如何使用UART+DMA的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸？

UART是做嵌入式產(chǎn)品非常重要的一個(gè)模塊，它可以作為shell來進(jìn)行軟件調(diào)試，也可以簡單的打印日志或錯(cuò)誤信息，還可以用作數(shù)據(jù)通訊，比如工業(yè)總線，電力規(guī)約等都會用到。針對MCU而言，它可能是除GPIO外最常用的模塊，但在使用過程中，有一些細(xì)節(jié)常常會被忽略而導(dǎo)致產(chǎn)品不穩(wěn)定甚至死機(jī)，今天我們就聊聊UART## UART的連接

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)是一種異步通訊，其中通訊的雙方主要通過TX, RX交叉連接，有些MCU還支持硬件流控，那就又包含RTS和CTS這兩個(gè)信號。支持硬件流控的MCU在驅(qū)動(dòng)RS485收發(fā)器的時(shí)候，可以使用RTS作為收發(fā)使能的控制信號，這樣軟件工程師在寫驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，就不需要控制GPIO來切換發(fā)送與接收，而且發(fā)送過程中，當(dāng)數(shù)據(jù)寫入D寄存器后，不需要等待移位的完成，就可以直接去處理其他任務(wù)

下圖來自Kinetis KV4參考手冊

UART的參數(shù)

UART主要的參數(shù)如下表所示

與I2C/SPI不同，UART在通訊過程中是沒有同步時(shí)鐘的，所以需要用本地時(shí)鐘采用對方發(fā)送的數(shù)據(jù)，這樣就有一個(gè)容錯(cuò)的問題，也就是當(dāng)時(shí)鐘偏差多大后，通訊將無法建立。Kinetis KV參考手冊中描述了計(jì)算方法：(RT cycles表示UART模塊的系統(tǒng)時(shí)鐘，每個(gè)UART bit都是由16倍的采樣完成，并且在RT8,9,10這三個(gè)點(diǎn)采樣)

針對時(shí)鐘正偏的情況(時(shí)鐘比數(shù)據(jù)快)，在此情況下至少要保證最采樣STOP bit 的RT8, RT9, RT10落在STOP電平(而不是倒數(shù)第一個(gè)字節(jié))才能保證采樣數(shù)據(jù)不出錯(cuò)

那允許的誤差就是7 RT cycles/總的RT cycles，而總的RT cycles與數(shù)據(jù)的長度有關(guān)，針對1bit起始+8bit數(shù)據(jù)，帶入公式可以得出總的RT cycles = (9 x 16 + 10)，容錯(cuò)率為 7 / (9 x 16 + 10) = 4.54%。針對1bit起始+8bit數(shù)據(jù)+1bit校驗(yàn)，容錯(cuò)率為7/(10x16 + 10) = 4.12%

針對時(shí)鐘負(fù)偏的情況(時(shí)鐘比數(shù)據(jù)慢)，臨界區(qū)應(yīng)該是RT8, RT9, RT10采在MSB的末尾，這樣就會多占用6個(gè)RT cycles，個(gè)人覺得這個(gè)圖有點(diǎn)問題，應(yīng)該把RT8, 9, 10放在STOP的末尾，RT11~16放到IDLE or NEXT FRAME，不過手冊里計(jì)算公式是沒有問題的：

允許的誤差就是-6 RT cycles/總的RT cycles，針對1bit起始+8bit數(shù)據(jù)，帶入公式可以得出容錯(cuò)率 = -6/(10x16) = -3.9%，1bit起始+8bit數(shù)據(jù)+1bit校驗(yàn)容錯(cuò)率 = -6/(11x16) = -3.53%

所以如果想要穩(wěn)定的UART通訊，一定要保證UART的時(shí)鐘源正偏不超過4.12%，負(fù)偏不超過3.53%，如果設(shè)備要在全溫范圍內(nèi)工作，建議還是使用外部晶體作為UART的時(shí)鐘源或者檢查下內(nèi)部時(shí)鐘是否能滿足這個(gè)要求，下圖是KL17內(nèi)部時(shí)鐘的相關(guān)參數(shù)，還需要說明一點(diǎn)，整個(gè)計(jì)算過程是認(rèn)為對端設(shè)備時(shí)鐘無誤差，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該保留一定的降額

UART的使用

MCU芯片廠商往往都會提供UART的相關(guān)示例，通常有3中模式，針對這三種不同的模式，用戶可以根據(jù)自身的需求來進(jìn)行選擇：

UART的示例

今天我們就以RT1170為例，接收下如何使用UART+DMA的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。首先我們Clone一個(gè)UART with DMA的工程，原始工程在MCUXpresso SDK目錄boardsevkmimxrt1170driver_exampleslpuartedma_transfer中，我們先看下原始代碼：

//初始化時(shí)鐘,Pin
BOARD_ConfigMPU();
BOARD_InitPins();
BOARD_BootClockRUN();

