[MSP430] 3.UART

这一节我们将会看到如何在 MSP430 Launchpad 上使 用 UART 进行通信。我们的程序将会实现通过 UART 从 PC 读入一个字节的数据,然后发送相应的反馈字节给 PC。通信 模式为 115200 波特率,全双工,8 位数据,无奇偶校验,1 位停止位。

MSP430 G2553(Launchpad 使用的芯片)是 MSP430 家 族中比较给力的芯片,它集成了硬件 UART 模块。
UART 通信在处理/调试传感器的时候尤为有用,举一个简单的 例子,我们可以用温度传感器采集数据,经过 AD 转换之后通过 UART 发送给 PC,传送的方式可以是有线,也可以使用无线例如蓝牙。
让我们直接进入正题吧。

首先,你应该已经熟悉了这样的开头:

#include "msp430g2553.h"
#define TXLED BIT0 
#define RXLED BIT6 
#define TXD BIT2 
#define RXD BIT1
const char string[] = { "Hello World\n" }; 
unsigned int i; //Counter

像前两节中所做的那样,程序开头包含 MSP430G2553 的头文 件,然后宏定义一些常数使得程序更具可读性。

接着我们定义了一个 char 类型数组(即一个 C String),存了 我们将要反馈给 PC 的信息(经典的 Hello World)。最后定义一个 计数变量,辅助反馈字符串的发送。

int main(void) {
  WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; // Stop WDT
  DCOCTL = 0; // Select lowest DCOx and MODx settings
  BCSCTL1 = CALBC1_1MHZ; // Set DCO
  DCOCTL = CALDCO_1MHZ;

这依然是大家熟悉的 main 函数的开始方法,首先关闭看门狗定 时器,之后的三行将单片机的内部时钟设置为 1MHz。接下来 UART 和板上所有其他外设都将使用 SMCLK 时钟(sub-main clock)。

  P2DIR |= 0xFF; // All P2.x outputs
  P2OUT &= 0x00; // All P2.x reset
  P1SEL |= RXD + TXD ; // P1.1 = RXD, P1.2=TXD
  P1SEL2 |= RXD + TXD ; // P1.1 = RXD, P1.2=TXD
  P1DIR |= RXLED + TXLED;
  P1OUT &= 0x00;

这里是配置输入输出引脚:
前两行我们把 PORT2 的所有引脚关闭。对于用不到的引脚,关 闭引脚是一个比较好的习惯,这样能有效地减少噪声和电流的消耗。
第3行和第4行将引脚P1.1和P1.2设置为UART模式。事 实上,P1SEL 和 P1SEL2 两个寄存器是一个多路选择器,它们将 P1 的引脚连接至不同的板载的外设上。但是注意,TXD 和 RXD 是固定引脚的,我们可以通过查 G2553 的数据手册找到对应的引脚。

最后两行是初始化板载 LED。

  UCA0CTL1 |= UCSSEL_2; // SMCLK
  UCA0BR0 = 0x08; // 1MHz 115200
  UCA0BR1 = 0x00; // 1MHz 115200
  UCA0MCTL = UCBRS2 + UCBRS0; // Modulation UCBRSx = 5
  UCA0CTL1 &= ~UCSWRST;  // **Initialize USCI state machine**
  UC0IE |= UCA0RXIE; // Enable USCI_A0 RX interrupt 
  _EINT();
  while(1)
  {}
}

这是 UART 的配置。第 1 行,如同前面所说的,我们选择 SMCLK 作为 UART 模块的时钟源,用来产生需要的波特率(当然, 你也可以选择其他的时钟源)。
UCA0BR0 和 UCA0BR1 用来选择波特率:你可以将这两个 寄存器存储的整数看做对时钟 SMCLK(1MHz)的分频。在我们 的配置下,产生的频率是 1MHz/8=125000Hz,而实际上我们需 要 115200 的波特率,所以在长时间的工作中会累积一定的误差。 如果配置为 9 的话波特率又会低于 115200。这时候就需要用到 UCA0MCTL 寄存器。
这个寄存器是起调节作用的,它会选择 8 和 9 之间的分频因子, 在通信中可以控制累积误差。如果分频因子为 8,有 125000- 115200=9600(+8.5%)的误差,如果分频因子为 9,有 115200-111111=4089(-3.6%)的误差。

调节器差不多会这样工作：

位数	分频因子	误差（％）	累积误差（%)
1	8	+8.5	+8.5
2	9	-3.6	+4.9
3	9	-3.6	+1.3
4	9	-3.6	-2.3
5	8	+8.5	+6.2
……	……	……	……

