ARM Cortex-M3嵌入式開發(fā)及應(yīng)用教與學(xué) 課件 第07章 串口通信與聲碼器

ARMCortex-M3嵌入式控制技術(shù)

——基于STM32F103RCT6

STM32F103硬件系統(tǒng)與KEILMDK工程第七章

串口通信與聲碼器

TM32F103RCT6微控制器具有5個串口，其中USART1~3是帶有同步串行通信能力的同步異步串行口，而UART4~5是標(biāo)準(zhǔn)的異步串行通信口。本章將以STM32F103RCT6微控制器的USART2為例，介紹其片內(nèi)串口外設(shè)的工作原理，并借助實例詳細(xì)介紹串口通信的程序設(shè)計方法，包括串口發(fā)送數(shù)據(jù)和基于串口中斷服務(wù)函數(shù)接收數(shù)據(jù)的方法。1串口通信工作原理2STM32F103串口3

串口通信寄存器類型實例4串口通信庫函數(shù)類型實例5聲碼器7.1串口通信工作原理串口通信是指數(shù)據(jù)的各位按串行的方式沿一根總線進行的通信方式，RS-232標(biāo)準(zhǔn)的UART串口通信是典型的異步雙工串行通信，通信方式如左圖所示。UART串口通信需要兩個引腳，即TXD和RXD，TXD為串口數(shù)據(jù)發(fā)送端，RXD為串口數(shù)據(jù)接收端。STM32F103微控制器的串口與計算機的串口按圖7-1的方式相連，串行數(shù)據(jù)傳輸沒有同步時鐘，需要雙方按相同的位傳輸速率異步傳輸，這個速率稱為波特率，常用的波特率有4800bps、9600bps和115200bps等。UART串口通信的數(shù)據(jù)包以幀為單位，常用的幀結(jié)構(gòu)為：1位起始位+8位數(shù)據(jù)位+1位奇偶校驗位（可選）+1位停止位，如右圖所示。7.2STM32F103串口TM32F103RCT6微控制器共有5個串口，其中，USART1~3為帶同步串行通信功能的通用同步異步串行口，UART4~5為標(biāo)準(zhǔn)的異步串行通信口。這里以USART2工作在標(biāo)準(zhǔn)的異步串行通信方式下為例，介紹STM32F103RCT6微控制器的串口工作原理。7.2STM32F103串口串口USART2的基地址為0x40004400，其各個寄存器的情況如下所述。（1）串口數(shù)據(jù)寄存器USART_DR（偏移地址0x04）

32位的串口數(shù)據(jù)寄存器USART_DR只有第[8:0]位有效，用于發(fā)送串口數(shù)據(jù)時記為TDR，用于接收串口數(shù)據(jù)時記為RDR，TDR和RDR是映射到同一個地址的兩個物理寄存器，通過讀、寫指令來區(qū)分使用了哪個寄存器，即讀USART_DR時自動識別為RDR，寫USART_DR時自動識別為TDR。（2）波特率寄存器USART_BRR（偏移地址為0x08，復(fù)位值為0x0）

32位的波特率寄存器USART_BRR只有第[15:0]位域有效，其中，第[15:4]位域記為DIV_Mantissa[11:0]，第[3:0]位域記為DIV_Fraction[3:0]。波特率的計算公式為：波特率=fck/(16×USART_DIV)，而USART_DIV=DIV_Mantissa+DIV_Fraction/16，例如，對USART2而言，當(dāng)fck＝PCLK1＝32MHz時，如果波特率設(shè)為9600bps，則可配置DIV_Mantissa=208，DIV_Fraction=5；如果波特率設(shè)為115200bps，則可配置DIV_Mantissa=17，DIV_Fraction=6，實際波特率為115108bps，誤差為0.08%（可接收范圍內(nèi)）。

