Использование интерфейса USART микроконтроллеров AVR

Микроконтроллеры AVR имеют в своем составе модуль полнодуплексного универсального асинхронного приемопередатчика UART (в семействе Mega универсальный синхронный/асинхронный приемопередатчик USART). Через него осуществляется прием и передача информации, представленной последовательным кодом, поэтому модуль UART часто называют также последовательным портом. С помощью этого модуля микроконтроллер может обмениваться данными с различными внешними устройствами.

Поток данных, передаваемых по каналу UART, представляет собой совокупность посылок или кадров. Каждый кадр содержит стартовый бит, восемь или девять битов данных и стоповый бит. Стартовый бит имеет уровень логического 0, стоповый - уровень логической 1. Скорость передачи данных может варьироваться в широких пределах, причем высокие скорости передачи могут быть  достигнуты даже при относительно низкой тактовой частоте микроконтроллера.

Обмен данными по последовательному интерфейсу

Известно, что при передаче данных могут произойти различные сбои. Модуль UART, реализованный в микроконтроллерах, способен при приеме обнаруживать ошибку формата и переполнение. Для взаимодействия с программой в модуле предусмотрены прерывания при наступлении следующих событий: прием  завершен с адресом вектора $009 в таблице векторов прерываний,  регистр данных передатчика пуст с адресом вектора $00А, передача завершена с адресом вектора $00В.

Выводы микроконтроллера, используемые модулем UART, являются линиями порта PD. В качестве входа приемника (RXD) используют вывод РD0, а в качестве выхода передатчика (TXD) - вывод PD1.

Принимаемые и передаваемые данные (восемь разрядов) хранятся в регистре UDR. Физически регистр UDR состоит из двух отдельных регистров, один из которых используется для передачи данных, другой - для приема. При чтении регистра UDR выполняется обращение к регистру приемника, при записи - к регистру передатчика.

Регистры управления модулями USART на примере микроконтроллера ATmega8

Буферные регистры приемника и передатчика располагаются по одному адресу пространства ввода/вывода и обозначаются как регистр данных UDR(Universal Data Register). В этом регистре хранятся младшие 8 разрядов принимаемых и передаваемых данных. При чтении выполняется обращение к буферному регистру UDR приемника, при записи — к буферному регистру передатчика. В модулях USART буфер приемника является двухуровневым (FIFO буфер), изменение состояния которого происходит при любом обращении к регистру UDR. В связи с этим не следует использовать регистр UDR в качестве операндов команд типа «чтение/модификация/запись» (SBI и CBI). Кроме того, следует быть очень аккуратными при использовании команд проверки SBIC и SBIS, поскольку они также изменяют состояние буфера приемника.

Для управления модулями USART используются три регистра: UCSRA , UCSRB и UCSRC.

Описание разрядов регистра UCSRA.

Описание разрядов регистра UCSRB.

Описание разрядов регистра UCSRC.

Скорость приема/передачи USART

В асинхронном режиме, а также в синхронном режиме при работе в качестве ведущего, скорость приема и передачи данных задается контроллером скорости передачи, функционирующим как делитель системного тактового сигнала с программируемым коэффициентом деления. Коэффициент определяется содержимым регистра контроллера UBRR. В блок приемника сформированный сигнал поступает сразу, а в блок передатчика — через дополнительный делитель, коэффициент деления которого (2, 8 или 16) зависит от режима работы модуля USART/UART. Регистр UBRR является 12 разрядным и физически размещается в двух регистрах ввода/вывода UBRRH и UBRRL.

При работе в асинхронном режиме скорость обмена определяется не только содержимым регистра UBRR, но и состоянием разряда U2X регистра UCSRA . Если этот разряд установлен в «1», коэффициент деления предделителя уменьшается в два раза, а скорость
обмена соответственно удваивается. При работе в синхронном режиме этот разряд должен быть сброшен.

Cкорость обмена определяется следующими формулами, где

BAUD — скорость передачи в бодах, fCK — тактовая частота микроконтроллера, UBRR — содержимое регистра контроллера скорости передачи (0…4095):

асинхронный режим (обычный, U2Xn = «0»)
BAUD = fCK/16(UBRR + 1);

асинхронный режим (ускоренный, U2Xn = «1»)
BAUD = fCK/8(UBRR + 1);

синхронный режим ведущего
BAUD = fCK/2(UBRR + 1).

