ATmega16 單片機(jī)帶有一個(gè)全雙工的通用同步/異步串行收發(fā)模塊USART，該接口是一個(gè)高度靈活的串行通訊設(shè)備。其主要特點(diǎn)如下：
全雙工操作，可同時(shí)進(jìn)行收發(fā)操作；
支持同步或異步操作；
支持5、6、7、8 和9 位數(shù)據(jù)位，1 位或者2 位停止位的串行數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)；
三個(gè)完全獨(dú)立的中斷，TX 發(fā)送完成，TX 發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器空，RX 接收完成；
支持多機(jī)通訊模式；
相關(guān)寄存器：
USART 數(shù)據(jù)寄存器—UDR；
USART 控制和狀態(tài)寄存器—UCSRA，UCSRB，UCSRC；
波特率寄存器—UBRRL 和UBRRH；
串口背景知識(shí)
（1）串行通訊簡介
串行同步通訊容易理解，約定一個(gè)同步時(shí)鐘，每一時(shí)刻傳輸線上的信息就是要傳送的信息單元。串行異步通訊是把 一個(gè)字符看作一個(gè)獨(dú)立的信息單元，每一個(gè)字符中的各位是以固定的時(shí)間傳送。因此，這種傳送方式在同一字節(jié)內(nèi)部是同步的，而字符間是異步的。在異步通信中收 發(fā)雙方取得同步的方法是采用在字符格式中設(shè)置起始位，而在字符結(jié)束時(shí)發(fā)送1～2 個(gè)停止位。當(dāng)接收器檢測到起始位時(shí)，便能知道經(jīng)接著的是有效的字符位，于是開始接收字符，檢測到停止位時(shí)，就將接收到的有效字符裝載到接收緩沖器中。最簡單的串口通信使用3根線完成：（1）地線，（2）發(fā)送，（3）接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)在另一根線上接收數(shù)據(jù)。其他線用于握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。對(duì)于兩個(gè)進(jìn)行通行的端口，這些參數(shù)必須匹配：
a，波特率：這是一個(gè)衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的bit的個(gè)數(shù)。例如300波特表示每秒鐘發(fā)送300個(gè)bit。當(dāng)我們提到時(shí)鐘周期時(shí)，我們就是指波特率例如如果協(xié)議需要4800波特率，那么時(shí)鐘是4800Hz。這意味著串口通信在數(shù)據(jù)線上的采樣率為4800Hz。通常電話線的波特率為14400，28800和36600。波特率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常用于放置的很近的儀器間的通信，典型的例子就是GPIB設(shè)備的通信。
b，數(shù)據(jù)位：這是衡量通信中實(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)信息包，實(shí)際的數(shù)據(jù)不會(huì)是8位的，標(biāo)準(zhǔn)的值是5、7和8位。如何設(shè)置取決于你想傳送的信息。比如，標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼是0～127（7位）。擴(kuò)展的ASCII碼是0～255（8位）。如果數(shù)據(jù)使用簡單的文本（標(biāo)準(zhǔn) ASCII碼），那么每個(gè)數(shù)據(jù)包使用7位數(shù)據(jù)。每個(gè)包是指一個(gè)字節(jié)，包括開始/停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位。由于實(shí)際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取，術(shù)語“包”指任何通信的情況。
c，停止位：用于表示單個(gè)包的最后一位。典型的值為1，1.5和2位。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺(tái)設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計(jì)算機(jī)校正時(shí)鐘同步的機(jī)會(huì)。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時(shí)鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時(shí)也越慢。
d，奇偶校驗(yàn)位：在串口通信中一種簡單的檢錯(cuò)方式。有四種檢錯(cuò)方式：偶、奇、高和低。當(dāng)然沒有校驗(yàn)位也是可以的。對(duì)于偶和奇校驗(yàn)的情況，串口會(huì)設(shè)置校驗(yàn)位（數(shù)據(jù)位后面的一位），用一個(gè)值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個(gè)或者奇?zhèn)�邏輯高位。例如，如果數(shù)據(jù)是011，那么對(duì)于偶校驗(yàn)，校驗(yàn)位為0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個(gè)。如果是奇校驗(yàn)，校驗(yàn)位位1，這樣就有3個(gè)邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數(shù)據(jù)，簡單置位邏輯高或者邏輯低校驗(yàn)。這樣使得接收設(shè)備能夠知道一個(gè)位的狀態(tài)，有機(jī)會(huì)判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步
