示意圖

微控制器通信 - 什么是UART？

微控制器經常發現自己處于具有特定功能的專用電路中，例如測量，監控和控制。但是，有些情況下將微控制器連接到計算機可能非常有益甚至是必要的（例如，設備配置）。有幾種方法可以實現PC-Microcontroller通信

通過Wi-Fi（如ESP8266模塊）

以太網

USB

雖然這些形式的通信可能允許高數據傳輸速率，但它們很難使用，大多數微控制器都有另外一種類型的通信，稱為UART，它代表通用異步接收器/發送器。

這是一個簡單的串行連接，可以是用于以低速發送少量數據，并且使用和實現極其簡單。使UART更加便捷的是，有USB轉串口轉換器可用于允許微控制器通過USB使用虛擬COM端口與PC通信。

串行概述

使用微控制器和計算機的串行通信可包括許多不同的設置，包括奇偶校驗和停止位。但是，在本教程中，我們將介紹最簡單的串行通信形式，這也是最常見的形式之一。所以我們首先要看的是如何發送串行數據。首先，我們來看看硬件！

微控制器上最簡單形式的串行外設是一個美化的移位寄存器，它使用兩個獨立的I/O引腳來發送數據（TxDn）和接收數據（RxDn）

當需要從設備發送數據時，它會將數據發送到其發送移位寄存器中，然后逐位計時數據，直到所有數據都已發送完畢。當需要讀取數據時，接收器首先需要檢測是否正在接收某些數據。

一旦滿足此條件，接收器就會將數據移入移位寄存器。完成后，可以從接收移位寄存器中讀取器件，并以其認為合適的任何方式處理數據。

UART模塊的簡單框圖

UART模塊中使用的協議本身（有時稱為RS-232）包含有助于數據傳輸/接收的選項和附加功能。下圖顯示了典型的UART傳輸，包括起始位，數據本身，奇偶校驗位和停止位。

從ATmega168數據表中獲取的圖像

IDLE - 如果沒有發生傳輸，則傳輸線必須保留邏輯1（5V，3.3V等）

起始位 - UART線上的下降沿表示傳輸即將開始

數據位 - 這些是我們的實際數據位發送，并且位首先發送到最低位（位0，位1 。..位7）

奇偶校驗位 - 此可選位可用作錯誤檢查的基本形式具有等于所有位組合的異或（XOR）的值

停止位 - 這是停止傳輸所必需的并且是邏輯1.有時，可以使用兩個停止位，但通常只使用一個

ATmega上的UART

ATmega168上的UART模塊非常復雜，因為它允許不同的操作模式（包括同步傳輸），但我們將配置UART以使用適用于99％基于UART的項目的最常見設置。

時鐘源

我們需要配置的第一件事是UART模塊的時鐘源（這也配置了UART運行的模式） 。由于我們將使用異步傳輸（時鐘不傳輸，只有數據），我們將使用“正常異步”。為此，我們在UCSRnC寄存器中將UMSEL位設置為0.

奇偶校驗位和停止位

由于大多數傳輸不需要奇偶校驗，我們將禁用該位。為此，我們需要將兩個UPM位都設置為0，這可以在UCSR寄存器中找到。

對于停止位，我們只會使用一個停止位，通過清除UCSRnB寄存器中的USBS位來完成。

數據大小

UART模塊能夠以不同的位寬發送數據，但對于大多數項目，我們將使用8位數據大小，因為我們的微控制器是一個8位器件。為此，我們將寄存器UCSRnB和UCSRnC中的UCSZ位的值設置為011。

波特率

在談到串行通信時，波特率通常是指每秒傳輸的數據位數，可以認為是連接速度。串行通信的典型波特率包括9600，115200和10417.

