基于STM32F4單片機(jī)USART寄存器控制的設(shè)計(jì)

USART又叫通用同步異步收發(fā)器，塔提供了一種靈活的方法與工業(yè)使用標(biāo)準(zhǔn)NRZ異步春航數(shù)據(jù)格式的外部設(shè)備之間進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)交換。USART利用分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器提供寬范圍的波特率選擇，支持同步單向通信和半雙工單線通信，也支持LIN（局部互聯(lián)網(wǎng)），智能卡協(xié)議和IrDA（紅外數(shù)據(jù)組織）SIR ENDEC規(guī)范以及調(diào)制解調(diào)器（CTS/RTS）操作，它還允許多處理器通信，使用多換成器配置的DMA方式，可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。

USART寄存器控制框圖如下

可通過對 USART_CR1 寄存器中的 M 位進(jìn)行編程來選擇 8（置0） 位或 9（置1） 位的字長。TX 引腳在起始位工作期間處于低電平狀態(tài)。在停止位工作期間處于高電平狀態(tài)。

空閑字符可理解為整個(gè)幀周期內(nèi)電平均為“1”（停止位的電平也是“1”），該字符后是下一個(gè)數(shù)據(jù)幀的起始位。

停止字符可理解為在一個(gè)幀周期內(nèi)接收到的電平均為“0”。發(fā)送器在中斷幀的末尾插入 1 或 2 個(gè)停止位（邏輯“1”位）以確認(rèn)起始位。

發(fā)送和接收由通用波特率發(fā)生器驅(qū)動(dòng)，發(fā)送器和接收器的使能位分別置 1 時(shí)將生成相應(yīng)的發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘。

字符發(fā)送

USART 發(fā)送期間，首先通過 TX 引腳移出數(shù)據(jù)的最低有效位。該模式下，USART_DR 寄存 器的緩沖區(qū) （TDR） 位于內(nèi)部總線和發(fā)送移位寄存器之間。

每個(gè)字符前面都有一個(gè)起始位，其邏輯電平在一個(gè)位周期內(nèi)為低電平。字符由可配置數(shù)量的停止位終止。

USART 支持以下停止位：0.5（智能卡模式下接收數(shù)據(jù)使用）、1（默認(rèn)）、1.（智能卡模式下發(fā)送與接收使用）5 和 2（正常USART模式，單線模式和調(diào)制解調(diào)器模式支持該值） 個(gè)停止位。

注意：數(shù)據(jù)發(fā)送期間不應(yīng)復(fù)位 TE 位。發(fā)送期間復(fù)位 TE 位會(huì)凍結(jié)波特率計(jì)數(shù)器，從而將損壞 TX 引 腳上的數(shù)據(jù)。當(dāng)前傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將會(huì)丟失。

使能 TE 位后，將會(huì)發(fā)送空閑幀。

停止位的配置

步驟：

1.通過向%20USART_CR1%20寄存器中的%20UE%20位寫入%201%20使能%20USART。

2.%20對%20USART_CR1%20中的%20M%20位進(jìn)行編程以定義字長。

3.%20對%20USART_CR2%20中的停止位數(shù)量進(jìn)行編程。

4.%20如果將進(jìn)行多緩沖區(qū)通信，請選擇%20USART_CR3%20中的%20DMA%20使能%20（DMAT）。按照多緩沖區(qū)%20通信中的解釋說明配置%20DMA%20寄存器。

5.%20使用%20USART_BRR%20寄存器選擇所需波特率。

6.%20將%20USART_CR1%20中的%20TE%20位置%201%20以便在首次發(fā)送時(shí)發(fā)送一個(gè)空閑幀。

7.%20在%20USART_DR%20寄存器中寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)（該操作將清零%20TXE%20位）。為每個(gè)要在單緩%20沖區(qū)模式下發(fā)送的數(shù)據(jù)重復(fù)這一步驟。

8.%20向%20USART_DR%20寄存器寫入最后一個(gè)數(shù)據(jù)后，等待至%20TC=1。這表明最后一個(gè)幀的傳送已%20完成。禁止%20USART%20或進(jìn)入暫停模式時(shí)需要此步驟，以避免損壞最后一次發(fā)送。

