嵌入式开发代码实践——串口通信（UART）开发

串口通信（UART）开发详解

一、UART通信基础概念

1.1 什么是UART？

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）是一种异步串行通信接口。它是嵌入式系统中最常用的通信方式之一。

1.2 UART通信特点

  • 异步通信：无需时钟信号，靠起始位、停止位同步

  • 全双工：可同时发送和接收数据

  • 点对点通信：通常用于两个设备之间的通信

  • 传输距离：TTL电平约1米，RS-232可达15米

1.3 UART数据帧格式

┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐ │空闲│起始│数据位0│数据位1│...│数据位7│校验位│停止位│空闲│ ├───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┤ │高 │低 │数据内容 │可选 │高 │高 │ └───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘

  • 起始位：1位低电平

  • 数据位：通常8位（也可5、6、7位）

  • 校验位：可选（奇校验、偶校验）

  • 停止位：1或2位高电平

二、硬件原理分析

2.1 i.MX6ULL UART硬件框图

┌─────────────────────┐ ┌─────────────────────┐ │ i.MX6ULL │ │ PC主机 │ │ │ │ │ │ UART1控制器 │◄────►│ USB转串口 │ │ - 发送寄存器 │ │ (CH340) │ │ - 接收寄存器 │ │ │ │ - 控制寄存器 │ └─────────────────────┘ └─────────┬───────────┘ │ ▼ ┌─────────────────────┐ │ 硬件引脚 │ │ TXD (发送) │───┐ │ RXD (接收) │◄──┘ └─────────────────────┘

2.2 引脚定义（参考原理图）

  • UART1_TX：发送数据引脚，数据从芯片发送出去

  • UART1_RX：接收数据引脚，数据从外部接收进来

  • 波特率：115200 bps（每秒传输115200位）

三、代码详细解析

3.1 头文件定义（uart.h）

#ifndef _UART_H_ #define _UART_H_ // 声明UART相关函数 extern void uart1_init(void); // UART1初始化 extern void putc(unsigned char d); // 发送一个字符 extern void puts(const char *s); // 发送字符串 extern unsigned char getc(void); // 接收一个字符 #endif // !_UART_H_

3.2 UART初始化函数（uart.c）

3.2.1 引脚配置
void uart1_init(void) { // 1. 复用功能配置 - 将引脚配置为UART功能 IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX, 0); // RX引脚复用为UART IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX, 0); // TX引脚复用为UART // 2. 电气特性配置 - 设置引脚的电气参数 IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX, 0x10B0); // RX引脚电气特性 IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX, 0x10B0); // TX引脚电气特性

详细解释：

  • IOMUXC_SetPinMux()：选择引脚功能

    • 第一个参数：引脚名称（如IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX）

    • 第二个参数：复用选择器（0表示选择主要功能）

  • IOMUXC_SetPinConfig()：配置引脚电气特性

    • 参数0x10B0含义：

      • 0x：十六进制前缀

      • 10B0：配置驱动强度、上下拉、速度等参数

3.2.2 复位UART控制器
// 3. 软件复位UART控制器 UART1->UCR2 &= ~(1 << 0); // 清除UART使能位，相当于复位

寄存器解释：

  • UART1->UCR2：UART控制寄存器2

  • 位0（UARTEN）：UART使能位

    • 0：禁用UART（复位状态）

    • 1：使能UART

  • 先清除此位，再重新配置，确保从干净状态开始

3.2.3 配置UART参数
// 4. 配置UART控制寄存器2 unsigned int t; t = UART1->UCR2; // 读取当前值 t |= (1 << 14); // 设置IRTS位，忽略RTS流控 t &= ~(1 << 8); // 清除PREN位，禁用奇偶校验 t &= ~(1 << 6); // 清除STPB位，1个停止位 t |= (1 << 5); // 设置WS位，8位数据位 t |= (1 << 2); // 设置TXEN位，使能发送器 t |= (1 << 1); // 设置RXEN位，使能接收器 UART1->UCR2 = t; // 写回寄存器

UCR2寄存器位详解：

位 名称 功能 ────────────────────────── 0 UARTEN UART使能位 1 RXEN 接收器使能 2 TXEN 发送器使能 5 WS 字长选择（0=7位，1=8位） 6 STPB 停止位数量（0=1位，1=2位） 8 PREN 奇偶校验使能 14 IRTS 忽略RTS流控（必须设置为1）
3.2.4 配置其他UART寄存器
// 5. 配置UART控制寄存器3 UART1->UCR3 |= (1 << 2); // 设置RXDMUXSEL位（必须为1） // 6. 配置FIFO控制寄存器 UART1->UFCR &= ~(7 << 7); // 清除参考时钟分频位 UART1->UFCR |= (5 << 7); // 设置1分频（参考时钟分频器）

