当前位置：首页 > news >正文

六、通用异步收发器UART

news 来源：原创 2025/5/19 15:55:15

6.1 UART简介

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）是一种用于异步串行通信的硬件设备。它通过两根信号线（TX 和 RX）实现全双工通信，广泛应用于微控制器、计算机和外设之间的数据传输，尽管传输速率和距离有限，但在短距离通信中应用广泛。

全双工：一种通信方式，允许数据在双方之间同时双向传输。

6.2 UART工作原理

6.2.1发送信号：

发送端将并行数据转换为串行数据，按数据帧格式通过 TX 线发送。

6.2.2接收信号：

接收端检测起始位，按波特率采样数据位，校验后存储有效数据。

6.2.3数据帧结构：

起始位：标志数据帧的开始，通常为低电平。

数据位：数据位是UART帧中实际传输的数据部分。数据位的数量可以是5、6、7或8位，最常见的设置是8位。每个数据位可以是0或1，表示二进制数据的一部分。数据位的数量决定了每次传输的数据量。例如，8位数据位可以传输一个完整的ASCII字符。

校验位（可选）：用于错误检测，可以是奇校验、偶校验或无校验。将数据位加上校验位，1的位数为偶数（偶校验），1的位数4为奇数（奇校验）。

停止位：标志数据帧的结束，通常为高电平。

6.2.4 波特率

由于UART异步通信，数据传输时间需要确定。同一字符内相邻位间的时间间隔是确定的，这涉及到UART传输速率的概念—波特率

波特率的单位是bps，全称是bit per second，意为每秒钟传输的bit数量。

波特率9600bps，代表每秒钟传输bit的数量为9600，那么传输1bit数据的时间就是1/9600=104us，波特率115200bps，代表传输1bit数据的时间是8us。

6.3 UART寄存器

6.3.1 接收缓存寄存器 U0RBR

包含最早接收到的字符，先接收LSB（最低有效位，第0位），然后依次接收8位，如果不足8位，MSB用0填充。

while((LPC_UART -> LSR & 0x01) == 0); // 等待接收标志置位
data_buf = LPC_UART -> RBR; // 保存接收到的数据

6.3.2 发送保持寄存器 U0THR

Tx FIFO 中的最高字节。它是Tx FIFO中的最新字符，通过总线接口写入， LSB作为发送的第一位。

LPC_UART -> THR = data; // 发送数据
while((LPC_UART -> LSR & 0x40) == 0); // 等待数据发送完毕

6.3.3 中断使能寄存器 U0IER

U0IER用于使能4个UART中断源

位	1开启中断，0禁止中断
0	接收中断使能，还控制着字符接收超时中断
1	发送中断使能，THRE中断
2	接收线状态中断使能，使能UART的Rx线线状态中断
8	自动波特率结束中断
9	自动波特率超时中断
其他	保留

6.3.4 中断标志寄存器 U0IIR

位	功能描述
0	中断标志，U0IIR[0]为低电平有效 0至少有一个中断在等待处理 1没有等待处理的中断
3：1	中断标志 011：接收线状态（RLS） 010：接收数据可用（RDA） 110：字符超时指示器（CTI） 001：THRE中断 000：MODEM中断
7：6	FIFO使能，等效于U0FCR[0]
8	自动波特率中断结束标志
9	自动波特率超时中高端
其他	保留

根据U0IIR[3:0]的状态中断处理程序救恩那个确定中断源以及如何有效清除中断

在推出中断服务程序之前，必须读取U0IIR来清除中断

U0IIR位[3:0]	中断原因	复位操作
0110RLS接收线状态	溢出错误OE、奇偶错误PE、帧错误FE、间隔中断BI	读U0LSR复位
0100RDA接收数据	接收数据可用或达到FIFO触发点	读U0LSR复位或者触发条件不足会自动复位
1100CT1字符超时	Rx FIFO中有字符，并且有一段时间没有字符输入或移出	U0RBR读操作复位
0010THRE	发送FIFO空	U0IIR读操作复位或者THR写操作复位

