第4节串行通信子系统

Arduino UNO R3主处理器ATMega328P支持3种串行通信方式：通用同步/异步收发器，串行外设接口和两线串行接口。

Arduino UNO R3主处理器ATMega328P的串行通信子系统可以用于与计算机、外设或其他微控制器进行通信，它支持3种串行通信方式：通用同步/异步收发器，串行外设接口和两线串行接口。

1. 通用同步/异步收发器

在串行通信中，波特率用来衡量传输速率的快慢，同步和异步的对象是波特率的时钟信号；同步通信的设备之间需要一条额外的时钟线，也因此同步方式可以提供更高的波特率；这里将以异步为例。

下面的示例可以使通过串口发送给Arduino的数据回显到串口监视器上：

// SerialEcho.ino
char data;
 
void setup() {
   Serial.begin(9600);
}

void loop() {
   if (Serial.available() > 0) {
     data = Serial.read();
     Serial.print(data);
   }
}

与通用同步/异步收发器相关的Arduino库函数有：

Serial.begin(speed)：打开串口0并设置它的波特率

speed：串口0的波特率

Serial.available()：判断串口0的缓冲区内是否有数据

函数返回串口0缓冲区内数据的字节数

Serial.read()：读取串口0输入数据

函数返回串口0输入数据的一个字节

Serial.print(val)：向串口0打印数据

val：打印的数据

Serial.println(val)：向串口0打印数据并换行

val：打印的数据

ATMega328P的串口0由5个相关寄存器控制，串口0状态和控制寄存器A（UCSR0A）的结构如下图所示：

RXC0

TXC0

UDRE0

FE0

DOR0

PE0

U2X0

MPCM0

接收完成标志位RXD和数据寄存器空标志位UDRE分别在完成一帧数据接收和发送缓冲区为空时被置为1，可以通过向它们写1清0。

串口状态和控制寄存器B（UCSR0B）的结构如下图所示：

RXCIE0

TXCIE0

UDRIE0

RXEN0

TXEN0

UCSZ02

RXB08

TXB08

向接收使能位RXNE或发送使能位TXNE写入1可以分别使能串口0的接收或发送功能。

串口0控制寄存器C（UCSR0C）的结构如下图所示：

URSEL01

UMSEL00

UPM01

UPM00

USBS0

UCSZ01

UCSZ00

UCPOL0

向终止位选择控制位USBS0位写入0，则只有1个停止位，写入1则有2个停止位。数据帧长度控制位UCSZ0[2:0]同时存在UCSR0B寄存器和UCSR0C寄存器中，它和奇偶校验模式控制位UPM0[1:0]位的设置如下表所示：

UCSZ0[2:0]	数据帧长度	UPM0[1:0]	奇偶校验模式
000	5位	00	无奇偶校验
001	6位
010	7位	01	（保留）
011	8位
100	（保留）	10	偶校验
101	（保留）
110	（保留）	11	奇校验
111	9位

串口0波特率寄存器（UBRR0H和UBRR0L）的计算公式是：

Arduino UNO R3开发板使用8位数据帧长度，1个停止位，无奇偶校验，通过直接访问寄存器改写以上程序为：

// SerialEcho_reg.ino
unsigned char USART0_Receive();
void USART0_Transmit(unsigned char val);

void setup() {
  UCSR0A = 0x20;
  UCSR0B = 0x18;
  UCSR0C = 0x06;

  UBRR0H = 0x00;
  UBRR0L = 0x67;
}

void loop() {
  USART0_Transmit(USART0_Receive());
}

unsigned char USART0_Receive() {
  while (!(UCSR0A & (1 << RXC0)));
  return UDR0;
}

void USART0_Transmit(unsigned char val) {
  while (!(UCSR0A & (1 << UDRE0)));
  UDR0 = val;
}

2. 串行外设接口

串行外设接口是一种同步的串行通信方式，因此它需要比通用同步/异步收发器多一条时钟线。此外，串行外设接口还引入了主机和从机的概念，通信中使用的时钟信号由主机产生，从机只有在被主机选中时才能与其进行通信；因此，一个串行外设接口设备一般需要连接4条信号线：SPI时钟SCK，主入从出MISO，主出从入MOSI和SPI选中SS。

74HC595是一种8位的存储器，它的结构如下图所示：

当11（SH_CP）引脚有上升沿产生时，14（DS）引脚上的电平信号会被采样，并移入8位移位寄存器中，多余的位将从9（Q7’）引脚移出；当12（ST_CP）引脚上有上升沿产生，并且13（OE）引脚为低电平时，移位寄存器中的内容会被复制到存储寄存器中并输出。

