AVR单片机教程——串口发送

Posted 2021-03-21 jerry-fuyi

到目前为止，我们的开发板只能处理很小量的数据：读取几个引脚电平，输出几个LED，顶多用数码管显示一个两位数字。至于输入一个指令、输出一条调试信息，甚至用scanf和printf来输入输出，在已经接触过的这些器件上是难以想象的。而本讲“串口发送”与下一讲“串口接收”，将打开这一扇大门。

硬件

本讲的主题是UART（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter，通用异步收发器），俗称串口。实际上串口是串行接口的统称，在单片机领域通常指UART。“串行”的意思是每次传输一个bit，而一个字节的数据被拆成8个bit传输；相比之下并行总线可以一次传输一个或多个字节（这并不意味着并行总线一定优于串行总线）。

AVR单片机提供的硬件组件不是UART，而是USART（S代表Synchronous，同步的），相比UART额外支持同步通信。所谓“同步”是指收发双方通过时钟同步，“异步”是指没有时钟来同步，但实际上双方还是由一些特殊信号同步的。

数据在UART总线上以“帧（frame）”为单位发送，如下图所示，带有方括号的位是可选的。

一帧包含一个起始位、5~9个数据位（常用8位；很多设备不支持9位）、可选的一个校验位（偶校验或奇校验，即所有数据位与0或1的异或结果）与1或2个终止位。起始位与终止位统称为同步位，用于在异步总线上起到同步的作用，这样接收方才能知道一帧何时开始。

波特率的定义是信息在通信信道上传输的速率。假如信号线上的波形允许1秒有9600个方框（方框表示高电平或低电平，实际电平是其中一个），那么波特率就是9600。常用的波特率有9600与115200（打开Serial Port Utility或类似软件，可选的波特率都是常用的）。

在开始通信之前，收发双方必须约定好波特率与帧格式。uart_init函数的配置是波特率38400，8数据位，偶校验，1停止位。相应地在电脑的串口调试软件中也要这样配置。

软件

由于printf是变参函数，不是很安全（如果格式串和参数对应错，程序可能直接跑飞），我倾向于使用类型安全的函数，即函数通过C的句法知道实参类型（写错就编译错误，而不是通过编译器无法检测的格式串）。不过，avr-gcc的<stdio.h>中还是提供了printf等函数，你可以了解一下。

库中提供的发送函数都是同步阻塞的，即等待硬件组件把数据全部发送完，函数才返回。这里的“同步”与刚才的“异步总线”所指是不同的。关于“同步”与“异步”、“阻塞”与“非阻塞”的概念，可以参考：怎样理解阻塞非阻塞与同步异步的区别？

不难计算，总线发送一个字节的时间是几千个CPU周期，CPU会浪费大量时间在无用的等待上。这个问题直到我们讲到中断才会解决（也许我会把它封装起来放进库）。

实例

我们来写一个用串口发送按键与拨动开关信息的程序。如果你会相关的C#编程，就可以让电脑响应按键事件。

#include <ee1/delay.h>
#include <ee1/button.h>
#include <ee1/switch.h>
#include <ee1/uart.h>

int main(void)
{
    button_init(PIN_6, PIN_7);
    switch_init(PIN_4, PIN_5);
    uart_init(UART_TX);
    uart_print_string("start
");
    while (1)
    {
        for (uint8_t i = 0; i != BUTTON_COUNT; ++i)
            if (button_pressed(i))
            {
                uart_print_string("button ");
                uart_print_int(i);
                uart_print_string("
");
            }
        for (uint8_t i = 0; i != SWITCH_COUNT; ++i)
            if (switch_changed(i))
            {
                uart_print_string("switch ");
                uart_print_int(i);
                uart_print_string(switch_status(i) ? " on
" : " off
");
            }
        delay(1);
    }
}

程序首先将UART初始化为发送模式（UART_TX），然后打印"start"。在间隔一毫秒的循环中（实际上串口发送的时间远长于一毫秒，因为是阻塞的），程序检测每一个按键与开关的动作，如果有则发送相应数据。

用printf一行就能解决的操作这里需要三行才能完成，这就是权衡吧。

作业

1. 基于uart_print_char，实现my_print_int函数，在串口上打印一个int类型整数（在avr-gcc中，int类型默认是16位宽度；注意负号和0；你可以了解一下itoa，尽管它是非标准的）。

2. 将旋转编码器的数据通过串口传输给电脑。将原始数据（pin_read或rotary_status）与处理后的数据（rotary_rotated）一同打印，你可以更直观地感受数据处理的过程。