第4章：串口通信实验

本章主要讲解使用CC2530的串口0与上位机进行字符串的发送与接收，读者将会学习到如何使用串口助手发送字符串到开发板，以及使用开发板发送字符串给串口助手并显示出来。

4.1 串口通信基础理论

4.1.1 USART
全称为Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，即通用串行 同步/异步 接收/发送器。CC2530内置两个USART，即USART0和USART1。USART中包含串行通信、同步通信和异步通信几个概念，接下来主要介绍一下。

4.1.2 并行通信和串行通信

• 并行通信是指同时发送各个数据位（bit），使用并行通信发送8个比特位的示意图如图所示。
  

• 串行通信是指一个接一个地发送各个比特位，通过串行通信发送8个比特位的示意图如图所示。
  

一般地，并行通信的速度比串行通信的速度更快，但所需要的数据引脚也更多。

4.1.3 异步通信与同步通信
举个简单的例子来说明异步通信与同步通信的主要区别：
（1）异步通信类似于手机发短信，其特点是随时可以发送，而且每次只能发送一条消息。
（2）同步通信类似于手机打电话，其特点是必须在对方接通后才能通话，而且在对方接通后想聊天（通信）多久都可以。

1.异步通信的特点
（1）接收设备要时刻做好接收数据的准备。
（2）发送设备随时可以发送数据。
（3）发送设备每次只能发送一个数据帧，即一段较长的数据需要被划分成多个数据帧，且数据帧的组成格式规定如下：
A.1个起始位。
B.5、7或8个数据位，即要传送的信息。
C.1个奇偶校验位。
D.1～2个停止位，规定为1。

异步通信的示意图如图所示。

数据帧格式如图所示。

2. 同步通信的特点
（1）发送设备在发送消息前必须要先和接收设备做时钟频率同步。
（2）发送设备每次发送的是数据块（可以理解为多个字节），且消息格式如下：
A. 2个同步字符作为一个数据块的起始标志。
B. 多个连续传输的数据字节。
C. 2个字节的CRC码。CRC的全称是Cyclical Redundancy Check（循环冗余校验），是数据通信领域中常用的一种差错校验码，数据的接收者可以根据此码来判断所接收到数据是否发生错乱。

同步通信的示意图如图所示。

数据块的格式如图所示。

3. UART
UART的全称是Universal Asynchronous Receiver/Transmitter（通用串行异步收发器），也称作串口，可以理解为在USART的基础上去掉了同步通信的支持，通常用于主机与嵌入式设备之间的通信，例如配套的ZigBee开发板便可以使用UART与PC主机通信。

4. SPI
SPI的全称是Serial Peripheral Interface（串行外设接口），USART的一种，是一种具有速度快、全双工和同步通信特点的通信总线。

4.2 相关寄存器

CC2530有两个串口，分别是串口0和串口1。本小节以串口0为例讲解如何使用串口通信。P0_2和P0_3可以分别用作串口0的RX（接收端）和TX（发送端）。另外，P1_5和P1_4也可以分别用作串口0的TX和RX。由于ZigBee开发板默认使用了P0_2和P0_3，所以需要配置P0_2和P0_3的相关寄存器。
4.2.1 U0CSR
U0CSR是USART0控制和状态寄存器，其各个位的作用如下：
（1）Bit[7]表示USART模式，值为0表示SPI模式，值为1表示UART模式。
（2）Bit[6]表示是否启用UART接收器，值为0表示禁用接收器，值为1表示启动接收器。
（3）Bit[5]表示SPI 主机或者从机模式，值为0表示SPI主模式，值为1表示SPI从模式。
（4）Bit[4]表示UART 帧的停止位错误状态，值为0表示无错误，值为1表示有错误。
（5）Bit[3]表示UART奇偶错误状态，值为0无错误，值为1表示有错误。
（6）Bit[2]表示传送字节状态，值为0表示没有收到字节，值为1表示准备好接收字节。
（7）Bit[1]表示传送字节状态，值为0表示字节没有被传送，值为1表示写到数据缓存寄存器的最后字节被传送。
（8）Bit[0]，USART传送/接收主动状态、在 SPI 从模式下该位等于从模式选择，0：USART 空闲 ，1：USART 忙碌。
4.2.2 U0GCR
U0GCR是USART0通用控制寄存器，其各个位的作用如下：
（1）Bit[7]表示SPI的时钟极性，值为0表示负时钟极性，值为1表示正时钟极性。
（2）Bit[6]表示SPI 时钟相位，值为0表示当SCK从CPOL倒置到CPOL时数据输出到MOSI，并且当SCK从CPOL倒置到CPOL时数据输入抽样到MISO；值为1表示当SCK从CPOL倒置到CPOL时数据输出到MOSI，并且当SCK从CPOL倒置到CPOL时数据输入抽样到 MISO。
（3）Bit[5]表示传送位顺序，值为0表示LSB 先传送，值为1表示MSB 先传送。
（4）Bit[4:0]表示波特率指数值BAUD_E。

