Sériové komunikačné rozhranie
Zo stránky SensorWiki
TODO: prerobit na verziu 2021
Sériové komunikačné rozhranie (UART)
Úlohy
- Nakonfigurujte USART na asynchrónnu prevádzku s parametrami N,9600,8,1
- Vyskúšajte demonštračný program, na strane PC použite terminál
- Vytvorte si knižnice pre prácu so sériovou linkou, preštudujte využitie knižnice <stdio.h> a demonštrujte.
- Oboznámte sa s programom StampPlot a zobrazte časový priebeh.
Literatúra:
2021
- 1AVR306: Using the AVR® UART in C with examples.
- 8-bit AVR Microcontrollers AVR306: Using the AVR USART on tinyAVR andmegaAVR devices. Atmel Application Note.
- AVR304: Half Duplex Interrupt Driven Software UART Application note.
- Using the USART with AVR-GCC
- Interrupt driven USARTs
- Ako používať USART: knižnica a príklady...
- Ako nastaviť prenosovú rýchlosť - tabuľky s odchýlkami http://ruemohr.org/~ircjunk/avr/baudcalc/avrbaudcalc-1.0.8.php?postbitrate=9600&postclock=16
1. Základný princíp prenosu cez USART
Ukážkový program v ktorom je všetko pohromade: inicializácia, príjem aj vysielanie.
#include <avr/io.h>
#define BAUDRATE 9600
#define BAUD_PRESCALE (((F_CPU / (BAUDRATE * 16UL))) - 1)
int main (void)
{
char ReceivedChar;
/* Initialize UART */
UBRR0 = (unsigned char)BAUD_PRESCALE; // Set baud rate: Load the UBRR register
UCSR0B = (1 << RXEN0) | (1 << TXEN0); // Enable receiver and transmitter
UCSR0C = (1<<USBS0)|(3<<UCSZ00); // Set format: 8data, 2stop bit
for (;;) // Loop forever
{
while ((UCSR0A & (1 << RXC0)) == 0) // Wait for data to be received
{
// Do nothing until data have been recieved and is ready to be read from UDR
};
ReceivedChar = UDR0; // Fetch the recieved byte
while ( !( UCSR0A & (1<<UDRE0)) ) // Wait for empty transmit buffer
{
// Do nothing until UDR is ready for more data to be written to it
};
UDR0 = ReceivedChar+1; // Echo back the modified received byte
}
}
Ak vám program fungoval, nahrajte ho do procesora a otestujte komunikáciu s terminálom.
Na prácu so sériovou linkou na vašom PC odporúčame program Terminal by Bray, ale môžete
to skúsiť aj s Hyperterminálom.
2. Jednoduchá knižnica
Nebudeme sa zaoberať detailmi implementácie sériového komunikačného rozhrania procesorov AVR, pre naše účely postačí jednoduchá knižnica, ktorá obsahuje základné funkcie na prenos jedného znaku. Parametre prenosu pre túto knižnicu sú 9600,n,8,1.
serial.h
/* ************************************************************************* */
/* FileName : serial.h */
/* ************************************************************************* */
void inituart( void );
void sendchar( unsigned char );
unsigned char recchar( void );
serial.c
/* ************************************************************************* */
/* */
/* Description : UART communication routines */
/* Based on AppNote AVR109 - Self-programming */
/* */
/* FileName : serial.c */
/* */
/* ************************************************************************* */
#include <avr\io.h>
// Following calculation assumes that F_CPU is assigned in 'Project/Options'
#define BAUDRATE 9600
#define BAUD_PRESCALE (((F_CPU / (BAUDRATE * 16UL))) - 1)
/* definitions for UART control */
// Valid for ATmega328
#define BAUD_RATE_REG UBRR0 //
#define UART_STATUS_REG UCSR0A // OK, checked (but also control reg.)
