GD32实战6__串口读写

2024-02-16 20:26:07

目的

​ 串口通信是非常非常常见的一种通信方式，必须掌握的。可以从如下几个方面掌握串口通信：

  1. 串口通信原理，此处我们只研究异步串口
  2. GD32常见的几种串口通信配置

异步串口通信原理

1. 配置

​ 在了解原理之前，我们先看看串口要如何使用，如下图，只要选择正确的串口号，把收发双方的波特率、校验位、数据位、停止位配置成一致，这么就可以实现双方通信。

GD32实战6__串口读写

那么配置的这些参数分别代表什么意思呢？

串口号：唯一标识一个串口，当设备存在多个串口时，可以用其标识每个串口。

波特率：每秒钟传输的数据位数。表示数据传输的速率，单位bps（位每秒）。比如115200bps就表示1s可以传输115200bits的数据。

校验位:

​ even 每个字节传送整个过程中bit为1的个数是偶数个（校验位调整个数）
​ odd 每个字节穿送整个过程中bit为1的个数是奇数个（校验位调整个数）
​ none 没有校验位
​ space 校验位总为0
​ mark 校验位总为1

数据位：5678共4个选择，这是历史原因，如下

​ 5：用于电报机传26个英文字母，5位足以

​ 6：用于电报机，识别大小写字母，增加一个大小写位

​ 7：用于电脑，ASCII码7位

​ 8：用于电脑，DBCS码用于兼容ASCII和支持中文双字节

停止位：

​ 停止位是按长度来算的。串行异步通信从计时开始，以单位时间为间隔（一个单位时间就是波特率的倒数），依次接受所规定的数据位和奇偶校验位，并拼装成一个字符的并行字节；此后应接收到规定长度的停止位“1”。所以说，停止位都是“1”，1.5是它的长度，即停止位的高电平保持1.5个单位时间长度。一般来讲，停止位有1，1.5，2个单位时间三种长度。

2. 帧格式

​ 下面我们看下串行协议的帧格式，如图

GD32实战6__串口读写

一个帧由4部分组成，起始位+数据位+校验位+停止位，正好跟上面的配置一一对应，其中，起始位必须是低电平，停止位必须是高电平。

至此，也大致明白串口是怎么回事了。

3. 常见的串口电平标准

​ 下面几种都是串口，只是电平标准不同，导致其应用场景存在差异，通信协议和配置都是相同的，通信原理是相同的，软件实现相同，硬件电路存在差异。

TTL：

  1. 接线方式如图

  2. 高电平表示逻辑1， 低电平表示逻辑零

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RS232和RS485对比

  1. 抗干扰性：RS485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好。RS232 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰。
  2. 传输距离：RS485 接口的最大传输距离标准值为 1200 米（9600bps 时），实际上可达 3000 米。RS232 传输距离有限，最大传输距离标准值为 50 米，实际上也只能用在 15 米左右。
  3. 通信能力：RS-485 接口在总线上是允许连接多达128个收发器，用户可以利用单一的 RS-485 接口方便地建立起设备网络。RS-232只允许一对一通信。
  4. 传输速率：RS-232传输速率较低，在异步传输时，波特率为 20Kbps。RS-485 的数据最高传输速率为 10Mbps 。
  5. 信号线：RS485 接口组成的半双工网络，一般只需二根信号线。RS-232 口一般只使用 RXD、TXD、GND 三条线 。
  6. 电气电平值：RS-485的逻辑"1"以两线间的电压差为+（2-6） V 表示；逻辑"0"以两线间的电压差为-（2-6）V 表 示 。在 RS-232-C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑"1"，-5- -15V；逻辑"0 " +5- +15V 。