74HC595芯片不是标准的串行外设接口设备，但可以使用串行外设接口向它输入数据，如图所示连接电路，Arduino开发板11（PB3/MOSI）引脚连接到74HC595芯片14（DS）引脚，13（PB5/SCK）引脚连接到11（SH_CP）引脚；74HC595芯片12（ST_CP）引脚可以连接到任一Arduino数字引脚，这里是A0（PC0）引脚：

下面的示例代码可以使74HC595芯片连接的LED呈现明暗交替的图案：

// ShiftOutLed.ino
const int DS = 11;
const int SH_CP = 13;
const int ST_CP = A0;
 
void setup() {
   pinMode(DS, OUTPUT);
   pinMode(SH_CP, OUTPUT);
   pinMode(ST_CP, OUTPUT);
 
   digitalWrite(ST_CP, LOW);
   shiftOut(DS, SH_CP, MSBFIRST, B10101010);
   digitalWrite(ST_CP, HIGH);
}
 
void loop() {
}

与串行外设接口相关的Arduino库函数有：

shiftOut(dataPin, clockPin, bitOrder, value)：作为主机移位输出

dataPin：指定移位输出的引脚

clockPin：指定同步时钟信号的引脚

bitOrder：从高位开始发送数据（MSBFIRST）或从低位开始发送数据（LSBFIRST）

val：移位输出的数据

ATMega328P的串行外设接口由2个相关寄存器控制，SPI控制寄存器SPCR的结构如下图所示：

SPIE

SPE

DORD

MSTR

CPOL

CPHA

SPR1

SPR0

SPI使能位SPE写入1则启用串行外设接口，写入0则禁用；数据序列位DORD位写入1则从SPI数据寄存器SPDR的高位开始发送，写入0则从低位开始发送；时钟相位位CPHA写入1则数据在上升沿采样，写入0则在下降沿采样。此外，Arduino作为主机，则主/从选择位MSTR需写入1。

SPI状态寄存器SPSR的结构如下图所示：

SPIF

WCOL

SPI2X

SPI2X位与SPCR寄存器中的SPR[1:0]位共同设定SPI的分频系数，如下表所示：

SPI2X	SPR[1:0]	时钟源
0	00	系统时钟4分频
0	01	系统时钟16分频
0	10	系统时钟64分频
0	11	系统时钟128分频
1	00	系统时钟2分频
1	01	系统时钟8分频
1	10	系统时钟32分频
1	11	系统时钟64分频

通过直接访问寄存器改写以上程序为：

// ShiftOutLed_reg.ino
void setup() {
  DDRB |= (1 << PB3) | (1 << PB5);
  DDRC |= (1 << PC0);
  
  PORTC &= ~(1 << PC0);
  SPCR = 0x77;
  SPDR = 0xaa;
  PORTC |= (1 << PC0);
}

void loop() {
}

3. 两线串行接口

两线串行接口同样也是一种同步的串行通信方式，它的读和写时序如下图所示：

由于主机先发送从机地址，从机应答后再发送其他数据，因此两线串行接口不需要类似于串行外设接口的选择信号线；又因为采用半双工的通信方式，两线串行接口只需要一条数据线，所以一个两线串行接口设备一般只需要2条信号线，即时钟信号线SCL和数据信号线SDA。

两线串行接口可以工作在主机发送模式，主机接收模式，从机发送模式或从机接收模式，Arduino IDE的Wire库提供了这四种模式的示例，我们主要关注主机发送模式和主机接收模式，下面是这两个示例：

// master_writer.ino
#include <Wire.h>

void setup() {
  Wire.begin();
}

byte x = 0;

void loop() {
  Wire.beginTransmission(8);
  Wire.write("x is ");
  Wire.write(x);
  Wire.endTransmission();

  x++;
  delay(500);
}

// master_reader.ino
#include <Wire.h>

void setup() {
  Wire.begin();
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  Wire.requestFrom(8, 6);

  while (Wire.available()) {
    char c = Wire.read();
    Serial.print(c);
  }

  delay(500);
}

与两线串行接口主机相关的Arduino库函数有：

Wire.begin()：作为主机打开两线串行接口

Wire.beginTransmission(address)：开始向指定地址从机传输数据

address：指定从机的地址

Wire.write(val)：向从机发送数据

val：发送的数据

Wire.endTransmission()：结束向从机发送数据

Wire.requestFrom(address, quantity)：向指定地址从机请求指定字节数的数据

address：指定从机的地址

quantity：指定请求的字节数

Wire.available()：判断两线串行接口的缓冲区内是否有数据

函数返回两线串行接口缓冲区内数据的字节数

Wire.read()：读取两线串行接口输入的数据

函数返回两线串行接口输入数据的一个字节

ATMega328P的两线串行接口的主机模式由3个相关寄存器控制。两线串行接口波特率寄存器TWBR的计算公式是：

其中，TWPS是预分频系数，它由两线串行接口状态寄存器TWSR中的TWPS[1:0]位设置，寄存器的结构如下图所示：

TWS7

TWS6

TWS5

TWS4

TWS3

TWPS1

TWPS0

两线串行接口控制寄存器TWCR的结构如下图所示：

TWINT

TWEA

TWSTA

TWSTO

TWWC

TWEN

TWIE

向TWI使能位TWEN写入1则启用两线串行接口，写入0则禁用；向起始信号使能位TWSTA或停止信号使能位TWSTO写入1，则会产生起始信号或停止信号，停止条件产生后，TWSTO位会自动清零。

