基于STM32F4单片机USART寄存器控制的设计

控制/MCU

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描述

USART又叫通用同步异步收发器,塔提供了一种灵活的方法与工业使用标准NRZ异步春航数据格式的外部设备之间进行全双工数据交换。USART利用分数波特率发生器提供宽范围的波特率选择,支持同步单向通信和半双工单线通信,也支持LIN(局部互联网),智能卡协议和IrDA(红外数据组织)SIR ENDEC规范以及调制解调器(CTS/RTS)操作,它还允许多处理器通信,使用多换成器配置的DMA方式,可以实现高速数据通信。

USART寄存器控制框图如下

USART

可通过对 USART_CR1 寄存器中的 M 位进行编程来选择 8(置0) 位或 9(置1) 位的字长。TX 引脚在起始位工作期间处于低电平状态。在停止位工作期间处于高电平状态。

空闲字符可理解为整个帧周期内电平均为“1”(停止位的电平也是“1”),该字符后是下一个数据帧的起始位。

停止字符可理解为在一个帧周期内接收到的电平均为“0”。发送器在中断帧的末尾插入 1 或 2 个停止位(逻辑“1”位)以确认起始位。

发送和接收由通用波特率发生器驱动,发送器和接收器的使能位分别置 1 时将生成相应的发送时钟和接收时钟。

USART

字符发送

USART 发送期间,首先通过 TX 引脚移出数据的最低有效位。该模式下,USART_DR 寄存 器的缓冲区 (TDR) 位于内部总线和发送移位寄存器之间。

每个字符前面都有一个起始位,其逻辑电平在一个位周期内为低电平。字符由可配置数量的停止位终止。

USART 支持以下停止位:0.5(智能卡模式下接收数据使用)、1(默认)、1.(智能卡模式下发送与接收使用)5 和 2(正常USART模式,单线模式和调制解调器模式支持该值) 个停止位。

注意:数据发送期间不应复位 TE 位。发送期间复位 TE 位会冻结波特率计数器,从而将损坏 TX 引 脚上的数据。当前传输的数据将会丢失。

使能 TE 位后,将会发送空闲帧。

停止位的配置

步骤:

1.通过向%20USART_CR1%20寄存器中的%20UE%20位写入%201%20使能%20USART。

2.%20对%20USART_CR1%20中的%20M%20位进行编程以定义字长。

3.%20对%20USART_CR2%20中的停止位数量进行编程。

4.%20如果将进行多缓冲区通信,请选择%20USART_CR3%20中的%20DMA%20使能%20(DMAT)。按照多缓冲区%20通信中的解释说明配置%20DMA%20寄存器。

5.%20使用%20USART_BRR%20寄存器选择所需波特率。

6.%20将%20USART_CR1%20中的%20TE%20位置%201%20以便在首次发送时发送一个空闲帧。

7.%20在%20USART_DR%20寄存器中写入要发送的数据(该操作将清零%20TXE%20位)。为每个要在单缓%20冲区模式下发送的数据重复这一步骤。

8.%20向%20USART_DR%20寄存器写入最后一个数据后,等待至%20TC=1。这表明最后一个帧的传送已%20完成。禁止%20USART%20或进入暂停模式时需要此步骤,以避免损坏最后一次发送。

单字节通信

始终通过向数据寄存器写入数据来将%20TXE%20位清零。

TXE%20位由硬件置%201,它表示:

●%20数据已从%20TDR%20移到移位寄存器中且数据发送已开始。

●%20TDR%20寄存器为空。

●%20USART_DR%20寄存器中可写入下一个数据,而不会覆盖前一个数据。

TXEIE%20位置%201%20时该标志位会生成中断。

发送时,要传入%20USART_DR%20寄存器的写指令中存有%20TDR%20寄存器中的数据,该数据将在当%20前发送结束时复制到移位寄存器中。

未发送时,要传入%20USART_DR%20寄存器的写指令直接将数据置于移位寄存器中,数据发送开%20始时,TXE%20位立即置%201。

如果帧已发送(停止位后)且%20TXE%20位置%201,TC%20位将变为高电平。如果%20USART_CR1%20寄存器%20中的%20TCIE%20位置%201,将生成中断。