對于我們的串行設置，我們將使用9600的波特率（非常常見的波特率）。波特率可以使用下面的公式計算，但是，使用第163-165頁上的表格更容易。

由于我們的ATmega168連接到8MHz振蕩器，我們可以查看下表，看看我們將UBRR寄存器設置為什么值。

對于9600波特，我們將使用值51.請注意，您的CLKDIV8位可能已設置，如果是這種情況，那么您的波特率可能比您預期的慢8倍。如果是這種情況，請嘗試使用UBRR值12而將U2X0設置為開，或使用更高的時鐘速度。

啟用接收/傳輸

我們需要設置幾個啟用位，其他啟用位是可選的。我們需要使能的前兩位是RXEN和TXEN，它們使能接收器和發送器。

我們可以設置兩個中斷使能位，這意味著當我們的UART模塊完成發送或接收數據時，中斷將觸發（對實時應用程序有用）。

讀/寫UART

有趣的是，AVR UART外設對接收和發送寄存器使用相同的I/O地址。當寫入UART數據寄存器（UDRn）時，數據被發送到UART發送器移位寄存器，當從UART數據寄存器讀取時，返回來自UART接收器的數據。

一些有用的控制信號

一個寄存器UCSR0A可以幫助確定UART的狀態模塊，因為它有幾個狀態位。

RXC0，第7位，如果接收緩沖區中有需要讀取的數據，則為1

TXC0，第6位，一旦傳輸將為1已完成

如果發送緩沖區為空，UDRE0，位5將為1

FE0，位4，發出幀錯誤警告

DOR0，第3位，發出數據溢出警告（當收到的數據太多且接收緩沖區已滿時）

當奇偶校驗時，UPE0，位2將為1在接收到的字節上檢測到錯誤

一個簡單的UART示例

此示例將介紹如何創建一個echo設備，該設備將等待連接的PC向UART線路發送一個字節。一旦檢測到，AVR將立即發回相同的字節以回顯消息。

/*

* AVR UART.c

*

* Created： 09/01/2018

* Author ： RobinLaptop

*/

// These are really useful macros that help to get rid of unreadable bit masking code

#define setBit（reg， bit） （reg = reg | （1 《《 bit））

#define clearBit（reg， bit） （reg = reg & ~（1 《《 bit））

#define toggleBit（reg， bit） （reg = reg ^ （1 《《 bit））

#define clearFlag（reg， bit） （reg = reg | （1 《《 bit））

#include

int main（void）

{

// Initialize Registers

// Configure register UCSRA

setBit（UCSR0A， U2X0）; // Double the BRG speed （since I am using a 8MHz crystal which is divided by 8）

clearBit（UCSR0A， MPCM0）; // Normal UART communication

// Configure register UCSRB

clearBit（UCSR0B， RXCIE0）; // We will not enable the receiver interrupt

clearBit（UCSR0B， TXCIE0）; // We will not enable the transmitter interrupt

clearBit（UCSR0B， UDRIE0）; // We will not enable the data register empty interrupt

setBit（UCSR0B， RXEN0）; // Enable reception

setBit（UCSR0B， TXEN0）; // Enable transmission

clearBit（UCSR0B， UCSZ02）; // 8 bit character size

// Configure register UCSRC

clearBit（UCSR0C， UMSEL00）; // Normal Asynchronous Mode

clearBit（UCSR0C， UMSEL01）;

clearBit（UCSR0C， UPM00）; // No Parity Bits

clearBit（UCSR0C， UPM01）; // No Parity Bits

clearBit（UCSR0C， USBS0）; // Use 1 stop bit

setBit（UCSR0C， UCSZ01）; // 8 bit character size

setBit（UCSR0C， UCSZ00）;

// Configure the baud rate register （this is a combination of both UBRR0L and UBRR0H）

// Despite using an 8MHz crystal my Fosc is 1MHz since the CLK8DIV fuse bit is dividing the clock

// by 8. When I try to change this fuse the AVR locks me out！

UBRR0 = 12;

while （1）

{

// Wait until data has been received

while（?。║CSR0A & （1 《《 RXC0）））;

// Now send the same byte back

UDR0 = UDR0;

// Wait until the Data Transmit Register is empty

while（?。║CSR0A & （1 《《 TXC0）））;

}

}