/* Initialize the LPUART. */
/*
 * lpuartConfig.baudRate_Bps = 115200U;
 * lpuartConfig.parityMode = kLPUART_ParityDisabled;
 * lpuartConfig.stopBitCount = kLPUART_OneStopBit;
 * lpuartConfig.txFifoWatermark = 0;
 * lpuartConfig.rxFifoWatermark = 0;
 * lpuartConfig.enableTx = false;
 * lpuartConfig.enableRx = false;
 */
//初始化LPUART
LPUART_GetDefaultConfig(&lpuartConfig);
lpuartConfig.baudRate_Bps = BOARD_DEBUG_UART_BAUDRATE;
lpuartConfig.enableTx     = true;
lpuartConfig.enableRx     = true;

LPUART_Init(DEMO_LPUART, &lpuartConfig, DEMO_LPUART_CLK_FREQ);
//初始化DMA
#if defined(FSL_FEATURE_SOC_DMAMUX_COUNT) && FSL_FEATURE_SOC_DMAMUX_COUNT
/* Init DMAMUX */
DMAMUX_Init(EXAMPLE_LPUART_DMAMUX_BASEADDR);
/* Set channel for LPUART */
DMAMUX_SetSource(EXAMPLE_LPUART_DMAMUX_BASEADDR, LPUART_TX_DMA_CHANNEL, LPUART_TX_DMA_REQUEST);
DMAMUX_SetSource(EXAMPLE_LPUART_DMAMUX_BASEADDR, LPUART_RX_DMA_CHANNEL, LPUART_RX_DMA_REQUEST);
DMAMUX_EnableChannel(EXAMPLE_LPUART_DMAMUX_BASEADDR, LPUART_TX_DMA_CHANNEL);
DMAMUX_EnableChannel(EXAMPLE_LPUART_DMAMUX_BASEADDR, LPUART_RX_DMA_CHANNEL);
#endif
/* Init the EDMA module */
EDMA_GetDefaultConfig(&config);
EDMA_Init(EXAMPLE_LPUART_DMA_BASEADDR, &config);
EDMA_CreateHandle(&g_lpuartTxEdmaHandle, EXAMPLE_LPUART_DMA_BASEADDR, LPUART_TX_DMA_CHANNEL);
EDMA_CreateHandle(&g_lpuartRxEdmaHandle, EXAMPLE_LPUART_DMA_BASEADDR, LPUART_RX_DMA_CHANNEL);
#if defined(FSL_FEATURE_EDMA_HAS_CHANNEL_MUX) && FSL_FEATURE_EDMA_HAS_CHANNEL_MUX
EDMA_SetChannelMux(EXAMPLE_LPUART_DMA_BASEADDR, LPUART_TX_DMA_CHANNEL, DEMO_LPUART_TX_EDMA_CHANNEL);
EDMA_SetChannelMux(EXAMPLE_LPUART_DMA_BASEADDR, LPUART_RX_DMA_CHANNEL, DEMO_LPUART_RX_EDMA_CHANNEL);
#endif
/* Create LPUART DMA handle. */
LPUART_TransferCreateHandleEDMA(DEMO_LPUART, &g_lpuartEdmaHandle, LPUART_UserCallback, NULL, &g_lpuartTxEdmaHandle,&g_lpuartRxEdmaHandle);
//通過DMA發(fā)送字符串g_tipString數(shù)組
/* Send g_tipString out. */
xfer.data     = g_tipString;
xfer.dataSize = sizeof(g_tipString) - 1;
txOnGoing     = true;
LPUART_SendEDMA(DEMO_LPUART, &g_lpuartEdmaHandle, &xfer);
//等待發(fā)送完成
/* Wait send finished */
while (txOnGoing)
{
}
//設(shè)置While(1)發(fā)送/接收的數(shù)據(jù)長度
/* Start to echo. */
sendXfer.data        = g_txBuffer;
sendXfer.dataSize    = ECHO_BUFFER_LENGTH;
receiveXfer.data     = g_rxBuffer;
receiveXfer.dataSize = ECHO_BUFFER_LENGTH;

這段函數(shù)中，使能了UART TX DMA完成中斷以及UART RX DMA中斷，下面是中斷服務(wù)函數(shù)：

/* LPUART user callback */
void LPUART_UserCallback(LPUART_Type *base, lpuart_edma_handle_t *handle, status_t status, void *userData)
{
    userData = userData;

    if (kStatus_LPUART_TxIdle == status)
    {
        txBufferFull = false;
        txOnGoing    = false;
    }

    if (kStatus_LPUART_RxIdle == status)
    {
        rxBufferEmpty = false;
        rxOnGoing     = false;
    }
}

進(jìn)入while(1)后，每接收到8個(gè)字節(jié)就會將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送回來

while (1)
{
    /* If RX is idle and g_rxBuffer is empty, start to read data to g_rxBuffer. */
    if ((!rxOnGoing) && rxBufferEmpty)
    {
        rxOnGoing = true;
        LPUART_ReceiveEDMA(DEMO_LPUART, &g_lpuartEdmaHandle, &receiveXfer);
    }

