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：

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：

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：

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