向%20USART_DR%20寄存器中写入最后一个数据后,必须等待至%20TC=1,之后才可禁止%20USART%20或使微控制器进入低功率模式。

TC%20位通过以下软件序列清零:

1.从%20USART_SR%20寄存器读取数据

2.%20向%20USART_DR%20寄存器写入数据

注意:还可通过向%20TC%20位写入“0”将其清零。建议仅在多缓冲区通信时使用此清零序列。

中断字符

将 SBK 位置 1 将发送一个中断字符。中断帧的长度取决于 M 位。(见上图USART字符说明)

如果 SBK 位置“1”,当前字符发送完成后,将在 TX 线路上发送一个中断字符。中断字符 发送完成时(发送中断字符的停止位期间),该位由硬件复位。USART 在上一个中断帧的 末尾插入一个逻辑“1”位,以确保识别下个帧的起始位。

注意:如果软件在中断发送开始前对 SBK 位进行了复位,将不会发送中断字符。对于两个连续的中 断,应在上一个中断的停止位发送完成后将 SBK 位置 1。

空闲字符

将 TE 位置 1 会驱动 USART 在第一个数据帧之前发送一个空闲帧。(见上图USART字符说明)

字符接收(位数取决于M位)

起始位检测

无论设置为16 倍或 8 倍过采样时,起始位检测序列相同都以16倍过采样检测。

在 USART 中,识别出特定序列的采样时会检测起始位。该序列为:1 1 1 0 X 0 X 0 X 0 0 0 0。

USART

注意:如果序列不完整,起始位检测将中止,接收器将返回空闲状态(无标志位置 1)等待下降沿。

如果 3 个采样位均为 0(针对第 3 位、第 5 位和第 7 位进行首次采样时检测到这 3 位均为 0; 针对第 8 位、第 9 位和第 10 位进行第二次采样时检测到这 3 位均为 0),可确认起始位 (RXNE 标志位置 1,RXNEIE=1 时生成中断)。

如果两次采样时(对第 3 位、第 5 位和第 7 位进行采样以及对第 8位、第 9 位和第 10 位进 行采样),3 个采样位中至少有 2 个为 0,则可验证起始位(RXNE 标志位置 1,RXNEIE=1 时生成中断)但 NE 噪声标志位置 1。如果不满足此条件,则启动检测中止,接收器返回空 闲状态(无标志位置 1)。

如果其中一次采样时(对第 3 位、第 5 位和第 7 位进行采样或对第 8 位、第 9 位和第 10 位 进行采样),3 个采样位中有 2 个为 0,则可验证起始位但 NE 噪声标志位置 1。

字符接收

USART 接收期间,首先通过 RX 引脚移入数据的最低有效位。该模式下,USART_DR 寄存 器的缓冲区 (RDR) 位于内部总线和接收移位寄存器之间。

步骤:

1.通过向 USART_CR1 寄存器中的 UE 位写入 1 使能 USART。

2. 对 USART_CR1 中的 M 位进行编程以定义字长。

3. 对 USART_CR2 中的停止位数量进行编程。

4. 如果将进行多缓冲区通信,请选择 USART_CR3 中的 DMA 使能 (DMAR)。按照多缓冲 区通信中的解释说明配置 DMA 寄存器。步骤 3

5. 使用波特率寄存器 USART_BRR 选择所需波特率

6. 将 RE 位 USART_CR1 置 1。这一操作将使能接收器开始搜索起始位。

接收到字符时

● RXNE 位置 1。这表明移位寄存器的内容已传送到 RDR。也就是说,已接收到并可读取数据(以及其相应的错误标志)。

● 如果 RXNEIE 位置 1,则会生成中断。

● 如果接收期间已检测到帧错误、噪声错误或上溢错误,错误标志位可置 1。

● 在多缓冲区模式下,每接收到一个字节后 RXNE 均置 1,然后通过 DMA 对数据寄存器执行读操作清零。

● 在单缓冲区模式下,通过软件对 USART_DR 寄存器执行读操作将 RXNE 位清零。RXNE标志也可以通过向该位写入零来清零。RXNE 位必须在结束接收下一个字符前清零,以避免发生上溢错误。