單字節(jié)通信

始終通過向數(shù)據(jù)寄存器寫入數(shù)據(jù)來將%20TXE%20位清零。

TXE%20位由硬件置%201，它表示：

●%20數(shù)據(jù)已從%20TDR%20移到移位寄存器中且數(shù)據(jù)發(fā)送已開始。

●%20TDR%20寄存器為空。

●%20USART_DR%20寄存器中可寫入下一個(gè)數(shù)據(jù)，而不會(huì)覆蓋前一個(gè)數(shù)據(jù)。

TXEIE%20位置%201%20時(shí)該標(biāo)志位會(huì)生成中斷。

發(fā)送時(shí)，要傳入%20USART_DR%20寄存器的寫指令中存有%20TDR%20寄存器中的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)將在當(dāng)%20前發(fā)送結(jié)束時(shí)復(fù)制到移位寄存器中。

未發(fā)送時(shí)，要傳入%20USART_DR%20寄存器的寫指令直接將數(shù)據(jù)置于移位寄存器中，數(shù)據(jù)發(fā)送開%20始時(shí)，TXE%20位立即置%201。

如果幀已發(fā)送（停止位后）且%20TXE%20位置%201，TC%20位將變?yōu)楦唠娖?。如?20USART_CR1%20寄存器%20中的%20TCIE%20位置%201，將生成中斷。

向%20USART_DR%20寄存器中寫入最后一個(gè)數(shù)據(jù)后，必須等待至%20TC=1，之后才可禁止%20USART%20或使微控制器進(jìn)入低功率模式。

TC%20位通過以下軟件序列清零：

1.從%20USART_SR%20寄存器讀取數(shù)據(jù)

2.%20向%20USART_DR%20寄存器寫入數(shù)據(jù)

注意：還可通過向%20TC%20位寫入“0”將其清零。建議僅在多緩沖區(qū)通信時(shí)使用此清零序列。

中斷字符

將 SBK 位置 1 將發(fā)送一個(gè)中斷字符。中斷幀的長度取決于 M 位。（見上圖USART字符說明）

如果 SBK 位置“1”，當(dāng)前字符發(fā)送完成后，將在 TX 線路上發(fā)送一個(gè)中斷字符。中斷字符 發(fā)送完成時(shí)（發(fā)送中斷字符的停止位期間），該位由硬件復(fù)位。USART 在上一個(gè)中斷幀的 末尾插入一個(gè)邏輯“1”位，以確保識(shí)別下個(gè)幀的起始位。

注意：如果軟件在中斷發(fā)送開始前對 SBK 位進(jìn)行了復(fù)位，將不會(huì)發(fā)送中斷字符。對于兩個(gè)連續(xù)的中 斷，應(yīng)在上一個(gè)中斷的停止位發(fā)送完成后將 SBK 位置 1。

空閑字符

將 TE 位置 1 會(huì)驅(qū)動(dòng) USART 在第一個(gè)數(shù)據(jù)幀之前發(fā)送一個(gè)空閑幀。（見上圖USART字符說明）

字符接收（位數(shù)取決于M位）

起始位檢測

無論設(shè)置為16 倍或 8 倍過采樣時(shí)，起始位檢測序列相同都以16倍過采樣檢測。

在 USART 中，識(shí)別出特定序列的采樣時(shí)會(huì)檢測起始位。該序列為：1 1 1 0 X 0 X 0 X 0 0 0 0。

注意：如果序列不完整，起始位檢測將中止，接收器將返回空閑狀態(tài)（無標(biāo)志位置 1）等待下降沿。

如果 3 個(gè)采樣位均為 0（針對第 3 位、第 5 位和第 7 位進(jìn)行首次采樣時(shí)檢測到這 3 位均為 0； 針對第 8 位、第 9 位和第 10 位進(jìn)行第二次采樣時(shí)檢測到這 3 位均為 0），可確認(rèn)起始位 （RXNE 標(biāo)志位置 1，RXNEIE=1 時(shí)生成中斷）。

