.1 “串行终端”窗口打印输出 也可以通过串口调试助手来收发数据，我们用XCOM V2.7，该软件在光盘有提供，且无需安装，直接可以运行，但是需要你的电脑安装有.NET Framework 4.0(WIN自带了)或以上版本的环境才可以，该软件的详细介绍请看：http://www.openedv.com/posts/list/22994.htm 这个帖子。 接着我们打开XCOM V2.7，设置串口为开发板的USB转串口（CH343虚拟串口，得根据你自己的电脑选择，我的电脑是COM50，另外，请注意：波特率是115200）。XCOM的左下角提供发送新行这个选项，只要勾选了这个选项，每次发送数据后，XCOM都会自动多发一个回车换行(0X0D+0X0A)。设置好了发送新行，我们再在发送区输入你想要发送的文字，然后单击发送，可以看到输出信息，如图下图所示： 图13.4.2 串口助手 可以看到，我们发送的消息被发送回来了。大家可以试试，如果数据出现乱码，可能是串口助手编码方式不同导致的，这时我们需要重新设置XCOM的串口助手的编码方式，选择UTF-8编码，如下图所示： 图13.4.3 修改串口助手编码方式
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