注意:接收数据时,不应将 RE 位复位。如果接收期间禁止了 RE 位,则会中止接收当前字节。

中断字符

接收到中断字符时,USART 将会按照帧错误对其进行处理。

空闲字符

检测到空闲帧时,处理步骤与接收到数据的情况相同;如果 IDLEIE 位为 1,则会产生中断。

上溢错误

如果在 RXNE 未复位时接收到字符,则会发生上溢错误。RXNE 位清零前,数据无法从移位 寄存器传送到 RDR 寄存器。

每接收到一个字节后,RXNE 标志位都将置 1。当 RXNE 标志位是 1 时,如果在接收到下一 个数据或尚未处理上一个 DMA 请求时,则会发生上溢错误。发生上溢错误时: ● ORE 位置 1。

● RDR 中的内容不会丢失。对 USART_DR 执行读操作时可使用先前的数据。

● 移位寄存器将被覆盖。之后,上溢期间接收到的任何数据都将丢失。

● 如果 RXNEIE 位置 1 或 EIE 与 DMAR 位均为 1,则会生成中断。

● 通过先后对 USART_SR 寄存器和 USART_DR 寄存器执行读操作将 ORE 位清除。

注意:ORE 位置 1 时表示至少 1 个数据丢失。存在两种可能:

● 如果 RXNE=1,则最后一个有效数据存储于接收寄存器 RDR 中并且可进行读取;

● 如果 RXNE=0,则表示最后一个有效数据已被读取,因此 RDR 中没有要读取的数据。接收到新(丢失)数据的同时已读取 RDR中的最后一个有效数据时,会发生该情况。读取序列期间(在 USART_SR 寄存器读访问与 USART_DR 读访问之间)接收到新数据时也会发生该情况。

选择合适的过采样方法

接收器采用不同的用户可配置过采样技术(除了同步模式下),可以从噪声中提取有效数据。

可通过编程 USART_CR1 寄存器中的 OVER8 位来选择采样方法,且采样时钟可以是波特率 时钟的 16 倍或 8 倍。

根据应用:

● 选择 8 倍过采样 (OVER8=1) 以获得更高的速度(高达 fPCLK/8)。这种情况下接收器对时钟偏差的最大容差将会降低。

● 选择 16 倍过采样 (OVER8=0) 以增加接收器对时钟偏差的容差。这种情况下,最大速度限制为最高 fPCLK/16可通过编程 USART_CR3 寄存器中的 ONEBIT 位选择用于评估逻辑电平的方法。有两种选择:

● 在已接收位的中心进行三次采样,从而进行多数表决。这种情况下,如果用于多数表决的 3 次采样结果不相等,NF 位置 1。

● 在已接收位的中心进行单次采样

根据应用:

— 在噪声环境下工作时,请选择三次采样的多数表决法 (ONEBIT=0);在检测到噪声时请拒绝数据,因为这表示采样过程中产生了干扰。

— 线路无噪声时请选择单次采样法 (ONEBIT=1) 以增加接收器对时钟偏差的容差。这种情况下NF 位始终不会置 1。

帧中检测到噪声时:

● 在 RXNE 位的上升沿时 NF 位置 1。

● 无效数据从移位寄存器传送到 USART_DR 寄存器。

● 单字节通信时无中断产生。然而,在 RXNE 位产生中断时,该位出现上升沿。多缓冲区通信时,USART_CR3 寄存器中的 EIE 位置 1 时将发出中断。

通过先后对 USART_SR 寄存器和 USART_DR 寄存器执行读操作将 NF 位清零。

注意:智能卡、IrDA 和 LIN 模式下不可采用 8 倍过采样。在这些模式下,OVER8 位由硬件强制 清零。

USART

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