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    萬變不離其宗之單片機串口共性問題

    發布時間:2020-07-22 責任編輯:lina

    【導讀】單片機開發串口是應用最為廣泛的通信接口,也是最為簡單的通信接口之一,但是其中的一些要點你是否明了呢?來看看本人對串口的一些總結,當然這個總結并不能面面俱到,只是將個人認為具有共性以及相對比較重要的點做了些梳理。
        
    啥是串口?
     
    首先這玩意兒分兩種:
    ●通用異步收發器(UART)是用于異步串行通信的一種物理層標準,其中數據格式和傳輸速度是可配置的。
    ●通用同步收發器(USART)是一種串行接口設備,可以對其進行編程以進行異步或同步通信。
     
    數據格式
     
    萬變不離其宗之單片機串口共性問題
     
    線上空閑、無數據狀態為常高電平,故邏輯低定義為起始位。
    ●起始位:總是 1 位
    ●數據位:常見的有 8 位或 9 位。
          校驗位
          奇校驗
          偶校驗
    無校驗
    ●停止位:
          1 位
          2 位
    ●波特率:bit rate 就是位/秒的概念,就是 1 秒傳送多少位的概念。常見的波特率有哪些呢?
     
    這里須注意的要點:
     
    萬變不離其宗之單片機串口共性問題
     
    一個有效字節的傳輸時間怎么算?
     
    萬變不離其宗之單片機串口共性問題
     
    比如 9600 下,1 位起始位,8 位數據位,奇校驗,1 位停止位,則
     
    萬變不離其宗之單片機串口共性問題
     
    為什么要理解清楚這個概念呢,因為在應用中需要計算數據吞吐率問題,就比如一個應用是數據采集串口傳輸問題,需要計算采集的位速率需要小于或等于傳輸波特率,否則數據就來不及傳。當然如果說你有足夠大的緩沖區可以臨時存儲,但是如果進來太快,而傳出速度跟不上,多大的緩沖都會滿!
    ●校驗位有用嗎?當你的傳輸介質處于一個有干擾的場景下,校驗位就可以從物理層檢測出錯誤。
    ●理解數據編碼方式有啥意義呢?比如在調試中你可以利用邏輯分析直接去解析收發線上的數據報文。
    ●應用電路設計的時候 RX-TX 相連,很多初學者容易在這里踩坑!
    ●常見的傳輸位序為低有效位在前。
    ●對于波特率而言需要注意波特率發生器有可能帶來誤碼問題
     
    啥是 UART?
     
    萬變不離其宗之單片機串口共性問題
     
    兩邊分別代表兩個通信的設備,單從 UART 編程的角度講收發不需要物理同步握手,想發就發。圖中箭頭代表數據信息流向。RX 表示接收數據,TX 表示發送數據。數據總是從發送端傳遞到接收端,這就是為啥 RX 連接 TX,TX 連 RX 的原因。
     
    啥是 USART?
     
    萬變不離其宗之單片機串口共性問題
     
    同步簡單說,收發不可自如,不可以想發就發,收發需要利用硬件 IO 口進行握手,RTS/CTS 就是用于同步的握手信號:
    ●RTS:Ready to send,請求發送,用于在當前傳輸結束時阻止數據發送。
    ●CTS:clear to send,清除發送,用于指示 USART 已準備好接收數據。
     
    這個對于普通應用而言并不常見,這里不做詳細展開,需要用到的時候只需要對應收發時控制握手信號即可。
     
    編程策略
     
    對于不同的單片機,其硬件體系各異,寄存器也差異很大,但是從收發編程策略角度而言,常見有下面三種方式:
    ●查詢發送/中斷接收模式
    ●收發中斷模式
    ●DMA 模式
     
    查詢發送/中斷接收模式
     
    這里以偽代碼方式描述一下:
     
    萬變不離其宗之單片機串口共性問題
     
    對于接收而言,如采用查詢模式則幾乎是沒有任何應用價值,因為外部數據不知道什么時候會到來,所以查詢接受就不描述了,這里描述一下中斷接收。
     
    萬變不離其宗之單片機串口共性問題
     
    中斷接收需要考慮的幾個要點:
    ●斷幀:這就取決于協議怎么制定了,比如應用協議定義的是 ASCII 碼方式,就可以定義同步頭、同步尾,比如 AT 指令的解析,做邏輯判斷幀頭、幀尾即可。但是如果傳輸的是 16 進制數據,比如 MODBUS-RTU 其斷幀采用的是 3.5 個字節時間沒有新的字節接收到,則認為收到完整的幀了。
    ●如何保證幀的完整性,一般會在報文尾部加校驗,比較常用的校驗模式有 CRC 校驗算法。
    ●不同的單片機開發環境對于中斷向量的處理方式略有不同,需要根據各自芯片的特點進行處理。比如 51 單片機,其發送/接收都共享一個中斷向量號。
     
    收發中斷模式
     
    萬變不離其宗之單片機串口共性問題
     
    還需要考慮的是,對于 UART 硬件層面的出錯處置,以 STM32 為例,就可能有下面的錯誤可能發生:
     
    ●溢出錯誤
    ●噪聲檢測
    ●幀錯誤
    ●奇偶校驗錯誤
     
    另外不同的單片機其底層硬件實現差異也不較大,比如有的硬件發送緩沖是單字節的緩沖,有的則具有 FIFO,這些在選型編程時都需要綜合考慮。
     
    DMA 模式
     
    DMA 發送模式而言,大致分這樣幾步:
    ●初始化 UART 為 DMA 發送模式,開啟 DMA 結束中斷,并寫好 DMA 傳輸結束中斷處理函數
    ●準備待發送報文,幀頭、幀尾、校驗處理
    ●將待發送報文緩沖區首地址賦值給 DMA 源地址,DMA 目標地址設置為 UART 發送寄存器,設置好發送長度。
    ●啟動 DMA 傳輸,剩下傳輸完成就會進入傳輸結束中斷處理函數。
    ●DMA 接收模式而言,大致分這樣幾步:
    ●初始化 UART 為 DMA 接收模式,開啟 DMA 結束中斷,并寫好 DMA 傳輸結束中斷處理函數
    中斷處理函數中標記接收到幀,對于使用 RTOS 而言,還可以使用的機制是利用 RTOS 的事件機制、消息機●制進行通知有新的幀接收到了。
    ●對于 DMA 接收模式而言,對于變長幀的處理較為不利,所以如果想使用 DMA 接收,制定協議時盡量考慮將幀長度固定,這樣處理會方便些。
     
    總結一下
     
    單片機串口是一個需要好好掌握的內容,這里總結了一些個人經驗,盡量將一些個人共性的東西總結出來。至于實際實現而言,由于芯片體系差異較多,具體代碼各異。但個人認為處置的思路方法卻是基本一致。所以本文除了描述串口本身的細節而言,想表達的一個額外的觀點是:
     
    對于一些技術點盡量學會將其共性的東西剝離總結出來。
    總結、概括、剝離抽象是一個比較好的學習思路,不用對具體的硬件死記,萬變不離其宗。
    如果本文有喜歡的朋友,后面陸續可以總結一下I2C/SPI等常用接口。
     
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