通常異步通信的格式如圖：
USART 接受以下30 種組合的數(shù)據(jù)幀格式：
• 1 個(gè)起始位
• 5、 6、 7、 8 或9 個(gè)數(shù)據(jù)位
• 無校驗(yàn)位、奇校驗(yàn)或偶校驗(yàn)位
• 1或2 個(gè)停止位
數(shù)據(jù)幀以起始位開始；緊接著是數(shù)據(jù)字的最低位，數(shù)據(jù)字最多可以有9 個(gè)數(shù)據(jù)位，以數(shù)據(jù)的最高位結(jié)束。如果使能了校驗(yàn)位，校驗(yàn)位將緊接著數(shù)據(jù)位，最后是結(jié)束位。當(dāng)一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀傳輸后，可以立即傳輸下一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀，或使傳輸線處于空閑狀態(tài)。
數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)由UCSRB 和 UCSRC 寄存器中的UCSZ2:0、 UPM1:0、USBS 設(shè)定。接收與發(fā)送使用相同的設(shè)置。設(shè)置的任何改變都可能破壞正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳送與接收。
（2）串口的組成
串口由陰陽兩種接口組成。最常使用的信號(hào)引腳是TD、RD 和SG，因此最簡單的串口調(diào)試只需要包含3 條引線就可以了。在RS232（一種串行工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn)中，利用RD、TD 作為接收、發(fā)送信號(hào)線，加入地線，約定好通訊的波特率，實(shí)現(xiàn)串行信號(hào)傳輸。
（3）串口電平轉(zhuǎn)換電路
PC 的串口工作TTL 信號(hào)是12V 的，而在我們一般使用的電路板上，電源信號(hào)和TTL 電平是5V 的（在低功耗電路中是3.3V 的），為了將信號(hào)轉(zhuǎn)化為可用，需要做串口的電平轉(zhuǎn)換。這一部分電路已經(jīng)有相應(yīng)的生產(chǎn)廠商做出了各種集成芯片，例如MAXIM 公司的MAX232/MAX233 芯片，就是實(shí)現(xiàn)5V 電路中和PC 實(shí)現(xiàn)串口通信的電平轉(zhuǎn)換芯片，而MAX3232/MAX3233 可以實(shí)現(xiàn)3.3V 的電平轉(zhuǎn)換。
串口寄存器介紹
USART I/O 數(shù)據(jù)寄存器－ UDR
USART 發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器和USART 接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器共享相同的I/O 地址，稱為USART 數(shù)據(jù)寄存器或UDR。將數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)DR 時(shí)實(shí)際操作的是發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器存器(TXB)，讀UDR 時(shí)實(shí)際返回的是接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器(RXB) 的內(nèi)容。在5、6、7 比特字長模式下，未使用的高位被發(fā)送器忽略，而接收器則將它們?cè)O(shè)置為0。只有當(dāng)UCSRA寄存器的UDRE標(biāo)志置位后才可以對(duì)發(fā)送緩沖器進(jìn)行寫操作。如果UDRE沒有置位，那么寫入U(xiǎn)DR 的數(shù)據(jù)會(huì)被USART 發(fā)送器忽略。當(dāng)數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器后，若移位寄存器為空，發(fā)送器將把數(shù)據(jù)加載到發(fā)送移位寄存器。然后數(shù)據(jù)串行地從TxD 引腳輸出。接收緩沖器包括一個(gè)兩級(jí)FIFO，一旦接收緩沖器被尋址FIFO 就會(huì)改變它的狀態(tài)。因此不要對(duì)這一存儲(chǔ)單元使用讀- 修改- 寫指令(SBI 和CBI)。使用位查詢指令(SBIC 和SBIS)時(shí)也要小心，因?yàn)檫@也有可能改變FIFO 的狀態(tài)。
USART 控制和狀態(tài)寄存器A －UCSRA
• Bit 7 – RXC: USART 接收結(jié)束
接收緩沖器中有未讀出的數(shù)據(jù)時(shí)RXC 置位，否則清零。接收器禁止時(shí)，接收緩沖器被刷新，導(dǎo)致RXC 清零。RXC 標(biāo)志可用來產(chǎn)生接收結(jié)束中斷( 見對(duì)RXCIE 位的描述)。