6.3.5 FIFO控制寄存器 U0FCR

控制Rx FIFO和Tx FIFO

位	功能写1进行相应操作
0	FIFO使能 1使能 0禁用该位任意变化会使FIFO清空
1	Rx FIFO 复位
2	Tx FIFO复位
7：6	这两个位决定了Rx FIFO激活前必须写入的字符数量 00：1字节 01：4字节 10：8字节 11：14字节
其他	保留

6.3.6 线控制寄存器 U0LCR

决定了要发送和接收的数据字符格式

位		描述
1：0	子长度选择数据位个数（不包括校验位）	00：5位字符长度 01：6位字符长度 10：7位字符长度 11：8位字符长度
2	停止位	0：1个停止位 1：2个停止位
3	奇偶校验使能	1：使能
5：4	奇校验：一个字节中1的个数为奇数偶校验：一个字节中1的个数为偶数不满足的在校验位置1	00：奇校验 01：偶校验 10：强制1奇偶校验 // 强制校验位为1 11：强制0奇偶校验
6	间隔控制	为1时强制使输出引脚UART TXD为逻辑0
7	输出锁存访问位	1使能除数锁存器的访问
31：8		保留

6.3.7 线状态寄存器 U0LSR

位	1有效0无效
0	U0RBR包含有效数据
1	溢出错误OE
2	奇偶错误PE
3	帧错误FE
4	间隔中断BI
5	发送FIFO空
6	0：U0THR或U0TSR包含有效数据 1：发送器为空
7	至少一个Rx FIFO错误
31：8	保留

6.3.8 高速缓存寄存器 U0SCR

就光存点东西，对UART无影响

位
7：0	可读可写的字节

6.3.9 除数锁存LSB和MSB寄存器 U0DLL 和 U0DLM

波特率发生器的一部分，与小数分频器一起使用，来分频UART_PCLK时钟以产生波特率时钟

LSB和MSB分别[7:0]位存数

在不适用小数分频器的情况下，目标波特率为

$baud = \frac{Fpclk}{16 \times (U0DLM:U0DLL))}$

U0DLM:U0DLL 是U0DLM当高8位和U0DLL当低8位拼接成的16位除数

（0x0000被当成0x0001，除数不为0）

示例代码如下：

LPC_UART -> LCR = 0x80; // 使能除数锁存访问位
LPC_UART -> DLM = Fpclk / 16 / baud / 256;
LPC_UART -> DLL = Fpclk / 16 / baud % 256;

6.3.10 小数分频寄存器 U0FDR

3：0	DIVADDVAL 产生波特率的预分频除数值，为0看公式就知道没作用
7：4	MULVAL 波特率预分频乘数值，必须大于等于1
31：8	保留

小数分频系数

$\frac{MULVAL}{MULVAL \times DIVADDVAL}$

使用小数分频后，波特率计算公式为

$baud = \frac{Fpclk}{16 \times (U0DLM:U0DLL))}\times\frac{MULVAL}{MULVAL \times DIVADDVAL}$

需要满足的数值条件：

1、0<MULVAL<=15

2、0<=DIVADDVAL<15

3、DIVADDVAL < MULVAL

这里有个算法来设置UART分频器，根据要求的波特率和时钟频率带入算法得到FRest的值，查表找近似的MULVAL，DIVADDVAL，再根据公式反算出MSB和LSB

6.4 简单收发

实现简单收发

软件使用微软商店的串口调试助手，或者XCOM什么的

移植上次的工程，新建两个文件即可

main.c

#include <LPC11xx.h>
#include "LED.h"
#include "Button.h"
#include "TIMER.h"
#include "UART.h"
#include "string.h"int main(void)
{LED_Init();LED_ON();UART_Init();// 定义要发送的数据char message[] = "Hello, UART!";// 计算数据长度，不包括结束符 '\0'int length = strlen(message);// 调用UART_Send函数发送数据UART_Send(message, length);	while (1){}
}