在 MSP430 的编程手册(User Guide)上可以找到一张表, 列出了 SMCLK 典型频率和常用波特率下,UART 收发数据时期望 的最小和最大的误差率。根据表格我们选择 5 作为调节值。
然后我们使能所有中断,进入循环。

#pragma vector=USCIAB0RX_VECTOR
__interrupt void USCI0RX_ISR(void)
{
  P1OUT |= RXLED;
  if (UCA0RXBUF == 'a') // 'a' received?
  {
    i = 0;
    UC0IE |= UCA0TXIE;  // Enable USCI_A0 TX interrupt
    UCA0TXBUF = string[i++];
  }
  P1OUT &= ~RXLED;
}

这是当 UART 接收到数据时的中断处理程序。如果你看过了 指导书的第二部分,你应该对中断的概率比较熟悉了。
在中断处理程序中,我们先点亮一个 LED,表示单片机已经 接收到一个字节。然后我们读 UCA0RXBUF 寄存器,这个寄存器 存储了收到的数据。
如果收到的数据为’a’,那么就重置计数变量 i,打开发送中 断向 PC 发送反馈字符串。
当我们把字符串的第一个字符放入 UCA0TXBUF 时,这个寄 存器就会做好准备将数据发送出去。

在这个中断处理程序的最后,记得关闭 LED,表示接收中断 处理完毕。

#pragma vector=USCIAB0TX_VECTOR 
__interrupt void USCI0TX_ISR(void)
{
  P1OUT |= TXLED;
  UCA0TXBUF = string[i++]; // TX next character
  if (i == sizeof(string) - 1) // TX over?
  {
    UC0IE &= ~UCA0TXIE; // Disable USCI_A0 TX interrupt
  }
  P1OUT &= ~TXLED;
}

这是UART的发送中断处理程序。和刚才一样,我们点亮一个 LED表示进入发送中断。
我们将要发送的下一个字符放入缓存区中。如果字符串没有结束, 关闭LED,中断处理程序结束。待当前字节发送结束后,发送中断会被再一次触发(因为buffer中还有待发送的数据)。如果反馈字 符串已经全部载入buffer中,我们就可以关闭发送中断,回到主程序中。

烧代码看效果吧!

提示:通信时PC与单片机的互动可以在PC端下载一个串口助手, 比较经典是sscom。串口助手是调试单片机程序的利器!

以下是这一节的完整代码:

#include "msp430g2553.h"
#define TXLED BIT0 
#define RXLED BIT6 
#define TXD BIT2 
#define RXD BIT1
const char string[] = { "Hello World\n" }; 
unsigned int i; //Counter
int main(void)
{
  WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; // Stop WDT
  DCOCTL = 0; // Select lowest DCOx and MODx settings
  BCSCTL1 = CALBC1_1MHZ; // Set DCO
  DCOCTL = CALDCO_1MHZ;
  P2DIR |= 0xFF; // All P2.x outputs
  P2OUT &= 0x00; // All P2.x reset
  P1SEL |= RXD + TXD ; // P1.1 = RXD, P1.2=TXD
  P1SEL2 |= RXD + TXD ; // P1.1 = RXD, P1.2=TXD
  P1DIR |= RXLED + TXLED;
  P1OUT &= 0x00;
  UCA0CTL1 |= UCSSEL_2; // SMCLK
  UCA0BR0 = 0x08; // 1MHz 115200
  UCA0BR1 = 0x00; // 1MHz 115200
  UCA0MCTL = UCBRS2 + UCBRS0; // Modulation UCBRSx = 5
  UCA0CTL1 &= ~UCSWRST; // **Initialize USCI state machine**
  UC0IE |= UCA0RXIE; // Enable USCI_A0 RX interrupt 
  _EINT();
  while (1)
  {}
}

#pragma vector=USCIAB0RX_VECTOR
__interrupt void USCI0RX_ISR(void)
{
  P1OUT |= RXLED;
  if (UCA0RXBUF == 'a') // 'a' received?
  {
    i = 0;
    UC0IE |= UCA0TXIE;  // Enable USCI_A0 TX interrupt
    UCA0TXBUF = string[i++];
  }
  P1OUT &= ~RXLED;
}

#pragma vector=USCIAB0TX_VECTOR 
__interrupt void USCI0TX_ISR(void)
{
  P1OUT |= TXLED;
  UCA0TXBUF = string[i++]; // TX next character
  if (i == sizeof(string) - 1) // TX over?
  {
    UC0IE &= ~UCA0TXIE; // Disable USCI_A0 TX interrupt
  }
  P1OUT &= ~TXLED;
}