• Bit 6 – TXC: USART 發(fā)送結(jié)束
發(fā)送移位緩沖器中的數(shù)據(jù)被送出，且當(dāng)發(fā)送緩沖器 (UDR) 為空時(shí)TXC 置位。執(zhí)行發(fā)送結(jié)束中斷時(shí)TXC 標(biāo)志自動(dòng)清零，也可以通過寫1 進(jìn)行清除操作。TXC 標(biāo)志可用來產(chǎn)生發(fā)送結(jié)束中斷( 見對(duì)TXCIE 位的描述)。
• Bit 5 – UDRE: USART 數(shù)據(jù)寄存器空
UDRE標(biāo)志指出發(fā)送緩沖器(UDR)是否準(zhǔn)備好接收新數(shù)據(jù)。UDRE為1說明緩沖器為空，已準(zhǔn)備好進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。UDRE標(biāo)志可用來產(chǎn)生數(shù)據(jù)寄存器空中斷(見對(duì)UDRIE位的描述)。復(fù)位后UDRE 置位，表明發(fā)送器已經(jīng)就緒。
• Bit 4 – FE: 幀錯(cuò)誤
如果接收緩沖器接收到的下一個(gè)字符有幀錯(cuò)誤，即接收緩沖器中的下一個(gè)字符的第一個(gè)停止位為0，那么FE 置位。這一位一直有效直到接收緩沖器(UDR) 被讀取。當(dāng)接收到的停止位為1 時(shí)， FE 標(biāo)志為0。對(duì)UCSRA 進(jìn)行寫入時(shí)，這一位要寫0。
• Bit 3 – DOR: 數(shù)據(jù)溢出
數(shù)據(jù)溢出時(shí)DOR 置位。當(dāng)接收緩沖器滿( 包含了兩個(gè)數(shù)據(jù))，接收移位寄存器又有數(shù)據(jù)，若此時(shí)檢測到一個(gè)新的起始位，數(shù)據(jù)溢出就產(chǎn)生了。這一位一直有效直到接收緩沖器(UDR) 被讀取。對(duì)UCSRA 進(jìn)行寫入時(shí)，這一位要寫0。
• Bit 2 – PE: 奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤
當(dāng)奇偶校驗(yàn)使能(UPM1 = 1)，且接收緩沖器中所接收到的下一個(gè)字符有奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)UPE 置位。這一位一直有效直到接收緩沖器 (UDR) 被讀取。對(duì)UCSRA 進(jìn)行寫入時(shí)，這一位要寫0。
• Bit 1 – U2X: 倍速發(fā)送
這一位僅對(duì)異步操作有影響。使用同步操作時(shí)將此位清零。此位置1 可將波特率分頻因子從16 降到8，從而有效的將異步通信模式的傳輸速率加倍。
• Bit 0 – MPCM: 多處理器通信模式
設(shè)置此位將啟動(dòng)多處理器通信模式。MPCM 置位后， USART 接收器接收到的那些不包含地址信息的輸入幀都將被忽略。發(fā)送器不受MPCM設(shè)置的影響。詳細(xì)信息請(qǐng)參考 P150“多處理器通訊模式” 。
USART 控制和狀態(tài)寄存器B －UCSRB
• Bit 7 – RXCIE: 接收結(jié)束中斷使能
置位后使能RXC 中斷。當(dāng)RXCIE 為1，全局中斷標(biāo)志位SREG 置位， UCSRA 寄存器的RXC 亦為1 時(shí)可以產(chǎn)生USART 接收結(jié)束中斷。
• Bit 6 – TXCIE: 發(fā)送結(jié)束中斷使能
置位后使能TXC 中斷。當(dāng)TXCIE 為1，全局中斷標(biāo)志位SREG 置位，UCSRA 寄存器的TXC 亦為1 時(shí)可以產(chǎn)生USART 發(fā)送結(jié)束中斷。
• Bit 5 – UDRIE: USART 數(shù)據(jù)寄存器空中斷使能
置位后使能UDRE 中斷。當(dāng)UDRIE 為1，全局中斷標(biāo)志位SREG 置位，UCSRA 寄存器的UDRE 亦為1 時(shí)可以產(chǎn)生USART 數(shù)據(jù)寄存器空中斷。
• Bit 4 – RXEN: 接收使能
置位后將啟動(dòng)USART 接收器。RxD 引腳的通用端口功能被USART 功能所取代。禁止接收器將刷新接收緩沖器，并使 FE、DOR 及PE 標(biāo)志無效。
• Bit 3 – TXEN: 發(fā)送使能
置位后將啟動(dòng)將啟動(dòng)USART 發(fā)送器。TxD 引腳的通用端口功能被USART 功能所取代。TXEN 清零后，只有等到所有的數(shù)據(jù)發(fā)送完成后發(fā)送器才能夠真正禁止，即發(fā)送移位寄存器與發(fā)送緩沖寄存器中沒有要傳送的數(shù)據(jù)。發(fā)送器禁止后，TxD引腳恢復(fù)其通用I/O功能。
• Bit 2 – UCSZ2: 字符長度
UCSZ2與UCSRC寄存器的UCSZ1:0結(jié)合在一起可以設(shè)置數(shù)據(jù)幀所包含的數(shù)據(jù)位數(shù)(字符長度)。
• Bit 1 – RXB8: 接收數(shù)據(jù)位 8
對(duì)9 位串行幀進(jìn)行操作時(shí)，RXB8 是第9 個(gè)數(shù)據(jù)位。讀取UDR 包含的低位數(shù)據(jù)之前首先要讀取RXB8。