如果兩次采樣時(shí)（對第 3 位、第 5 位和第 7 位進(jìn)行采樣以及對第 8位、第 9 位和第 10 位進(jìn) 行采樣），3 個(gè)采樣位中至少有 2 個(gè)為 0，則可驗(yàn)證起始位（RXNE 標(biāo)志位置 1，RXNEIE=1 時(shí)生成中斷）但 NE 噪聲標(biāo)志位置 1。如果不滿足此條件，則啟動(dòng)檢測中止，接收器返回空 閑狀態(tài)（無標(biāo)志位置 1）。

如果其中一次采樣時(shí)（對第 3 位、第 5 位和第 7 位進(jìn)行采樣或?qū)Φ?8 位、第 9 位和第 10 位 進(jìn)行采樣），3 個(gè)采樣位中有 2 個(gè)為 0，則可驗(yàn)證起始位但 NE 噪聲標(biāo)志位置 1。

字符接收

USART 接收期間，首先通過 RX 引腳移入數(shù)據(jù)的最低有效位。該模式下，USART_DR 寄存 器的緩沖區(qū) （RDR） 位于內(nèi)部總線和接收移位寄存器之間。

步驟：

1.通過向 USART_CR1 寄存器中的 UE 位寫入 1 使能 USART。

2. 對 USART_CR1 中的 M 位進(jìn)行編程以定義字長。

3. 對 USART_CR2 中的停止位數(shù)量進(jìn)行編程。

4. 如果將進(jìn)行多緩沖區(qū)通信，請選擇 USART_CR3 中的 DMA 使能 （DMAR）。按照多緩沖 區(qū)通信中的解釋說明配置 DMA 寄存器。步驟 3

5. 使用波特率寄存器 USART_BRR 選擇所需波特率

6. 將 RE 位 USART_CR1 置 1。這一操作將使能接收器開始搜索起始位。

接收到字符時(shí)

● RXNE 位置 1。這表明移位寄存器的內(nèi)容已傳送到 RDR。也就是說，已接收到并可讀取數(shù)據(jù)（以及其相應(yīng)的錯(cuò)誤標(biāo)志）。

● 如果 RXNEIE 位置 1，則會(huì)生成中斷。

● 如果接收期間已檢測到幀錯(cuò)誤、噪聲錯(cuò)誤或上溢錯(cuò)誤，錯(cuò)誤標(biāo)志位可置 1。

● 在多緩沖區(qū)模式下，每接收到一個(gè)字節(jié)后 RXNE 均置 1，然后通過 DMA 對數(shù)據(jù)寄存器執(zhí)行讀操作清零。

● 在單緩沖區(qū)模式下，通過軟件對 USART_DR 寄存器執(zhí)行讀操作將 RXNE 位清零。RXNE標(biāo)志也可以通過向該位寫入零來清零。RXNE 位必須在結(jié)束接收下一個(gè)字符前清零，以避免發(fā)生上溢錯(cuò)誤。

注意：接收數(shù)據(jù)時(shí)，不應(yīng)將 RE 位復(fù)位。如果接收期間禁止了 RE 位，則會(huì)中止接收當(dāng)前字節(jié)。

中斷字符

接收到中斷字符時(shí)，USART 將會(huì)按照幀錯(cuò)誤對其進(jìn)行處理。

空閑字符

檢測到空閑幀時(shí)，處理步驟與接收到數(shù)據(jù)的情況相同；如果 IDLEIE 位為 1，則會(huì)產(chǎn)生中斷。

上溢錯(cuò)誤

如果在 RXNE 未復(fù)位時(shí)接收到字符，則會(huì)發(fā)生上溢錯(cuò)誤。RXNE 位清零前，數(shù)據(jù)無法從移位 寄存器傳送到 RDR 寄存器。

每接收到一個(gè)字節(jié)后，RXNE 標(biāo)志位都將置 1。當(dāng) RXNE 標(biāo)志位是 1 時(shí)，如果在接收到下一 個(gè)數(shù)據(jù)或尚未處理上一個(gè) DMA 請求時(shí)，則會(huì)發(fā)生上溢錯(cuò)誤。發(fā)生上溢錯(cuò)誤時(shí)： ● ORE 位置 1。