Ниже представлен пример тестовой программы для изучения протокола USART, где микроконтроллер Atmega8 обменивается информацией с терминалом, для наглядности к контроллеру подключен LCD 16X02 дисплей. При нажатии на кнопки 1-3 в терминале высвечиваются соответствующие строки, также если выводить в терминал символы "a" или "b", будет загораться или гаснуть светодиод, подключенный к порту PB0 контроллера. Любые символы выводимые в терминал будут также высвечиваться на LCD дисплее. Для тестирования в "железе", микроконтроллер подключается к компьютеру через микросхему преобразователя уровней MAX232, для обмена данными используется стандартная программа Hyper Terminal от Microsoft.

//*** Пример работы с USART интерфейсом микроконтроллеров AVR ***

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h> 

#define BAUDRATE 9600 // Скорость обмена данными
#define F_CPU 8000000UL // Рабочая частота контроллера

unsigned char NUM = 0;  
unsigned char count = 0;
unsigned char byte_receive = 0;
unsigned char i = 1;

// Функция задержки в мкс
void _delay_us(unsigned char time_us)
{ register unsigned char i;

for(i = 0; i < time_us; i++)
{
asm volatile(" PUSH  R0 ");
asm volatile(" POP   R0 ");
}
}

// Функция задержки в мс
void _delay_ms(unsigned int time_ms)
{ register unsigned int i;

for(i = 0; i < time_ms; i++)
{ 
_delay_us(250);
_delay_us(250);
_delay_us(250);
_delay_us(250);
}
}

#define RS PD2 
#define EN PD3

// Функция передачи команды
void lcd_com(unsigned char p)
{
PORTD &= ~(1 << RS); // RS = 0 (запись команд)
PORTD |= (1 << EN); // EN = 1 (начало записи команды в LCD)
PORTD &= 0x0F; PORTD |= (p & 0xF0); // старший нибл
_delay_us(100);
PORTD &= ~(1 << EN); // EN = 0 (конец записи команды в LCD)
_delay_us(100);
PORTD |= (1 << EN); // EN = 1 (начало записи команды в LCD)
PORTD &= 0x0F; PORTD |= (p << 4); // младший нибл
_delay_us(100);
PORTD &= ~(1 << EN); // EN = 0 (конец записи команды в LCD)
_delay_us(100);
}

// Функция передачи данных
void lcd_data(unsigned char p)
{
PORTD |= (1 << RS)|(1 << EN); // RS = 1 (запись данных), EN - 1 (начало записи команды в LCD)
PORTD &= 0x0F; PORTD |= (p & 0xF0); // старший нибл
_delay_us(100);
PORTD &= ~(1 << EN); // EN = 0 (конец записи команды в LCD)
_delay_us(100);
PORTD |= (1 << EN); // EN = 1 (начало записи команды в LCD)
PORTD &= 0x0F; PORTD |= (p << 4); // младший нибл
_delay_us(100);
PORTD &= ~(1 << EN); // EN = 0 (конец записи команды в LCD)
_delay_us(100);
}

// Функция инициализации LCD
void lcd_init(void)
{
_delay_ms(50); // Ожидание готовности ЖК-модуля

// Конфигурирование четырехразрядного режима
PORTD |= (1 << PD5);
PORTD &= ~(1 << PD4);

// Активизация четырехразрядного режима
PORTD |= (1 << EN);
PORTD &= ~(1 << EN);
_delay_ms(5); 

lcd_com(0x28); // шина 4 бит, LCD - 2 строки
lcd_com(0x08); // полное выключение дисплея
lcd_com(0x01); // очистка дисплея
_delay_us(100);
lcd_com(0x06); // сдвиг курсора вправо
lcd_com(0x0C); // включение дисплея, курсор не видим
}

// Функция вывода строки на LCD
void lcd_string(unsigned char command, char *string)
{
lcd_com(0x0C);
lcd_com(command);
while(*string != '\0')
{
lcd_data(*string);
string++;
}
}