4.2.3 U0BAUD
表示波特率小数部分的值BAUD_M，BAUD_E和BAUD_M决定了UART的波特率和SPI的主SCK时钟频率。

4.2.4 U0DBUF
U0DBUF是USART0的缓存寄存器，用于接收或发送数据时的缓存。

4.2.5 UTX0IF
UTX0IF是USART0的TX中断标志标志寄存器，值为0表示无中断未决，值为1表示中断未决。

4.2.6 URX0IE
URX0IE是USART0的RX 中断使能寄存器，值为0表示中断禁止，值为1表示中断使能。

4.2.7 CLKCONCMD
CLKCONCMD是时钟控制命令寄存器，其各个位的作用如下：
（1）Bit[7]用于配置32 kHz 时钟振荡器，值为0表示32 kHz XOSC，值为1表示32 kHz RCOSC。
（2）Bit[6]用于配置系统时钟源，值为0表示32 MHz XOSC，值为1表示16 MHz RCOSC。
（3）Bit[5:3]用于配置定时器标记输出，配置方式见表。

（4）Bit[2:0]用于配置时钟速度，配置方式见表。

4.2.8 CLKCONSTA
CLKCONSTA寄存器是一个只读寄存器，用来获取当前时钟状态。

4.2.9 PERCFG
PERCFG是外设控制器，其中的第0位用于配置USART0的位置，值为0表示使用位置1，即使用P0_2和P0_3；值为1表示使用位置2，即使用P1_4和P1_5。

4.2.10 P2DIR
P2DIR用于控制端口2方向和端口0外设功能优先级，其中的Bit[7:6]用于控制端口0的外设功能优先级，值为00时表示端口0优先用作USART0。

4.2.11 URX0IF
URX0IF是串口0 RX中断标志寄存器，其中的Bit[1]用于USART0接收中断标志位。
配套的视频课程将会详细讲解以上的寄存器

4.3 配置串口0

根据上述的相关寄存器说明，串口0的配置步骤如下：
（1）通过外设控制寄存器PERCFG配置串口0的位置，即配置P0_2和P0_3用作外设接口而不是普通IO口，接着配置P0优先用作USART0，代码如下：

PERCFG = 0x00;//配置P0_2和P0_3用作串口0的TX（发送端）和RX（接收端）
P0SEL  = 0x3c;//配置P0_2和P0_3用作外设功能，而不是GPIO
P2DIR &= ~0xc0;//配置端口0优先用作USART0

（2）设置USART0工作模式为UART0，代码如下：

U0CSR |= 0x80;

（3）把串口通信的波特率配置115200，配置代码如下：

U0GCR  |= 11;//BAUD_E  
U0BAUD |= 216;//BAUD_M

其中的常用波特率配置见表。

（4）配置中断相关寄存器，代码如下：

UTX0IF = 0;// 清零UART0发送中断标志位    
URX0IF = 0;// 清零UART0接收中断标志位  
URX0IE = 1;//使能串口0接收中断  
EA = 1;//打开中断总开关

（5）启用串口0的数据接收功能，代码如下：

U0CSR |= 0x40;//启用数据接收功能

4.4 写串口数据收发的实现

打开本实验代码中的uart0.c文件，可以找到main函数，代码如下：

//2. 51单片机入门/4. 串口通信实验/Workspace/code/uart/uart0.c
void main()
{
    setSystemClk32MHZ();//设置系统时钟频率为32MHz
    initUart0();//初始化串口0
    while(1) { }
}