#define UART_CONTROL_REG_B UCSR0B // OK, checked
#define UART_CONTROL_REG_C UCSR0C // Added for mode setting
#define ENABLE_TRANSMITTER_BIT TXEN0 // OK, checked
#define ENABLE_RECEIVER_BIT RXEN0 // OK, checked
#define DATA_REGISTER_EMPTY_BIT UDRE0 // Added, for possible speed-up
#define TRANSMIT_COMPLETE_BIT TXC0 // OK, checked
#define RECEIVE_COMPLETE_BIT RXC0 // OK, checked
#define UART_DATA_REG UDR0 // OK, checked
void inituart(void)
{
BAUD_RATE_REG = (unsigned char)BAUD_PRESCALE; // Set baud rate: Load the UBRR register
UART_CONTROL_REG_B = (1 << ENABLE_RECEIVER_BIT)|
(1 << ENABLE_TRANSMITTER_BIT); // Enable receive + transmit
UART_CONTROL_REG_C = (3<<UCSZ00); // Added: Async. UART, None
// Parity, 8-data, 1 stopbit
}
void sendchar(unsigned char c)
{
UART_DATA_REG = c; // prepare transmission
while (!(UART_STATUS_REG & (1 << TRANSMIT_COMPLETE_BIT)));// wait until byte sendt
UART_STATUS_REG |= (1 << TRANSMIT_COMPLETE_BIT); // delete TXCflag
}
unsigned char recchar(void)
{
while( !(UART_STATUS_REG & (1 << RECEIVE_COMPLETE_BIT)) ); // wait for data
return UART_DATA_REG;
}
Testovací program:
main.c
#include <avr\io.h>
#include "serial.h" // Nasa kniznica...
int main(void)
{
char c;
DDRD = 0b00000010;
PORTD = 0b00000011; // Set TxD pin as an output, RxD input
inituart();
sendchar('O');
sendchar('K');
sendchar('\n');
for (c=32;c<=127;c++)
sendchar(c);
for (;;) {
/* Do nothing */
}
}
printf() na jednočipe?
Ak si napíšete vlastnú funkciu na zobrazenie jedného znaku na displej, alebo pre vyslanie jedného znaku po sériovej linke, potom môžete používať naozaj aj funkciu printf so všetkými jej vymoženosťami. Využívame pre tom knižnicu stdio.h, ktorá sa používa takto:
...
#include <stdio.h>
FILE mystdout = FDEV_SETUP_STREAM(sendchar, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE);
// 'sendchar' je nova funkcia pre jeden znak
int main(void)
{
inituart(); // Inicializacia seriovej linky
stdout = &mystdout; // Odteraz funguje printf();
printf("Hello, world!");
return 0;
}
Takto potom môžete používať naozaj aj funkciu printf() so všetkými jej vymoženosťami... Úplne rovnako sa dá implementovať printf() aj na LCD displej, len ho treba na začiatku zinicializovať a namiesto funkcie sendchar napísať niečo ako LCDsendchar().
Kompletný vstup/výstup potom vyzerá takto:
FILE uart_output = FDEV_SETUP_STREAM(sendchar, NULL, _FDEV_SETUP_WRITE);
FILE uart_input = FDEV_SETUP_STREAM(NULL, recchar, _FDEV_SETUP_READ);
int main(void) {
inituart();
stdout = &uart_output;
stdin = &uart_input;
char input;
while(1) {
puts("Hello world!");
input = getchar();
printf("You wrote %c\n", input);
}
return 0;
}
Pozn.: pre MiniMEXLE - Prevod TTL úrovní na RS-232 je realizovaný takto - schéma zapojenia, ktorá vychádza z tohoto návodu.
Terminál
Terminál je jednoduché elektronické zariadenie, ktoré slúži na komunikáciu s počítačom. Vytvára tak vzdialené užívateľské rozhranie (angl. Human-Machine Interface, HMI), cez ktoré je možné počítač ovládať, spúšťať programy, zadávať vstupné dáta (klávesnicou) a zobrazovať výstupy (na monitore). Zjednodušene si ho môžeme predstaviť, ako klávesnicu a monitor osobného počítača, pričom samotný počítač na ktorom pracujeme sa nachádza niekde inde - napr. aj v inej budove. Ku jednému takémuto počítaču je obvykle pripojených viacero terminálov (aj niekoľko desiatok). Pôvodné terminály boli znakové a pripájali sa k počítaču pomocou sériovej linky, telefónneho modemu, neskôr aj počítačovej siete. Neskôr vznikli aj grafické terminály, označované aj ako tenký klient (thin client).