4. 芯片如何实现串口功能

​ GD32实战6__串口读写

​ 我们知道串口的作用是为CPU和其它设备之间提供通信，本质上是把数据从其他设备搬移到自身MCU的内存中去，如上图，MCU为实现串口功能会做如上的模块划分。

  1. GPIO

    串口总线状态，默认是高电平，所以Tx应该是上拉输出，Rx应该是浮空输入。

  2. 移位器

    我们知道串口是一位位传输的，所以移位器即可以实现串口的收发。

  3. 数据寄存器

    用于存储将要发送和接收的数据，其实只要收发共用一个字节就足以。

  4. 时钟

    上述的运行过程都需要在固定时钟下才能正确运行，例如波特率。

  5. 数据由寄存器搬移到内存

    1. CPU方式，由CPU控制数据如何在数据寄存器和内存之间进行转移，例如当数据寄存器空时，将内存转移到数据寄存器中，即发送过程
    2. DMA方式，过程同CPU，那为什么还有有DMA呢？因为数据搬移省去CPU的参与，也就意味着CPU可以去忙其它事情，效率自然就高了。

  6. 状态寄存器

    1. 我们粗略的思考下，在整个串口的传输过程中，肯定会有各式各样的状态，例如，收到数据，数据异常，帧错误，数据发送完毕，数据寄存器空了等等，这些都需要状态寄存器存储。
    2. 再深入思考下，当我们需要及时的处理上述状态时，靠CPU轮询显然太慢了，所以肯定需要中断，再增加一组中断状态寄存器。

  7. 配置寄存器

    ​ 上述情况那么多，代表不同的配置，肯定需要几组配置寄存器。例如，中断的使能控制等

功能设计

​ 如果明白了原理，那么自然就知道该如何配置一个串口了，无非就是从芯片手册中找到相应的寄存器进行配置而已。

​ 在”串口发送“例子中，已经接触了串口的发送功能，现在我们把这个例子再度深入，实现串口的接收功能。实现一个回显功能，即PC通过串口向GD32写入数据，然后GD32把数据原封不动返回给PC。

轮询方式
VOID DRV_UART1_PollTest(VOID)
{
    U8 ch = 0;
    
    while (1)
    {
        if (USART_GetBitState(USART1, USART_FLAG_RBNE) != RESET)
        {
            ch = (U8)USART_DataReceive(USART1);
            UART1_SendChar(ch);
        }
    }
}

VOID DRV_UART1_PollInit(VOID)
{
    UART1_GpioInit();
    UART1_Config();
    USART_Enable(USART1, ENABLE);
}

效果如图

GD32实战6__串口读写

中断方式

注：中断优先级部分，我会抽单独章节分析。

必须注意下面这两个函数的区别，

USART_GetBitState(USART1, USART_FLAG_RBNE)； /* 非中断使用 */
USART_GetIntBitState(USART1, USART_INT_RBNE);/* 中断内使用 */

中断方式处理代码如下：

VOID USART1_IRQHandler(VOID)
{
    if (USART_GetIntBitState(USART1, USART_INT_RBNE) != RESET)
    {
        if (gUart1RxCount >= DRV_UART1_BUFLEN)
        {
            memset(gUart1RxBuf, 0, sizeof(gUart1RxBuf));
            gUart1RxCount = 0;
        }
        gUart1RxBuf[gUart1RxCount] = (U8)USART_DataReceive(USART1);
        gUart1RxCount++;
    }

    if (USART_GetIntBitState(USART1, USART_INT_IDLEF) != RESET)
    {
        gUart1RxBufFlag++;
    }
}

VOID DRV_UART1_InterruptTest(VOID)
{
    U8 rxCount = 0;

    while (1)
    {
        if (gUart1RxBufFlag > 0)
        {
            for (rxCount = 0; rxCount < gUart1RxCount; rxCount++)
            {
                UART1_SendChar(gUart1RxBuf[rxCount]);
            }
            memset(gUart1RxBuf, 0, sizeof(gUart1RxBuf));
            gUart1RxCount = 0;
            gUart1RxBufFlag = 0;
        }
    }
}