UART.c

注释掉的部分为发送中断，不如直接发送，少用

#include "UART.h"
#include <string.h>
#include <stdbool.h>
uint8_t SendBuf[BUFFER_SIZE];
uint8_t RcvBuf[BUFFER_SIZE];void UART_Init()
{LPC_SYSCON->SYSAHBCLKCTRL |= (1UL << 6) | (1UL << 16); //使能GPIO和IO配置时钟LPC_IOCON->PIO1_6 = (1UL << 0); // RxDLPC_IOCON->PIO1_7 = (1UL << 0); // TxDLPC_SYSCON->SYSAHBCLKCTRL |= (1UL << 12); // 使能UART时钟LPC_SYSCON->UARTCLKDIV = (4UL << 0); // CCLK除以4LPC_UART->LCR = 0x83;  //0b 1000 0011 使能对除数锁存寄存器的访问 无校验 停止位1, 数据位8// 根据小数分频流程，DLest = 4 则 低八位为4,高八位为0LPC_UART->DLL = 4; LPC_UART->DLM = 0;LPC_UART->FDR = 0x85; //FR 1.627 DIVADDVAL 5, MULVAL 8 查表LPC_UART->LCR = 0x03; // DLAB  = 0LPC_UART->IER = 0x01;  // 开启接收中断 0位接收LPC_UART->FCR = 0x81; // 8B触发,即接收到8字节触发RDA中断NVIC_EnableIRQ(UART_IRQn); // 开串口中断
}volatile int send_count = 0;
volatile int send_index = 0; // 当前发送索引
volatile bool send_complete = false; // 发送完成标志
volatile int rcv_index = 0;   // 接收索引发送数据函数
//void UART_Send(uint8_t data[], int length)
//{	
//	// ... 拷贝数据到发送缓冲区 ...
//	int i;
//	send_index = 0;
//    send_count = length;
//    send_complete = false;
//	
//    if (length > BUFFER_SIZE)
//        length = BUFFER_SIZE; // 限制发送数据长度//    for (i = 0; i < length; i++)
//        SendBuf[i] = data[i]; // 将数据拷贝到发送缓冲区
//    
//    send_index = 0; // 重置发送索引
//    send_complete = false; // 重置发送完成标志//    // 启动发送
//    LPC_UART->THR = SendBuf[send_index++]; // 发送第一个字节//    // 使能发送中断 (假设是通过设置某个寄存器实现的)
//     LPC_UART->IER |= (1 << 1); // 使能 THRE 中断
//}/*
*发送字符串
*/
void UART_Send(char str[], int lenght)
{int i;for(i = 0; i < lenght; i ++){LPC_UART->THR= str[i]; while((LPC_UART->LSR & 0X40) == 0);//等待数据发送完成}
}// 检查发送状态
bool UART_IsSendComplete(void)
{return send_complete; // 返回发送是否完成的状态
}void UART_IRQHandler(void)
{int i;switch(LPC_UART->IIR & 0x0f){
//		case 0x02: // THRE中断   即UART发送中断
//		if (send_count > 0) {
//			LPC_UART->THR = SendBuf[send_index++];
//			send_count--;
//		} else {
//			// 发送完成
//			LPC_UART->IER &= ~(1 << 1); // 禁用 THRE 中断
//			send_complete = true;
//		}
//		break;case 0x04:  // RDA（接收数据可用）中断// 读取最多8字节数据，直到接收缓冲区为空或读取完8字节for(i = 0; i < 8 && (LPC_UART->LSR & 0x01) == 1; i++) RcvBuf[i] = LPC_UART->RBR; // 从接收缓冲区读取数据并保存到RcvBufUART_Send((char *)RcvBuf, i); // 将接收到的数据通过UART发送回去break;case 0x0c:  // CTI（字符超时）中断// 读取接收缓冲区中的所有数据，直到缓冲区为空for(i = 0; (LPC_UART->LSR & 0x01) == 1; i++)RcvBuf[i] = LPC_UART->RBR; // 从接收缓冲区读取数据并保存到RcvBufUART_Send((char *)RcvBuf, i); // 将接收到的数据通过UART发送回去break;default: break;}}

UART.h

#ifndef _UART_H_
#define _UART_H_#include "LPC11XX.H"#define BUFFER_SIZE 40
extern uint8_t SendBuf[BUFFER_SIZE];
extern uint8_t RcvBuf[BUFFER_SIZE];
extern uint8_t flag;
void UART_Init(void);
//void UART_Send(uint8_t data[],int lenght);
void UART_Send(char str[],int lenght);#endif

最后效果如下，发什么收什么