Jedným z prvých (1978) sériovo vyrábaných terminálov bol typ VT100 (Video Terminal) spoločnosti Digital Equipment Corporation (DEC). Ako jeden z prvých podporoval tzv. ANSI sekvencie pre riadenie pohybu kurzora na obrazovke. V súčasnosti sa hardvérové terminály už prakticky nepoužívajú, jednoduchšie je využívať softvérové emulátory, ktorých je k dispozícíí niekoľko desiatok (napr. PuTTY, xterm, konsole, Br@y Terminal a mnoho ďalších).
Na príjem a vysielanie znakov na strane PC máme k dispozícii niekoľko takýchto emulátorov (pozn. pre školské počítače: len niektoré z nich umožňujú spustenie pod Windows bez administrátorského oprávnenia - napr. Br@y Terminal). Jedným z najdôležitejších rozlišovacích znakov pre terminálové programy je možnosť rozdeliť okno na vysielacie a prijímacie alebo spoločné okno pre oba kanály.
Serial Terminal by Bray
Na testovanie a prvé pokusy so sériovým rozhraním sa vám určite zíde aj nejaký terminálový program, masochisti môžu použiť aj Hyperterminál z Windows. Terminál je jednoduchý program, v ktorom sa zobrazujú všetky prijaté znaky a naopak, je možné nejaké iné znaky odvysielať. Dajú sa samozrejme aj nastaviť základné komunikačné parametre.
- Terminal by Bray++, neinštaluje sa, len spustí.
- Terminal -- lokálna kópia
Ukážka práce s Terminalom vrátane správneho nastavenia parametrov
Núdzové riešenie: cmd.exe
V núdzi vám možno pomôže aj obyčajný príkazový riadok. Takto ho prepneme do režimu, v ktorom bude prijímať znaky zo sériovej linky:
mode com5: baud=9600 parity=None data=8 stop=1
copy com5 con:
Režim sa ukončí Ctrl+Z alebo Ctrl+C.
Poslať pár znakov z príkazového riadku sa dá takto:
echo X > com5
Pre čísla portov nad 9 treba použiť \\.\COM22
Žiaľ, nepoznám spôsob, ako uskutočniť prenos oboma smermi.
3. Vizualizácia
Vizualizáciu dát môžeme robiť rozlične. Jeden z možných spôsobov je vypisovať po sériovej linke v pravidelných intervaloch holé data a tie potom uložiť ako maticu do Matlabu a tam nakresliť graf, priebeh, čo treba...
Iná možnosť je použiť napr. program StampPlot, ktorý kreslí prichádzajúce data
priamo ako graf, s výnimkou reťazcov, ktoré začínajú znakom '!', tie považuje za
konfiguračné príkazy.
- Download: StampPlotLite1.7
- Príklad: AVR StampPlotExample.c
- Manual: Stamp Plot Manual
Serial Plotter
Serial Plotter je trocha sofistikovanejší program ako Terminal, jeho úlohou je zakresliť graficky všetky prijaté informácie. Najjednoduchšie je posielať mu čísla, pričom ich môže byť aj viac, oddelených čiarkami. Každá jedna n-tica hodnôt musí končíť znakom pre nový riadok. V knižnici Serial použite bloky Serial Write Number pre čísla, Serial Write String pre čiarky a Serial Write Line pre ukončenie riadka. Neposielajte hodnoty príliš často, aby sa nepreplnil vstupný buffer.
Serial Studio
Serial Console je ešte sofistikovanejší program ako Serial Plotter, dokážeme s ním vytvárať rozličné panely s údajmi zoskupenými do rozličných skupín a s možnosťou grafického záznamu, použitia rozličných virtuálnych prístrojov a jednoduchou konfiguráciou.