UCR3寄存器：

  • 位2（RXDMUXSEL）：接收数据多路复用器选择

    • 必须设置为1，芯片工作在MUXED模式

UFCR寄存器：

  • 位7-9（RFDIV）：参考时钟分频器

    • 101（十进制5）= 1分频

    • 公式：分频值 = 6 - RFDIV

3.2.5 配置波特率
// 7. 波特率配置（115200 bps） UART1->UBIR = 999; // 增量寄存器 UART1->UBMR = 43401; // 模数寄存器 // 8. 使能UART UART1->UCR1 |= (1 << 0); // 设置UARTEN位，使能UART }

波特率计算公式：

BaudRate = Ref_Freq / (16 × ((UBMR + 1) / (UBIR + 1)))

其中：

  • Ref_Freq= 80MHz（系统参考时钟）

  • UBIR= 999（增量寄存器值）

  • UBMR= 43401（模数寄存器值）

计算验证：

波特率 = 80,000,000 / (16 × ((43401 + 1) / (999 + 1))) = 80,000,000 / (16 × (43402 / 1000)) = 80,000,000 / (16 × 43.402) = 80,000,000 / 694.432 ≈ 115200 bps

3.3 字符发送函数

void putc(unsigned char d) { // 等待发送完成（检查TXDC标志位） while ((UART1->USR2 & (1 << 3)) == 0); // 写入要发送的数据到发送寄存器 UART1->UTXD = d; }

工作原理：

  1. UART1->USR2 & (1 << 3)：检查状态寄存器2的TXDC位（位3）

    • 0：发送器忙，正在发送数据

    • 1：发送完成，可以发送新数据

  2. while循环：一直等待，直到发送完成标志为1

  3. UART1->UTXD = d：将数据写入发送寄存器，自动开始发送

状态寄存器2（USR2）位：

  • 位3（TXDC）：发送完成标志

    • 0：发送器忙或禁用

    • 1：发送缓冲区和移位寄存器都为空

3.4 字符串发送函数

void puts(const char *s) { // 遍历字符串，逐个发送字符 while (*s) { putc(*s++); // 发送当前字符，指针后移 } putc('\n'); // 发送换行符，便于阅读 }

工作原理：

  1. while (*s)：检查当前字符是否为字符串结束符'\0'

  2. putc(*s++)：发送当前字符，然后指针s指向下一个字符

  3. 循环直到遇到字符串结束符

  4. putc('\n')：额外发送换行符

3.5 字符接收函数

unsigned char getc(void) { // 等待接收数据就绪（检查RDR标志位） while ((UART1->USR2 & (1 << 0)) == 0); // 读取接收寄存器中的数据 return (unsigned char)UART1->URXD; }

工作原理：

  1. UART1->USR2 & (1 << 0)：检查状态寄存器2的RDR位（位0）

    • 0：没有接收到数据

    • 1：有数据可以读取

  2. while循环：一直等待，直到有数据可读

  3. (unsigned char)UART1->URXD：读取接收寄存器并转换为无符号字符

状态寄存器2（USR2）位：

  • 位0（RDR）：接收数据就绪标志

    • 0：没有接收到新数据

    • 1：接收到新数据，可以读取

接收寄存器（URXD）注意：

  • URXD寄存器是只读的

  • 读取后，RDR标志会自动清除

四、主程序中的UART使用

4.1 主程序调用（main.c）

int main(void) { // 系统初始化 system_interrupt_init(); // 中断系统初始化 clock_init(); // 时钟初始化 led_init(); // LED初始化 beep_init(); // 蜂鸣器初始化 key_init(); // 按键初始化 gpt1_init(); // 定时器初始化 // UART初始化（重点） uart1_init(); // 初始化UART1，配置为115200波特率 unsigned char ch; // 用于存储接收到的字符 while(1) { // 延时1秒 delay_us(1000 * 1000); // 控制LED和蜂鸣器翻转 led_nor(); // LED状态翻转 beep_nor(); // 蜂鸣器状态翻转 // UART通信部分 ch = getc(); // 从串口接收一个字符（会等待直到有数据） putc(ch); // 将接收到的字符发送回去（回显功能） puts("\nhello world!"); // 发送字符串 } return 0; }

4.2 程序流程图

开始 ↓ 初始化系统（时钟、中断等） ↓ 初始化UART（配置引脚、波特率115200） ↓ ┌─────────────────────────────┐ │ 主循环 │ │ ↓ │ │ 延时1秒 │ │ ↓ │ │ LED和蜂鸣器翻转 │ │ ↓ │ │ 等待接收串口数据 │←──┐ │ ↓ │ │ │ 将接收的数据发送回去 │ │ │ ↓ │ │ │ 发送"hello world!"字符串 │ │ │ ↓ │ │ │ (循环继续) │ │ └──────────────┬──────────────┘ │ │ │ └──────────────────┘

五、常见问题与调试

5.1 常见问题

  1. 没有输出/全是乱码

    • 检查波特率是否匹配（PC端和开发板都设为115200）

    • 检查TX、RX线是否接反

    • 检查电源是否正常

  2. 只能发送不能接收

    • 检查RX引脚配置是否正确

    • 检查PC端串口工具是否已打开串口

    • 检查线路连接是否良好

  3. 发送数据不完整

    • 检查发送函数是否正确等待发送完成标志

    • 检查是否有其他中断影响

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