文章目录

一、串口通信协议简介
- 1. 物理层
- 2. 协议层
二、SCI 简介
三、SCI的结构框图
四、UART波特率计算

一、串口通信协议简介

串口通讯(Serial Communication)是一种设备间非常常用的串行通讯方式，因为它简单便捷，因此大部分电子设备都支持该通讯方式，电子工程师在调试设备时也经常使用该通讯方式输出调试信息。在计算机科学里，大部分复杂的问题都可以通过分层来简化。如芯片被分为内核层和片上外设。对于通讯协议，我们也以分层的方式来理解，最基本的是把它分为物理层和协议层。物理层规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性，确保原始数据在物理媒体的传输。协议层主要规定通讯逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准。简单来说物理层规定用嘴巴还是用肢体来交流，协议层则规定用中文还是英文来交流。下面分别对串口通讯协议的物理层及协议层进行讲解。

1. 物理层

串口通讯的物理层有很多标准及变种，这里主要讲解RS-232标准，RS-232标准主要规定了信号的用途、通讯接口以及信号的电平标准。

使用RS-232标准的串口设备间常见的通讯结构见下图：

在上面的通讯方式中，两个通讯设备的“DB9接口”之间通过串口信号线建立起连接，串口信号线中使用“RS-232标准”传输数据信号。由于RS-232电平标准的信号不能直接被控制器直接识别，所以这些信号会经过一个“电平转换芯片”转换成控制器能识别的“TTL标准”的电平信号，才能实现通讯。

① 电平标准
根据通讯使用的电平标准不同，串口通讯可分为TTL标准及RS-232标准，见下表

知道常见的电子电路中常使用TTL的电平标准，理想状态下，使用5V表示二进制逻辑1，使用0V表示逻辑0；而为了增加串口通讯的远距离传输及抗干扰能力， RS-232使用-15V表示逻辑1，+15V表示逻辑0。使用RS232与TTL电平校准表示同一个信号时的对比见下图

因为控制器一般使用TTL电平标准，所以常常会使用MA3232芯片对TTL及RS-232电平的信号进行互相转换。

② RS-232信号线
在最初的应用中，RS-232串口标准常用于计算机、路由与调制调解器(MODEN，俗称“猫”)之间的通讯，在这种通讯系统中，设备被分为数据终端设备DTE(计算机、路由)和数据通讯设备DCE(调制调解器)。以这种通讯模型讲解它们的信号线连接方式及各个信号线的作用。

在旧式的台式计算机中一般会有RS-232标准的COM口(也称DB9接口)，见下图

其中接线口以针式引出信号线的称为公头，以孔式引出信号线的称为母头。在计算机中一般引出公头接口，而在调制调解器设备中引出的一般为母头，使用上图中的串口线即可把它与计算机连接起来。通讯时，串口线中传输的信号就是使用前面讲解的RS-232标准调制的。

在这种应用场合下，DB9接口中的公头及母头的各个引脚的标准信号线接法见下图

由于两个通讯设备之间的收发信号(RXD与TXD)应交叉相连，所以调制调解器端的DB9母头的收发信号接法一般与公头的相反，两个设备之间连接时，只要使用“直通型”的串口线连接起来即可，见下图

串口线中的RTS、CTS、DSR、DTR及DCD信号，使用逻辑 1表示信号有效，逻辑0表示信号无效。例如，当计算机端控制DTR信号线表示为逻辑1时，它是为了告知远端的调制调解器，本机已准备好接收数据，0则表示还没准备就绪。

在目前的其它工业控制使用的串口通讯中，一般只使用RXD、TXD以及GND三条信号线，直接传输数据信号，而RTS、CTS、DSR、DTR及DCD信号都被裁剪掉了。

2. 协议层

串口通讯的数据包由发送设备通过自身的TXD接口传输到接收设备的RXD接口。在串口通讯的协议层中，规定了数据包的内容，它由启始位、主体数据、校验位以及停止位组成，通讯双方的数据包格式要约定一致才能正常收发数据，其组成见下图

① 波特率
这里主要讲解的是串口异步通讯，异步通讯中由于没有时钟信号(如前面讲解的DB9接口中是没有时钟信号的)，所以两个通讯设备之间需要约定好波特率，即每个码元的长度，以便对信号进行解码，上图中用虚线分开的每一格就是代表一个码元。常见的波特率为4800、9600、115200等。

② 通讯的起始和停止信号
串口通讯的一个数据包从起始信号开始，直到停止信号结束。数据包的起始信号由一个逻辑0的数据位表示，而数据包的停止信号可由0.5、1、1.5或2个逻辑1的数据位表示，只要双方约定一致即可。

