RVMCU课堂「13」: 手把手教你玩转RVSTAR—UART通信篇__专栏

串行通信（Serial Communication）是一种常见的通信方式，指的在发送或接收数据时逐位传输，一次只传输一位；与此相对的是并行通信，一次可传输多个数据位。相比于并行通信，串行通信虽然数据传输速率较慢，但其占用资源少、成本低、实现简单，因此在嵌入式系统中应用十分广泛，而UART（通用异步收发器）则是众多串行通信协议中最典型的一种。本期内容将通过PC主机与RV-STAR开发板间的三个通信小实验，简单讲解UART串口通信的应用方法。

系统环境

Windows 10-64bit

软件平台

NucleiStudio IDE 202102版或 PlatformIO IDE

CoolTerm

硬件需求

RV-STAR开发板

GD32VF103 USART介绍

通用同步异步收发器（USART）提供了一个灵活方便的串行数据交换接口，数据帧可以通过全双工或半双工，同步或异步的方式进行传输。USART提供了可编程的波特率发生器及奇偶校验位、数据位和停止位等可编程的串口特性。它还支持多处理器通信、多种状态标志和硬件流控操作(CTS/RTS)。另外，USART还支持DMA功能，以实现高速率的数据通信（除了UART4）。

（USART模块内部框图）

更多USART详细特性可查阅《GD32VF103用户手册》。

RV-STAR的USB UART电路

在之前的文章中介绍过，RV-STAR的开发板上使用了一个双端口的FT2232 USB设备芯片，一个端口用于JTAG调试，另一个端口可建立开发板到电脑的串口连接，其电路原理图如下：

（GD32VF103部分引脚电路图）

（FT2232部分引脚电路图）

从电路原理图可知，RV-STAR是通过UART4_TX（PC12）和UART4_RX（PD2）连接到FT2232芯片，进而和电脑建立连接的，了解了这个才便于我们稍后编写实验代码。

实验1：返回接收的字符

实验1是让RV-STAR开发板接收从PC主机发送的字符，再回发给PC主机。

在进行UART编程的时候，首先需要对UART外设进行初始化，代码片段如下：

void uart_init()
{
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOC);
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOD);
    rcu_periph_clock_enable(RCU_UART4);

    // UART4_TX - PC12
    gpio_init(GPIOC, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_12);
    // UART4_RX - PD2
    gpio_init(GPIOD, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_2);

    usart_deinit(UART4);
    usart_baudrate_set(UART4, 115200U);
    usart_word_length_set(UART4, USART_WL_8BIT);
    usart_stop_bit_set(UART4, USART_STB_1BIT);
    usart_parity_config(UART4, USART_PM_NONE);
    usart_hardware_flow_rts_config(UART4, USART_RTS_DISABLE);
    usart_hardware_flow_cts_config(UART4, USART_CTS_DISABLE);
    usart_receive_config(UART4, USART_RECEIVE_ENABLE);
    usart_transmit_config(UART4, USART_TRANSMIT_ENABLE);
    usart_enable(UART4);
}

首先需要初始化外设时钟，然后将发送引脚初始化为推挽输出模式、接收引脚初始化为浮空输入模式，然后依次设置UART4的波特率（115200）、数据位（8位）、停止位（1位）、奇偶校验位（无）、硬件流控以及使能收发器。

UART发送器和接收器支持若干个中断事件，为了保证接收数据的完整和及时，我们通常使用中断的方式处理数据的接收，因此需要在主程序开始时进行中断使能，这里使用非向量模式中断，当接收器接受到数据帧，其状态寄存器的RBNE产生置位时触发中断，其代码片段如下：

int main()
{
    uart_init();

    ECLIC_Register_IRQ(UART4_IRQn, ECLIC_NON_VECTOR_INTERRUPT, ECLIC_LEVEL_TRIGGER, 1, 0, NULL);
    __enable_irq();

    usart_interrupt_enable(UART4, USART_INT_RBNE);

    while (1);
}

主程序中只进行外设初始化和中断使能，接收字符和回传因为时间极短，可以都在中断服务程序中处理：使用字符型变量c保存使用usart_data_receive()接收到的数据，然后再使用usart_data_transmit()发送出去（每次发送数据帧，需要等待USART_FLAG_TBE置位后再发送下一帧）。

void UART4_IRQHandler(void)
{
    if (RESET != usart_interrupt_flag_get(UART4, USART_INT_FLAG_RBNE))
    {
        uint8_t c = usart_data_receive(UART4);

        usart_data_transmit(UART4, c);
        while (SET != usart_flag_get(UART4, USART_FLAG_TBE));
    }
}

完成代码编写后，连接开发板，编译并上传代码。为了屏蔽不同IDE的串口终端的差异，我们使用通用的PC串口软件CoolTerm来观察串口实验的现象，它是一个免费而功能强大的串口调试软件。

下载链接：

https://coolterm.sooftware.com/windows

首先打开Windows设备管理器，查看RV-STAR开发板的串口端口号（笔者的电脑上是COM15，读者的电脑上可能不同）。

（设备管理器查看端口）

然后打开CoolTerm，点击“Options”按钮进行串口配置，选择COM15端口，设置波特率为115200，其他采用默认设置（和代码中对UART4串口的配置一致），点击下方的“OK”按钮后，点击“Connect”按钮，即可连接到RV-STAR的串口上。

（配置CoolTerm）

连接成功后，参照下图，在“Connection”选项卡中找到“Send String”然后打开。

（打开发送窗口）

在发送窗口中，输入字符，然后点击“Send”发送，会发现RV-STAR将字符进行了回传，并打印显示在了终端窗口中。

（在发送窗口中输入字符）

也可以不使用“Send String”，直接将光标移动到终端窗口中，然后键入字符，也可正常回显。

（直接在终端窗口中键入字符）

完整代码请参考：

https://gitee.com/Nuclei-Software/nuclei-board-labs/tree/master/rvstar/uart/uart_return_char

实验2：控制板载RGB LED

实验2是通过PC主机向RV-STAR的串口发送'r'，'g'，'b'三种不同的字符，用以控制RV-STAR的板载RGB LED产生不同的亮光。

和实验1的回传字符程序不同的地方是，实验2的代码里使用了一个char类型的全局变量led_color作为主程序和中断服务程序的桥梁，用于存储在中断服务程序中接收到的字符，然后在主程序的循环体中调用函数，据此变量改变led的状态。

完整代码请参考：

https://gitee.com/Nuclei-Software/nuclei-board-labs/tree/master/rvstar/uart/uart_control_led

实验现象参考以下动图，在CoolTerm终端中键入'r'，'g'，'b'字符，LED依次亮红光、绿光和蓝光。

实验3：返回接收的字符串

实验3是实验1和实验2的升级版，可以让RV-STAR开发板接收从PC主机发送的一串字符串并进行回传。其实现思路是：在全局变量中定义了一个数组用作接收数据的环形缓冲区，每次在接收中断里将收到的字符存入环形缓冲区，在主循环中检测接收缓冲区是否收到了一段完整的字符串（通过判断头尾指针和'\n'结束符），然后再将缓冲区中的字符依次传出。

在CoolTerm中的实验现象参照下图（需要键入一个回车光标作为结束符）：