（3）串口狀態(tài)寄存器USART_SR（偏移地址為0x0，復(fù)位值為0xC0）

32位的串口狀態(tài)寄存器USART_SR只有第[9:0]位有效，如表所示。位號名稱屬性含義31:10

保留9CTS可讀/可寫CTS標(biāo)志位。當(dāng)nCTS線路輸入跳變時，硬件置位，寫入0清零8LBD可讀/可寫LIN中止檢測標(biāo)志位。LIN中止發(fā)生后硬件置位，寫入0清零7TXE只讀發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器空標(biāo)志位。TDR內(nèi)容傳給移位寄存器時硬件置1，寫DR寄存器清06TC可讀/可寫發(fā)送完成標(biāo)志位。發(fā)送完成硬件置1，寫入0清零（寫DR+讀SR也可清0）5RXNE可讀/可寫接收數(shù)據(jù)沒有就緒標(biāo)志位。接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時硬件置1，讀DR或?qū)?均可清零4IDLE只讀空閑線路檢測標(biāo)志位?？臻e時自動置1，讀DR+讀SR可清零3ORE只讀溢出錯誤標(biāo)志位。接收溢出時硬件置1，讀DR+讀SR清零2NE只讀噪聲錯誤標(biāo)志位。接收的位在采樣時出現(xiàn)噪聲時則硬件置1，讀DR+讀SR可清零1FE只讀幀錯誤標(biāo)志位。幀錯誤發(fā)生時硬件置1，讀DR+讀SR可清零該位0PE只讀校驗位錯誤標(biāo)志位。接收的數(shù)據(jù)校驗錯誤時硬件置1，讀DR+讀SR可清零該位（4）串口控制寄存器USART_CR1（偏移地址為0x0C，復(fù)位值為0x0）