• Bit 0 – TXB8: 發(fā)送數(shù)據(jù)位8
對(duì)9 位串行幀進(jìn)行操作時(shí)，TXB8 是第9 個(gè)數(shù)據(jù)位。寫UDR 之前首先要對(duì)它進(jìn)行寫操作。
USART 控制和狀態(tài)寄存器C －UCSRC
• Bit 7 – URSEL: 寄存器選擇
通過該位選擇訪問UCSRC 寄存器或UBRRH 寄存器。當(dāng)讀UCSRC 時(shí)，該位為1 ；當(dāng)寫UCSRC 時(shí)， URSEL 為1。
• Bit 6 – UMSEL: USART 模式選擇
通過這一位來選擇同步或異步工作模式。
• Bit 5:4 – UPM1:0: 奇偶校驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>
這兩位設(shè)置奇偶校驗(yàn)的模式并使能奇偶校驗(yàn)。如果使能了奇偶校驗(yàn)，那么在發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送器都會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生并發(fā)送奇偶校驗(yàn)位。對(duì)每一個(gè)接收到的數(shù)據(jù)，接收器都會(huì)產(chǎn)生一奇偶值，并與UPM0 所設(shè)置的值進(jìn)行比較。如果不匹配，那么就將UCSRA 中的PE 置位。
• Bit 3 – USBS: 停止位選擇
通過這一位可以設(shè)置停止位的位數(shù)。接收器忽略這一位的設(shè)置。
• Bit 2:1 – UCSZ1:0: 字符長度
UCSZ1:0與UCSRB寄存器的 UCSZ2結(jié)合在一起可以設(shè)置數(shù)據(jù)幀包含的數(shù)據(jù)位數(shù)(字符長度)。
• Bit 0 – UCPOL: 時(shí)鐘極性
這一位僅用于同步工作模式。使用異步模式時(shí)，將這一位清零。UCPOL 設(shè)置了輸出數(shù)據(jù)的改變和輸入數(shù)據(jù)采樣，以及同步時(shí)鐘XCK 之間的關(guān)系。
USART 波特率寄存器－ UBRRL和UBRRH
UCSRC寄存器與UBRRH寄存器共用相同的I/O地址。
• Bit 15 – URSEL: 寄存器選擇
通過該位選擇訪問UCSRC 寄存器或UBRRH 寄存器。當(dāng)讀UBRRH 時(shí)，該位為0 ；當(dāng)寫UBRRH 時(shí)， URSEL 為0。
• Bit 14:12 – 保留位
這些位是為以后的使用而保留的。為了與以后的器件兼容，寫UBRRH 時(shí)將這些位清零。
• Bit 11:0 – UBRR11:0: USART 波特率寄存器
這個(gè)12 位的寄存器包含了USART 的波特率信息。其中UBRRH 包含了USART 波特率高4 位，UBRRL 包含了低8 位。波特率的改變將造成正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸受到破壞。寫UBRRL 將立即更新波特率分頻器。
進(jìn)行通信之前首先要對(duì)USART 進(jìn)行初始化。初始化過程通常包括波特率的設(shè)定，幀結(jié)構(gòu)的設(shè)定，以及根據(jù)需要使能接收器或發(fā)送器。對(duì)于中斷驅(qū)動(dòng)的USART 操作，在初始化時(shí)首先要清零全局中斷標(biāo)志位( 全局中斷被屏蔽)
串口初始化：
使用串口->使能接收 ->使能發(fā)送->波特率（本例使用 9600）->奇偶校驗(yàn)（disable）->數(shù)據(jù)位數(shù)（8bit）->中斷（RX Complete interrupt）
//ICC-AVR application builder : 2007-5-10 下午 08:51:56
// Target : M16
// Crystal: 11.059Mhz
//UART0 initialisation
// desired baud rate: 9600
// actual: baud rate:9600 (0.0%)
// char size: 8 bit
// parity: Disabled
void uart0_init(void)
{
UCSRB = 0x00; //disable while setting baud rate
UCSRA = 0x00;
UCSRC = 0x86;
UBRRL = 0x47; //set baud rate lo
UBRRH = 0x00; //set baud rate hi
UCSRB = 0x98;
}
//省略了端口初始化
//call this routine to initialise all peripherals
void init_devices(void)
{
//stop errant interrupts until set up
CLI(); //disable all interrupts
port_init();
uart0_init(); //注意這句 調(diào)用串口初始化
MCUCR = 0x00;
GICR = 0x00;
TIMSK = 0x00; //timer interrupt sources
SEI(); //re-enable interrupts
//all peripherals are now initialised