● RDR 中的內(nèi)容不會(huì)丟失。對 USART_DR 執(zhí)行讀操作時(shí)可使用先前的數(shù)據(jù)。

● 移位寄存器將被覆蓋。之后，上溢期間接收到的任何數(shù)據(jù)都將丟失。

● 如果 RXNEIE 位置 1 或 EIE 與 DMAR 位均為 1，則會(huì)生成中斷。

● 通過先后對 USART_SR 寄存器和 USART_DR 寄存器執(zhí)行讀操作將 ORE 位清除。

注意：ORE 位置 1 時(shí)表示至少 1 個(gè)數(shù)據(jù)丟失。存在兩種可能：

● 如果 RXNE=1，則最后一個(gè)有效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于接收寄存器 RDR 中并且可進(jìn)行讀?。?/p>

● 如果 RXNE=0，則表示最后一個(gè)有效數(shù)據(jù)已被讀取，因此 RDR 中沒有要讀取的數(shù)據(jù)。接收到新（丟失）數(shù)據(jù)的同時(shí)已讀取 RDR中的最后一個(gè)有效數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)發(fā)生該情況。讀取序列期間（在 USART_SR 寄存器讀訪問與 USART_DR 讀訪問之間）接收到新數(shù)據(jù)時(shí)也會(huì)發(fā)生該情況。

選擇合適的過采樣方法

接收器采用不同的用戶可配置過采樣技術(shù)（除了同步模式下），可以從噪聲中提取有效數(shù)據(jù)。

可通過編程 USART_CR1 寄存器中的 OVER8 位來選擇采樣方法，且采樣時(shí)鐘可以是波特率 時(shí)鐘的 16 倍或 8 倍。

根據(jù)應(yīng)用：

● 選擇 8 倍過采樣 （OVER8=1） 以獲得更高的速度（高達(dá) fPCLK/8）。這種情況下接收器對時(shí)鐘偏差的最大容差將會(huì)降低。

● 選擇 16 倍過采樣 （OVER8=0） 以增加接收器對時(shí)鐘偏差的容差。這種情況下，最大速度限制為最高 fPCLK/16可通過編程 USART_CR3 寄存器中的 ONEBIT 位選擇用于評估邏輯電平的方法。有兩種選擇：

● 在已接收位的中心進(jìn)行三次采樣，從而進(jìn)行多數(shù)表決。這種情況下，如果用于多數(shù)表決的 3 次采樣結(jié)果不相等，NF 位置 1。

● 在已接收位的中心進(jìn)行單次采樣

根據(jù)應(yīng)用：

— 在噪聲環(huán)境下工作時(shí)，請選擇三次采樣的多數(shù)表決法 （ONEBIT=0）；在檢測到噪聲時(shí)請拒絕數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@表示采樣過程中產(chǎn)生了干擾。

— 線路無噪聲時(shí)請選擇單次采樣法 （ONEBIT=1） 以增加接收器對時(shí)鐘偏差的容差。這種情況下NF 位始終不會(huì)置 1。

幀中檢測到噪聲時(shí)：

● 在 RXNE 位的上升沿時(shí) NF 位置 1。

● 無效數(shù)據(jù)從移位寄存器傳送到 USART_DR 寄存器。

● 單字節(jié)通信時(shí)無中斷產(chǎn)生。然而，在 RXNE 位產(chǎn)生中斷時(shí)，該位出現(xiàn)上升沿。多緩沖區(qū)通信時(shí)，USART_CR3 寄存器中的 EIE 位置 1 時(shí)將發(fā)出中斷。

通過先后對 USART_SR 寄存器和 USART_DR 寄存器執(zhí)行讀操作將 NF 位清零。

注意：智能卡、IrDA 和 LIN 模式下不可采用 8 倍過采樣。在這些模式下，OVER8 位由硬件強(qiáng)制 清零。