8. Универсальные асинхронные последовательные средства связи

В настоящее время в электронной промышленности существует очень большое количество протоколов последовательной связи и аппаратных интерфейсов. Большинство из них ориентированы на высокую пропускную способность, например, новейшие стандарты USB 2.0 и 3.0, Firewire (IEEE 1394) и другие. Некоторые из этих стандартов пришли из прошлого, но все еще широко распространены, особенно в качестве интерфейса связи между модулями на плате. Одним из них является интерфейс универсального синхронно-

асинхронного приемопередатчика (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter),

также известного как USART.

Почти каждый микроконтроллер имеет как минимум одно периферийное устройство UART. Почти все микроконтроллеры STM32 предоставляют по крайней мере два интерфейса UART/USART, но большинство из них предоставляют более двух интерфейсов (иногда до восьми интерфейсов) в зависимости от количества I/O, предоставляемых корпусом микроконтроллера.

В данной главе мы увидим, как запрограммировать это достаточно полезное периферийное устройство с помощью CubeHAL. Кроме того, мы будем изучать, как разрабатывать приложения с использованием UART как в режиме опроса, так и в режиме прерываний, оставляя третий рабочий режим, DMA, следующей главе.

8.1. Введение в UART и USART

Прежде чем приступить к анализу функций, предоставляемых HAL для управления универсальными устройствами последовательной связи, лучше всего кратко взглянуть на интерфейс UART/USART и его протокол связи.

Когда нам нужно обмениваться данными между двумя (или даже более) устройствами в обе стороны, у нас есть два возможных варианта: мы можем передавать их параллельно, то есть используя определенное количество линий связи, равное размеру каждого слова данных (например, восемь независимых линий для слова, состоящего из восьми битов), или мы можем передавать каждый бит, составляющий наше слово, один за другим. UART/USART – это устройство, передающее параллельную последовательность битов (обычно сгруппированных в байтах) в непрерывном потоке сигналов, протекающих по одному проводу.

Когда информация передается между двумя устройствами по общему каналу, оба устройства (здесь для простоты мы будем называть их отправителем и получателем) должны договориться о временной выдержке (timing), т.е. о том, сколько времени требуется для передачи каждого отдельного бита информации. При синхронной передаче отправитель и получатель совместно используют общие синхронизирующие импульсы, сгенерированные одним из двух устройств (обычно это устройство, действующее как ведущее (master) данной системы взаимосвязи).

Рисунок 1: Последовательная связь между двумя устройствами с использованием общего источника синхронизирующих импульсов

На рисунке 1 приведена типовая временная диаграмма1, показывающая отправку Устройством A одного байта данных (0b01101001) последовательно на Устройство B, используя общий опорный тактовый сигнал. Общие синхронизирующие импульсы также используются для согласования того, когда начинать отсчет (выборку, англ. sampling) последовательности битов: когда ведущее устройство начинает тактировать специальную линию, это означает, что оно собирается отправить последовательность битов.

В синхронной передаче скорость и продолжительность передачи определяются синхронизирующими импульсами: их частота определяет, насколько быстро мы можем передать один байт по каналу связи2. Но если оба устройства, участвующие в передаче данных, договорились о том, сколько времени требуется для передачи одного бита и когда начинать и заканчивать отсчет передаваемых битов, мы можем избежать использования специальной отдельной линии синхронизации (CLK). В этом случае мы имеем асин-

хронную передачу.

Рисунок 2: Временная диаграмма последовательной связи без специальной линии синхронизации

На рисунке 2 показана временная диаграмма асинхронной передачи. Пассивное состояние (то есть передача не происходит) представлено высоким сигналом. Передача начинается со START-бита, который представлен низким уровнем. При обнаружении приемником отрицательного перепада фронта через 1,5 периода битов (обозначен T1.5bit на рисунке 2) начинается отсчет битов данных. Младший значащий бит (Least Significant Bit, LSB) обычно передается первым. Затем передается необязательный бит четности (для проверки битов данных на ошибки). Часто этот бит опускается, если предполагается, что канал передачи свободен от шума, или если на уровнях протоколов проверка ошибок выполняется выше. Передача заканчивается STOP-битом, который длится 1,5 бита.

1Временная диаграмма – это представление набора сигналов во временной области.

2Однако имейте в виду, что максимальная скорость передачи определяется многими другими факторами, такими как характеристики электрического канала, способность каждого устройства, участвующего в передаче, производить отсчет быстрых сигналов и т. п.

Рисунок 3: Разница в сигналах между USART и UART

Интерфейс универсального синхронного приемопередатчика – это устройство, способное передавать слово данных последовательно с использованием двух I/O, один из которых выступает в качестве передатчика (TX), а другой – в качестве приемника (RX), плюс один дополнительный вывод в качестве линии синхронизации, в то время как универсальный асинхронный приемопередатчик использует только два вывода RX/TX (см. рисунок 3).

Традиционно мы ссылаемся на первый интерфейс термином USART, а на второй –

UART.

UART/USART определяют метод передачи сигнала, но ничего не говорят о его уровнях напряжения. Это означает, что UART/USART микроконтроллера STM32 будут использовать уровни напряжения выводов I/O микроконтроллера, которые практически равны VDD (эти уровни напряжения также принято называть уровнями напряжения TTL). То, как эти уровни напряжения переводятся для обеспечения последовательной связи за пределами платы, зависит от других стандартов связи. Например, EIA-RS232 или EIARS485 являются двумя очень популярными стандартами, которые определяют напряжения сигналов в дополнение к их временной выдержке и значению, а также физические размеры и цоколевку разъемов. Кроме того, интерфейсы UART/USART могут использоваться для обмена данными с использованием других физических и логических последовательных интерфейсов. Например, FT232RL является очень популярной интегральной схемой, которая позволяет совместить интерфейс UART с интерфейсом USB, как показано на рисунке 4.

Наличие отдельной линии синхронизации или общего соглашения о частоте передачи не гарантирует, что приемник потока байтов сможет обрабатывать их с той же скоростью передачи, что и у ведущего устройства. По этой причине некоторые стандарты связи, такие как RS232 и RS485, предоставляют возможность использовать отдельную линию

аппаратного управления потоком данных (Hardware Flow Control). Например, два устрой-

ства, обменивающиеся данными с использованием интерфейса RS232, могут совместно использовать две дополнительные линии, называемые Запросом на передачу (Request To Send, RTS) и Готовностью к передаче (Clear To Send, CTS): отправитель устанавливает свою RTS, которая сообщает получателю о необходимости начать мониторинг своей входной