32位的串口控制寄存器USART_CR1只有第[13:0]位有效，如表所示位號名稱屬性含義31:14

保留13UE可讀/可寫USART有效位。寫入1開啟USART，寫入0關(guān)閉12M可讀/可寫字長位。為0表示8位數(shù)據(jù)位；為1表示9位數(shù)據(jù)位11WAKE可讀/可寫USART喚醒方式位。為0表示空閑位喚醒；為1表示最后有效數(shù)據(jù)位喚醒10PCE可讀/可寫校驗控制位。為0表示無校驗；為1表示有校驗9PS可讀/可寫校驗選擇位。為0表示偶校驗；為1表示奇校驗8PEIE可讀/可寫PE中斷有效位。為1表示校驗位出錯觸發(fā)中斷，為0表示不觸發(fā)7TXEIE可讀/可寫TXE中斷有效位。為1表示發(fā)送數(shù)據(jù)進入移位寄存器后觸發(fā)中斷，為0表示不觸發(fā)6TCIE可讀/可寫發(fā)送完成中斷有效位。為1表示發(fā)送數(shù)據(jù)完成后觸發(fā)中斷，為0表示不觸發(fā)5RXNEIE可讀/可寫RXNE中斷有效位。為1表示接收數(shù)據(jù)就緒或溢出時觸發(fā)中斷，為0表示不觸發(fā)4IDLEIE可讀/可寫空閑中斷有效位。為1表示空閑將觸發(fā)中斷，為0表示不觸發(fā)3TE可讀/可寫發(fā)送有效位。為0表示關(guān)閉發(fā)送單元；為1表示開啟發(fā)送單元2RE可讀/可寫接收有效位。為0表示關(guān)閉接收單元；為1表示開啟接收單元1RWU可讀/可寫接收喚醒位。為0表示接收處于活躍模式下；為1表示處于靜默模式下0SBK可讀/可寫發(fā)送中止符位。為1表示中止符將被發(fā)送，為0表示不發(fā)送中止符綜上所述，可知串口的操作主要有如下3種：（1）串口初始化串口初始化包括3個主要的操作，即配置串口通信的波特率、設(shè)置串口數(shù)據(jù)幀的格式以及開啟串口接收中斷等。對于STM32F103RCT6，還應(yīng)通過寄存器USART_CR1打開接收單元和發(fā)送單元。（2）發(fā)送數(shù)據(jù)串口發(fā)送數(shù)據(jù)一般通過函數(shù)調(diào)用實現(xiàn)，發(fā)送數(shù)據(jù)前應(yīng)先判斷前一個發(fā)送的數(shù)據(jù)是否發(fā)送完成，即判斷USART_SR寄存器的TC位是否為1，如果為1表示前一個數(shù)據(jù)發(fā)送完成，則可以啟動本次數(shù)據(jù)發(fā)送。發(fā)送數(shù)據(jù)只需要將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入串口數(shù)據(jù)寄存器USART_DR中，發(fā)送單元會按擬定的波特率將數(shù)據(jù)串行發(fā)送出去。（3）接收數(shù)據(jù)串口接收數(shù)據(jù)一般通過串口接收中斷實現(xiàn)，需要開啟串口接收中斷，當(dāng)接收到新的數(shù)據(jù)就緒時，在串口中斷服務(wù)函數(shù)中讀取串口接收到的數(shù)據(jù)。7.3串口通信寄存器類型實例在STM32F103RCT6學(xué)習(xí)板上，PA2和PA3口通過網(wǎng)標(biāo)TXD232和RXD232與串口電平芯片ST3232的T2IN和R2OUT管腳相連，參考第2章圖3-2和圖3-6。本節(jié)將討論寄存器類型的串口USART2通信實例。具體實現(xiàn)步驟如下所示：（1）在工程PRJ13的基礎(chǔ)上，新建工程“PRJ15”，保存在目錄“D:\STM32F103RCT6PRJ\PRJ15”下。此時的工程PRJ15與PRJ13完全相同。（2）新建文件uart2.c和uart2.h，保存在目錄“D:\STM32F103RCT6PRJ\PRJ15\BSP”下。代碼：代碼：代碼：代碼：添加文件uart2.c到工程管理器的“BSP”分組下編譯鏈接和運行工程PRJ15，同時在計算機端打開串口調(diào)試助手，其顯示結(jié)果如圖所示。在圖中，點擊“手動發(fā)送”，即將“DEF”三個字符由計算機發(fā)送給STM32F103RCT6開發(fā)板，然后，開發(fā)板的STM32F103RCT6微控制器將這三個字符再回送給上位機（這里表示計算機）。工程PRJ15的運行流程7.4串口通信庫函數(shù)類型實例本節(jié)介紹庫函數(shù)類型的串口通信工程實例，與寄存器類型工程PRJ15實現(xiàn)相同的功能，具體建設(shè)步驟如下：（1）在工程PRJ14的基礎(chǔ)上，新建工程“PRJ16”，保存在目錄“D:\STM32F103RCT6PRJ\PRJ16”下。此時的工程PRJ16與工程PRJ14完全相同。（2）新建文件uart2.c和uart2.h，保存在目錄“D:\STM32F103RCT6PRJ\PRJ16\BSP”下。代碼：代碼：代碼：將文件uart2.c添加到工程管理器的“BSP”分組下，將目錄“D:\STM32F103RCT6PRJ\PRJ16\STM32F10x_FWLib\src”下的文件stm32f10x_usart.c添加到工程管理器的“LIB”分組下。7.4聲碼器聲碼器SYN6288是一種中文語音合成芯片，通過硬件的形式實現(xiàn)了將中文文本轉(zhuǎn)化為語音（TTS）。一般地，上位機（這里指ARM微控制器）通過串口將文本數(shù)據(jù)發(fā)送到SYN6288，然后，SYN6288通過文本（包括漢字、數(shù)字和字母等）的編碼值，在語音庫中查找其數(shù)字形式存儲的發(fā)音，再通過片內(nèi)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（還集成了數(shù)字濾波器等）將數(shù)字形式的語音轉(zhuǎn)換為模擬語音信號，并送出模擬語音信號。