4.4.1 setSystemClk32MHZ函数
在默认情况下，如前面章节所述CC2530的时钟频率为16MHz。开发者可以使用32MHz的外部晶振作为系统的时钟源，让CC2530的时钟频率提升至32MHz，从而提升CC2530的处理速度。配置步骤如下：
（1）通过CLKCONCMD配置外部的32MHz晶振作为系统时钟源。
（2）等待时钟源稳定。
（3）通过CLKCONCMD设置系统时钟频率为32MHz。
对应的配置代码如下：

/** @brief    设置系统时钟为32MHz
 */
#define setSystemClk32MHZ() do {
    CLKCONCMD &= ~0x40;
    while(CLKCONSTA & 0x40);
    CLKCONCMD &= ~0x47;
} while(0)

4.4.2 串口0的初始化
通过以上分析，串口0初始化函数initUart0的定义代码如下：

/*
 * 初始化串口0
 */
static void initUart0(void)  
{  
    PERCFG = 0x00;//配置P0_2和P0_3用作串口0的TX（发送端）和RX（接收端）
    P0SEL  = 0x3c;//配置P0_2和P0_3用作外设功能，而不是GPIO
    P2DIR &= ~0xc0;//配置端口0优先用作USART0
    U0CSR |= 0x80;//设置USART0工作模式为UART0
    /* 设置波特率为115200 */  
    U0GCR  |= 11;//BAUD_E  
    U0BAUD |= 216;//BAUD_M  
    UTX0IF = 0;// 清零UART0发送中断标志位    
    URX0IF = 0;// 清零UART0接收中断标志位  
    URX0IE = 1;//使能串口0接收中断  
    EA = 1;//打开中断总开关
    U0CSR |= 0x40;//启用数据接收功能
}

4.4.3 串口0的数据接收
在初始化串口0后，CC2530从串口0中接收到数据后便会产生中断。开发者只需要在对应的中断处理函数中处理接收到的数据即可，代码如下：

#pragma vector = URX0_VECTOR 
__interrupt void URX0_ISR(void)  
{  
    uint8_t rxChar;
    URX0IF = 0;//清零中断标志位
    rxChar = U0DBUF;//U0DBUF存放了从串口0接收到的数据
    uart0Send(&rxChar, 1); //通过串口0发送数据，即把从串口0接收到的数据又从串口0发送回去
}

4.4.4 串口0的数据发送
可以使用串口0发送数据给上位机（例如串口助手），发送一个字节的步骤如下：
（1） 把数据存放到串口0数据缓存寄存器U0DBUF中，U0DBUF中的数据会自动通过串口0发送出去。
（2）等待发送完成，数据发送完成后中断标志位被置为1。
（3）清零这个中断标志位。

在前面的串口数据接收中断处理函数中调用了uart0Send，uart0Send是由笔者编写的一个串口0数据发送函数，其函数定义代码如下：

/**
 * @fn      uart0Send
 * 
 * @brief    通过串口0发送数据
 *
 * @param pMsg - 待发送数据的地址
 * @param msgLen - 待发送数据的长度，以字节为单位
 *
 * @return     none
 */
static void uart0Send(uint8_t *pMsg, uint8_t msgLen)  
{  
    uint8_t i;  
    for (i = 0; i < msgLen; i++) {  
        U0DBUF = pMsg[i];//把数据存放到串口0数据缓存寄存器U0DBUF中
        while (UTX0IF == 0);//等待发送完成
        UTX0IF = 0;//清零中断标志位
    }  
}

4.5 调试仿真

可以运行本实验代码以观察运行结果，操作步骤如下：
（1）编译链接本实验代码后，把程序烧录到ZigBee开发板中。
（2）由于程序需要使用到串口0，因此如果使用ZigBee标准板测试，需把拨码开关的第1和2位分别打到URX和UTX端，第3、4、5和6位打到ERX、ETX、P02和P03端，如图所示。

如果使用ZigBee Mini板测试，无需另外配置。

（3）打开友善串口调试助手，并且使用Micro USB线把开发板连接到电脑。按如图所示设置波特率、数据位、校验位、停止位和流控，以及发送/接收的字符编码方式，然后点击“启动”按钮。

（4）在图所示输入框中输入字符串并点击发送，可以看到从串口助手发送给开发板的数据又会从开发板发送回来。
如您还没有安装串口调试助手，请到《第一部分》章节中根据提示下载安装