TWI中断标志位被置1表示产生了相关事件的中断，通过判断TWSR寄存器高5位的值可以判断中断事件，如下表所示：

主机发送模式（TWPS[1:0] = 00）	主机接收模式（TWPS[1:0] = 00）
状态码	状态	状态码	状态
0x08	START已发送	0x08	SATRT已发送
0x10	重复START已发送	0x10	重复START已发送
0x18	SLA+W已发送，接收到ACK	0x38	SLA+R或NOT ACK仲裁失败
0x20	SLA+W已发送，接收到NOT ACK	0x40	SLA+R已发送，接收到ACK
0x28	数据已发送，接收到ACK	0x48	SLA+R已发送，接收到NOT ACK
0x30	数据已发送，接收到NOT ACK	0x50	接收到数据，已产生ACK
0x38	SLA+W或数据的仲裁失败	0x58	接收到数据，已产生NOT ACK

通过直接访问寄存器改写以上程序为：

 // master_writer_reg.ino
 #define READ        0x01
 #define WRITE        0x00
 void twi_write(byte address, byte val);
 
 void setup() {
   TWSR &= ~(1 << TWPS1) & ~(1 << TWPS0);
   TWBR = 0x48;
 }
 
 byte x = 0;
 
 void loop() {
   twi_write(8, x);
 
   x++;
   delay(500);
 }
 
 void twi_write(byte address, byte val) {
   // 发送开始
   TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWSTA) | (1 << TWEN);
   while (!(TWCR & (1 << TWINT)));
   if ((TWSR & 0xf8) != 0x08) {
     TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWEN) | (1 << TWSTO);
     return;
   }
 
   // 发送从机地址
   TWDR = (address << 1) | WRITE;
   TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWEN);
   while (!(TWCR & (1 << TWINT)));
   if ((TWSR & 0xf8) != 0x18) {
     TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWEN) | (1 << TWSTO);
     return;
   }
 
   // 发送数据
   TWDR = val;
   TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWEN);
   while (!(TWCR & (1 << TWINT)));
   if ((TWSR & 0xf8) != 0x28) {
     TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWEN) | (1 << TWSTO);
     return;
   }
 
   // 发送停止
   TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWEN) | (1 << TWSTO);
 }
 
 // master_reader_reg.ino
 #define READ        0x01
 #define WRITE        0x00
 
 byte data;
 void twi_read(byte address);
 
 void setup() {
   TWSR &= ~(1 << TWPS1) & ~(1 << TWPS0);
   TWBR = 0x48;
 
   Serial.begin(9600);
 }
 
 void loop() {
   twi_read(8);
   Serial.print(data);
 
   delay(500);
 }
 
 void twi_read(byte address) {
   // 发送开始
   TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWSTA) | (1 << TWEN);
   while (!(TWCR & (1 << TWINT)));
   if ((TWSR & 0xf8) != 0x08) {
     TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWEN) | (1 << TWSTO);
     return;
   }
 
   // 发送从机地址（伪写）
   TWDR = (address << 1) | WRITE;
   TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWEN);
   while (!(TWCR & (1 << TWINT)));
   if ((TWSR & 0xf8) != 0x18) {
     TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWEN) | (1 << TWSTO);
     return;
   }
 
   // 发送重复开始
   TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWSTA) | (1 << TWEN);
   while (!(TWCR & (1 << TWINT)));
   if ((TWSR & 0xf8) != 0x10) {
     TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWEN) | (1 << TWSTO);
     return;
   }
  
   // 发送从机地址（读）
   TWDR = (address << 1) | READ;
   TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWEN);
   while (!(TWCR & (1 << TWINT)));
   if ((TWSR & 0xf8) != 0x40) {
     TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWEN) | (1 << TWSTO);
     return;
   }
 
   // 读取数据
   TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWEN);
   while (!(TWCR & (1 << TWINT)));
   if ((TWSR & 0xf8) != 0x58) {
     TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWEN) | (1 << TWSTO);
     return;
   }
   data = TWDR;
 
   // 发送停止
   TWCR = (1 << TWINT) | (1 << TWEN) | (1 << TWSTO);
 }

标签： UART SPI I2C

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