SYN6288可以直接驅(qū)動8歐姆0.5W的揚聲器。7.4.1聲碼器工作原理借助于網(wǎng)標(biāo)TXD_AUDIO和RXD_AUDIO，STM32F103RCT6微控制器的PA9和PA10管腳與SYN6288的RXD和TXD相連接。由于SYN6288的輸入端RXD為與標(biāo)準(zhǔn)的串口信號反向，所以，需要借助于一個反相器（這里使用了三極管S8050）連接TXD_AUDIO和RXD。在STM32F103RCT6微控制器中，PA9和PA10復(fù)用了USART1_TX和USART1_RX功能，即PA9和PA10可作為串口USART1的TXD和RXD端口。聲碼器SYN6288只能工作在波特率為9600bps、19200bps和38400bps下，并且要求串口數(shù)據(jù)格式為“1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、無校驗位、1位停止位”。因此，可配置STM32F103RCT6微控制器串口USART1工作在9600bps波特率下，然后，借助于串口USART1按照SYN6288規(guī)定的數(shù)據(jù)包協(xié)議向其發(fā)送文本數(shù)據(jù)，實現(xiàn)文本數(shù)據(jù)的語音轉(zhuǎn)換與輸出。SYN6288的數(shù)據(jù)包格式包結(jié)構(gòu)包頭（1字節(jié)）數(shù)據(jù)區(qū)長度數(shù)據(jù)區(qū)命令字（1字節(jié)）命令參數(shù)（1字節(jié)）文本數(shù)據(jù)異或校驗碼（1字節(jié)）數(shù)據(jù)0xFD0x000x??0x??0x??0x??0x??...0x??0x??說明固定為0xFD0x??為數(shù)據(jù)區(qū)的字節(jié)數(shù)見下表長度必須小于等于200字節(jié)全部數(shù)據(jù)（不含校驗碼）的異或值包結(jié)構(gòu)包頭（1字節(jié)）數(shù)據(jù)區(qū)長度數(shù)據(jù)區(qū)包結(jié)構(gòu)包頭（1字節(jié)）數(shù)據(jù)區(qū)長度數(shù)據(jù)區(qū)命令字（1字節(jié)）命令參數(shù)（1字節(jié)）文本數(shù)據(jù)異或校驗碼（1字節(jié)）數(shù)據(jù)0xFD0x000x020x21無無0xDE查詢SYN6288的工作狀態(tài)“數(shù)據(jù)區(qū)”的控制命令格式數(shù)據(jù)區(qū)（長度小于等于203個字節(jié)）命令字（1字節(jié)）命令參數(shù)（1字節(jié)）文本（最多200字節(jié)）異或校驗碼（1字節(jié)）取值含義高5位含義低3位含義0x01播放文本可取值0,1,2,...,15中的任一值當(dāng)取值為0時，無背景音樂；當(dāng)取值為1至15中的某一數(shù)k時，播放編號為k的背景音樂0文本采用GB2312編碼要轉(zhuǎn)化為語音的文本全部數(shù)據(jù)（含包頭、表示數(shù)據(jù)區(qū)長度的2個字節(jié)、命令字、命令參數(shù)和文本，不含異或校驗碼）的異或值1文本采用GBK編碼2文本采用BIG5編碼3文本采用UNICODE碼0x31設(shè)置波特率00000b0設(shè)置波特率為9600bps無文本1設(shè)置波特率為19200bps2設(shè)置波特率為38400bps0x02停止播放無參數(shù)0x03暫停播放0x04繼續(xù)播放SYN6288配置波特率數(shù)據(jù)包SYN6288播放控制的數(shù)據(jù)包波特率(bps)數(shù)據(jù)包96000xFD0x000x030x310x000xCF192000xFD0x000x030x310x010xCE384000xFD0x000x030x310x020xCD播放控制數(shù)據(jù)包停止播放0xFD0x000x020x20xFD暫停播放0xFD0x000x020x030xFC繼續(xù)播放0xFD0x000x020x040xFB轉(zhuǎn)義文本表序號轉(zhuǎn)義文本含義1[v?]這里的“?”可取值為0至16，表示播放文本的音量大小，0為靜音，16為最大音量，默認(rèn)為“[v10]”2[m?]這里的“?”可取值為0至16，表示播放背景音樂的音量大小，0為靜音，16為最大音量，默認(rèn)為“[m4]”3[t?]這里的“?”可取值為0至5，表示語速，0為最慢，5為最快，默認(rèn)為“[t4]”4[n?]數(shù)字的發(fā)音方式，這里的“?”可取值為0至2，為1表示數(shù)字單個發(fā)音（例如“12”發(fā)音為“一二”，為2表示相鄰數(shù)字合成為數(shù)值發(fā)音（例如“12”發(fā)音為“十二”），為0表示自動識別，默認(rèn)為“[n0]”5[y?]數(shù)字1的讀法，“?”只能取值0或1，為0時，“1”讀“幺”；為1時，“1”讀“一”，默認(rèn)為“[y0]”6[o?]文本朗讀方式，“?”只能取值0或1，為0時，自然朗讀；為1時，逐字發(fā)音，默認(rèn)為“[o0]”7[r][r]后面緊跟的漢字按姓氏發(fā)音，用于多音字的情況8[2][2]后緊跟的兩個漢字聯(lián)合成一個詞語發(fā)音，中間無停頓9[3][3]后緊跟的三個漢字聯(lián)合成一個詞語發(fā)音，中間無停頓聲碼器SYN6288支持4種文本編碼體系