③ 有效数据
在数据包的起始位之后紧接着的就是要传输的主体数据内容，也称为有效数据，有效数据的长度常被约定为5、6、7或8位长。

④ 数据校验
在有效数据之后，有一个可选的数据校验位。由于数据通信相对更容易受到外部干扰导致传输数据出现偏差，可以在传输过程加上校验位来解决这个问题。校验方法有奇校验(odd)、偶校验(even)、0校验(space)、1校验(mark)以及无校验(noparity)。

奇校验要求有效数据和校验位中“1”的个数为奇数，比如一个8位长的有效数据为：01101001，此时总共有4个“1”，为达到奇校验效果，校验位为“1”，最后传输的数据将是8位的有效数据加上1位的校验位总共9位。

偶校验与奇校验要求刚好相反，要求帧数据和校验位中“1”的个数为偶数，比如数据帧：11001010，此时数据帧“1”的个数为4个，所以偶校验位为“0”。

0校验是不管有效数据中的内容是什么，校验位总为“0”，1校验是校验位总为“1”。

二、SCI 简介

SCI（Serial Communications Interface），意为串行通信接口，是相对与并行通信的概念，是串行通信技术的一种总称，包括了UART，SPI等串行通信技术。 RA6M5 的SCI模块是一个有10个通道的异步/同步串行接口，RA4M2 有6个通道，RA2L1 有5个通道。

SCI 模块包含如下功能（根据具体型号有所不同）：

UART
8位时钟同步接口
简易IIC（只能用作主机）
简易SPI
智能卡接口（符合ISO/IEC 7816-3国际标准）
曼彻斯特接口
增强的串行接口

另外，RA6M5 的 SCI0、SCI3~SCI9 有独立的FIFO缓冲区； RA4M2 的 SCI0、SCI3、SCI4、SCI9 有独立的FIFO缓冲区； RA2L1 仅 SCI0 有独立的FIFO缓冲区。

三、SCI的结构框图

SCI的结构框图如下图所示

1. 功能引脚
见图中标注 ① 处。

① RXDn/SCLn/MISOn：

RXDn：UART接收数据输入。
SCLn：I2C时钟信号输入或输出。
MISOn：SPI主机信号输入，从机信号输出。

② TXDn/SDAn/MOSIn：

TXDn：UART发送数据输出。
SDAn：I2C数据输入或输出。
MOSIn：SPI从机信号输入，主机信号输出。

③ SSn/CTSn_RTSn：

SSn：片选信号输入，低电平有效。
CTSn_RTSn：清除以发送（Clear to Send）或请求以发送（Request to Send）。低电平有效。如果使能RTS流控制，当UART接收器准备好接收新数据时就会将RTS变成低电平；当接收寄存器已满时，RTS将被设置为高电平。如果使能CTS流控制，发送器在发送下一帧数据之前会检测CTS引脚，如果为低电平，表示可以发送数据，如果为高电平则在发送完当前数据帧之后停止发送，该引脚只适用于硬件流控制。

④ CTSn (n = 0, 3 to 9)： 清除以发送(Clear to Send),适用于硬件流控制。

⑤ SCKn： 时钟输出或输入引脚，适用于同步通信。

2. 发送和接收控制
见图中标注 ② 处。

通信模式和通信参数设置。
FIFO模式设置。
波特率生成器的时钟输入选择。

3. 数据寄存器和移位寄存器
见图中标注 ③ 处。

RSR接收移位寄存器将RXDn引脚接收到的串行数据转为并行数据。当接收到一帧数据，数据会被自动传入RDR/RDRHL或FRDRHL寄存器（在FIFO模式下），并允许RSR继续接收更多数据，CPU无法直接访问RSR。
TSR传输移位寄存器用于传输串行数据。要进行数据传输，SCI首先自动将数据从TDR/TDRHL或FTDRHL寄存器（在FIFO模式下）传入到TSR中，然后将数据发送到TXDn引脚，CPU无法直接访问TSR。

4. 波特率发生器
见图中标注 ④ 处。

用于控制波特率，具体由BRR（Bit Rate Rigister），MDDR（Modulation Duty Register）和SMR（Serial Mode Register）寄存器控制。 SMR在这里对波特率生成器的输入时钟进行选择，可以选择PCLK，PCLK/4，PCLK/16，PCLK/64，即PCLK/4n（n=0-3）。

四、UART波特率计算

决定串口波特率的寄存器有BRR（Bite Rate Rigister），SEMR（Serial Extended Mode Rigister）和MDDR（Modulation Duty Register）。波特率与寄存器的值的公式如下图所示。N表示BRR寄存器的值，B是波特率，PCLK是外设时钟的频率（单位：MHz）。 BGDM（Baud Rate Generator Double-Speed Mode Select）在RA6M5中， SCI挂载在PHBIU（Peripheral High Speed Bus Interface Unit）总线上，使用时钟PCLKA，该时钟默认频率为100MHz。