// Функция передачи данных по USART
void uart_send(char data)
{
while(!( UCSRA & (1 << UDRE)));	// Ожидаем когда очистится буфер передачи
UDR = data; // Помещаем данные в буфер, начинаем передачу
}

// Функция передачи строки по USART
void str_uart_send(char *string)
{
while(*string != '\0')
{
uart_send(*string);
string++;
}
}

// Функция приема данных по USART
int uart_receive(void)
{
while(!(UCSRA & (1 << RXC))); // Ожидаем, когда данные будут получены
return UDR; // Читаем данные из буфера и возвращаем их при выходе из подпрограммы
}

// Функция инициализации USART
void uart_init(void)
{
// Параметры соединения: 8 бит данные, 1 стоповый бит, нет контроля четности
// USART Приемник: Включен
// USART Передатчик: Включен
// USART Режим: Асинхронный
// USART Скорость обмена: 9600

UBRRL = (F_CPU/BAUDRATE/16-1); // Вычисляем скорость обмена данными  
UBRRH = (F_CPU/BAUDRATE/16-1) >> 8;

UCSRB |= (1 << RXCIE)| // Разрешаем прерывание по завершению приема данных
          (1 << RXEN)|(1 << TXEN); // Включаем приемник и передатчик
                                                
UCSRC |= (1 << URSEL)| // Для доступа к регистру UCSRC выставляем бит URSEL
         (1 << UCSZ1)|(1 << UCSZ0); // Размер посылки в кадре 8 бит
}

// Прерывание по окончанию приема данных по USART
ISR(USART_RXC_vect)
{
NUM = UDR; // Принимаем символ по USART
byte_receive = 1;
uart_send(NUM); // Посылаем символ по USART
	
if(NUM == 'a') // Если принят символ "a", включаем светодиод
PORTB |= (1 << PB0);
if(NUM == 'b') // Если принят символ "b", выключаем светодиод
PORTB &= ~(1 << PB0);
}

// Главная функция
int main(void)
{
DDRB |= (1 << PB0); // Светодиод
PORTB = 0x00;        			

DDRC  = 0x00;	
PORTC = 0xFF;
	
DDRD  = 0b11111110;
PORTD = 0x00;
	
lcd_init(); // Инициализация LCD
uart_init(); // Инициализация USART
	
sei(); // Глобально разрешаем прерывания

str_uart_send("Initialization system\r\n"); // Передаем строку по USART
lcd_string(0x80, " AVR USART TEST "); // Выводим строку на LCD
_delay_ms(2500);
lcd_com(0x01); // Очищаем LCD
	
while(1)
{

if((PINC & (1 << PC0)) == 0) // Если нажата кнопка 1
{
while((PINC & (1 << PC0)) == 0){} // Ждем отпускания кнопки 1
str_uart_send("Button 1 TEST\r\n"); // Передаем строку по USART
lcd_string(0x80, "Button 1 TEST"); // Выводим строку на LCD
_delay_ms(1000);
lcd_com(0x01); // Очищаем LCD
}

if((PINC & (1 << PC1)) == 0) // Если нажата кнопка 2
{
while((PINC & (1 << PC1)) == 0){} // Ждем отпускания кнопки 2
str_uart_send("Button 2 TEST\r\n"); // Передаем строку по USART
lcd_string(0x80, "Button 2 TEST"); // Выводим строку на LCD
_delay_ms(1000);
lcd_com(0x01); // Очищаем LCD
}

if((PINC & (1 << PC2)) == 0) // Если нажата кнопка 3
{
while((PINC & (1 << PC2)) == 0){} // Ждем отпускания кнопки 3
str_uart_send("Button 3 TEST\r\n"); // Передаем строку по USART
lcd_string(0x80, "Button 3 TEST"); // Выводим строку на LCD 
_delay_ms(1000);
lcd_com(0x01); // Очищаем LCD
}		

if(byte_receive)
{
byte_receive = 0;
count++;
lcd_data(NUM); // Выводим символ на LCD
if(count > 16) // Если строка заполнена
{
count = 0;
lcd_com(0x01); // Очищаем LCD
}
}
}
}