VOID DRV_UART1_InterruptInit(VOID)
{
    UART1_GpioInit();
    UART1_Config();
    UART1_NvicConfiguration();
    USART_Enable(USART1, ENABLE);
    USART_INT_Set(USART1, USART_INT_RBNE, ENABLE);
    USART_INT_Set(USART1, USART_INT_IDLEF, ENABLE);
}
DMA方式

​ 注：DMA细节我会抽单独章节分析，此处只写一个DMA轮询方式的例子。

static VOID UART1_DmaRxConfig(IN U8 *buf, IN U32 len)
{
    DMA_InitPara DMA_InitStructure;
    
    DMA_Enable(DMA1_CHANNEL5, DISABLE);
    
    /* USART1 RX DMA1 Channel (triggered by USART1 Rx event) Config */
    DMA_DeInit(DMA1_CHANNEL5);
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (U32) &(USART1->DR);
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (U32)buf;
    DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PERIPHERALSRC;
    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = len;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PERIPHERALINC_DISABLE;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MEMORYINC_ENABLE;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PERIPHERALDATASIZE_BYTE;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MEMORYDATASIZE_BYTE;
    DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_MODE_NORMAL;
    DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_PRIORITY_VERYHIGH;
    DMA_InitStructure.DMA_MTOM = DMA_MEMTOMEM_DISABLE;
    DMA_Init(DMA1_CHANNEL5, &DMA_InitStructure);
    DMA_Enable(DMA1_CHANNEL5, ENABLE);
}

VOID DRV_UART1_DmaInit(VOID)
{
    UART1_GpioInit();
    UART1_Config();
    RCC_AHBPeriphClock_Enable(RCC_AHBPERIPH_DMA1, ENABLE);
    UART1_DmaRxConfig(gUart1RxBuf, DRV_UART1_BUFLEN);
    USART_Enable(USART1, ENABLE);
    USART_DMA_Enable(USART1, (USART_DMAREQ_TX | USART_DMAREQ_RX), ENABLE);
}

static VOID UART1_DmaSend(IN U8 *buf, IN U32 len)
{
    DMA_InitPara DMA_InitStructure;

    DMA_Enable(DMA1_CHANNEL4, DISABLE);

    /* USART1_Tx_DMA_Channel (triggered by USART1 Tx event) Config */
    DMA_DeInit(DMA1_CHANNEL4);
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (U32) &(USART1->DR);
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (U32)buf;
    DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PERIPHERALDST;
    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = len;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PERIPHERALINC_DISABLE;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MEMORYINC_ENABLE;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PERIPHERALDATASIZE_BYTE;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MEMORYDATASIZE_BYTE;
    DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_MODE_NORMAL;
    DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_PRIORITY_VERYHIGH;
    DMA_InitStructure.DMA_MTOM = DMA_MEMTOMEM_DISABLE;
    DMA_Init(DMA1_CHANNEL4, &DMA_InitStructure);
    
    DMA_Enable(DMA1_CHANNEL4, ENABLE);
    while (DMA_GetBitState(DMA1_FLAG_TC4) == RESET)
    {
    }
}

VOID DRV_UART1_DmaTest(VOID)
{
    while (1)
    {
        if (USART_GetBitState(USART1, USART_FLAG_IDLEF) != RESET)
        {
            UART1_DmaSend(gUart1RxBuf, DRV_UART1_BUFLEN);
            memset(gUart1RxBuf, 0, DRV_UART1_BUFLEN);
            UART1_DmaRxConfig(gUart1RxBuf, DRV_UART1_BUFLEN);
            USART_DataReceive(USART1); /* 清除USART_FLAG_IDLEF */
        }
    }
}

总结

​ 串口是一种非常常见的通信总线，必须掌握。如果上面的原理和例子理解了，我相信用GPIO口虚拟一个窗口并不是什么难事。

代码路径

https://github.com/YaFood/GD32F103/tree/master/TestUART

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