由于N存放的是整数，故只能将公式计算出来的值进行四舍五入，这样肯定会存在误差（Error）。例如，要配置当前波特率为115200bps。当PCLK=100MHz，BGDM=0，ABCS=0,ABCSE=0，n=1，按照上图公式，当前N为：

由于N是四舍五入取得的，故Error有可能是负数，因此这里取绝对值。

大多数时候会有多组参数符合波特率要求，由于误差越大，收发出错的可能性越大，虽然可以用奇偶校验避免这个问题，但奇偶校验无法解决丢包问题，因此一般会选择误差最小的那组参数。例如：同样是要求波特率为115200bps，但此时BGDM=1，ABCS=0，ABCSE=0，n=0，则此时的N为：

很明显这组参数的误差0.47%要小于上一组参数的3.12%，因此会选择这一组参数。

因为可选参数有很多组，所以需要遍历所有可选的参数组合来寻找误差小的那组参数，毫无疑问的对用户来说是相当繁琐的。瑞萨官方当然也想到了这一点，因此读者在实际开发的过程中，可以直接使用FSP库的R_SCI_UART_BaudCalculate函数来计算出适当的参数组。在通过Smart Configuration配置串口的时候，Smart Configuration也会将适当的参数组计算出来，存放到hal_data.c当中，用户可以直接调用。

如果需要更小的误差，则需要在SEMR的BRME位（Bit Rate Modulation Enable）写1，使能比特率调制功能。此时波特率和寄存器之间的公式见下图。

该公式与未使用比特率调制功能时的公式大同小异，不管是BRR setting还是Error，都只是在分母添加了个系数（256/M）， M是8位寄存器MDDR的值，取值范围(128~256)，这极大的降低了波特率的误差。例如：

同样是要求波特率为115200bps，但此时BGDM=1，ABCS=0，ABCSE=0，n=0，M=184，则此时N为：

对比未使用波特率调制器时误差为0.47%，使用后为0.014%，误差降低到了原来的3%，效果可以说是相当的好，但是寻找效果最佳的M的值也是很繁琐的。读者只需调用FSP库的R_SCI_UART_BaudCalculate函数，就能找到最适合的参数组。

【瑞萨RA_FSP】SCL UART 串口通信相关推荐

【瑞萨RA_FSP】UART 编程实战
文章目录一.UART收发回显二.UART指令控制RGB灯三.基于环形队列的UART收发回显一.UART收发回显 UART只需两根信号线即可完成双向通信,对硬件要求低,使得很多模块都预留UART ...
Android 模拟Uart 串口通信
下载串口工具 1.下载模拟串口工具:模拟串口工具模拟串口工具用于生成模拟的两个串口,而不需要真实的物理串口. 2.下载串口调试工具:串口调试工具串口调试工具用于直接通过串口发送数据我这里有整合过 ...
UART串口通信浅谈之(一)--基础概述
通信按照传统的理解就是信息的传输与交换.UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,即通用异步收发器)串行通信是单片机最常用的一种通信技术,通常用 ...
NXP（I.MX6uLL） UART串口通信原理————这个未复习
参考:Linux NXP (I.MX6uLL) UART串口通信原理作者:一只青木呀发布时间: 2020-09-20 16:48:33 网址:https://blog.csdn.net/weixi ...
【蓝桥杯】单片机学习（7）——UART串口通信
UART串口通信一.基础知识介绍 1.通信方式的分类 2.RS232通信接口 3.UART模块介绍 (1)串口控制寄存器SCON(可位寻址) (2)电源控制寄存器PCON(不可位寻址) (3)辅助寄 ...
基于FPGA的UART串口通信实验（VHDL语言实现）
一.前言: 最近在做UART串口通信的相关实验时,在网上查了很多资料,发现网上的大部分文章只注重理论,不注重代码,很多代码有错误不说,而且难以理解.故在完成此实验后,起了写一篇博客的心思,以供有想做相 ...
zigbee基础应用（五）uart串口通信
zigbee基础应用(五)uart串口通信 1.硬件篇 P0.2为RX P0.3为TX 2.芯片篇用到的芯片的概况 3.计算篇波特率的计算公式,通过对UxBAUD.BAUD_M和UxGCR.BAU ...
【自学51单片机】11 -- UART串口通信
文章目录 1.串行通信的初步认识 2.USB转串口通信 3.UART串口通信的基本应用 3.1 通信的三种基本类型 3.2 UARM模块介绍 3.3编写UART串口步骤及程序 4.串口调试助手 5.通 ...
【正点原子MP157连载】第十六章 UART串口通信实验-摘自【正点原子】STM32MP1嵌入式Linux驱动开发指南V1.7
1)实验平台:正点原子STM32MP157开发板 2)购买链接:https://item.taobao.com/item.htm?&id=629270721801 3)全套实验源码+手册+视频 ...

【瑞萨RA_FSP】SCL UART 串口通信