    /* If TX is idle and g_txBuffer is full, start to send data. */
    if ((!txOnGoing) && txBufferFull)
    {
        txOnGoing = true;
        LPUART_SendEDMA(DEMO_LPUART, &g_lpuartEdmaHandle, &sendXfer);
    }

    /* If g_txBuffer is empty and g_rxBuffer is full, copy g_rxBuffer to g_txBuffer. */
    if ((!rxBufferEmpty) && (!txBufferFull))
    {
        memcpy(g_txBuffer, g_rxBuffer, ECHO_BUFFER_LENGTH);
        rxBufferEmpty = true;
        txBufferFull  = true;
    }
}

這個(gè)Demo可以展示如何使用DMA來傳輸U(kuò)ART，但是實(shí)際用戶在使用的時(shí)候卻很難使用，問題主要出在接收端。各種通訊協(xié)議很少是有固定字節(jié)長度的，比如Modbus，Profibus-DP。針對不定長數(shù)據(jù)的接收，我們常見有以下幾種做法：

1. 使能中斷接收，這樣做軟件處理會比較簡單，但是會占用CPU的中斷資源，每接收1個(gè)字節(jié)都會產(chǎn)生一次中斷。同時(shí)如果系統(tǒng)中需要支持多串口通訊，還可能會出現(xiàn)OR(Receiver Overrun)錯(cuò)誤而導(dǎo)致丟幀
2. 使用DMA接收數(shù)據(jù)，使能IdleLineInterrupt，并配置空閑字節(jié)長度，在Idle中斷服務(wù)程序中Copy數(shù)據(jù)到用戶空間。以Modbus為例，其要求發(fā)送幀間隔是3.5Char，也就是每幀之間的必須等待超過3.5倍的字節(jié)時(shí)間長度，不同的波特率對應(yīng)不同的等待時(shí)間，我們可以配置空閑長度為4個(gè)字節(jié)，這樣MCU如果接收端連續(xù)等待4個(gè)字節(jié)長度時(shí)間都是高電平后產(chǎn)生一個(gè)中斷(RT1170支持從起始位或者停止位開始計(jì)數(shù))

對這個(gè)代碼我們可以做簡單的修改以實(shí)現(xiàn)不定長數(shù)據(jù)的接收：

配置Idle從Stop位開始計(jì)算，空閑等待4個(gè)Char長度

LPUART_GetDefaultConfig(&lpuartConfig);
lpuartConfig.baudRate_Bps = BOARD_DEBUG_UART_BAUDRATE;
lpuartConfig.enableTx     = true;
lpuartConfig.enableRx     = true;

lpuartConfig.rxIdleType = kLPUART_IdleTypeStopBit;
lpuartConfig.rxIdleConfig = kLPUART_IdleCharacter4;

LPUART_Init(DEMO_LPUART, &lpuartConfig, DEMO_LPUART_CLK_FREQ);

使能UART中斷，這里需要注意UART在通訊過程中往往會遇到干擾而導(dǎo)致一些錯(cuò)誤或者異常，MCU在獲取異常后會置位一些錯(cuò)誤標(biāo)志，這些標(biāo)志一定要進(jìn)行處理，否則有可能出現(xiàn)接收終止而導(dǎo)致通訊失敗。不同的芯片針對錯(cuò)誤標(biāo)志的清除方法是不同的(有的需要讀D寄存器，有的需要W1C)，一定要根據(jù)手冊來處理：

LPUART_EnableInterrupts(DEMO_LPUART, kLPUART_RxOverrunInterruptEnable
| kLPUART_NoiseErrorInterruptEnable | kLPUART_IdleLineInterruptEnable
| kLPUART_FramingErrorInterruptEnable | kLPUART_ParityErrorInterruptEnable);
EnableIRQ(DEMO_UART_IRQn);

在EDMA_CreateHandle函數(shù)中關(guān)閉DMA中斷，因?yàn)橐呀?jīng)開啟串口IDLE中斷，就沒必要再DMA中斷，而且很有可能DMA中斷尚未產(chǎn)生，幀數(shù)據(jù)已經(jīng)接收完畢了

/* Get the DMA instance number */
edmaInstance = EDMA_GetInstance(base);
channelIndex = (EDMA_GetInstanceOffset(edmaInstance) * (uint32_t)FSL_FEATURE_EDMA_MODULE_CHANNEL) + channel;
s_EDMAHandle[channelIndex] = handle;

/* Enable NVIC interrupt */
//(void)EnableIRQ(s_edmaIRQNumber[edmaInstance][channel]);

當(dāng)DMA尚未接收到全部數(shù)據(jù)時(shí)，如果幀已經(jīng)結(jié)束，那我們就必須知道當(dāng)前DMA傳輸了多少個(gè)數(shù)據(jù)，所以可以編寫一個(gè)函數(shù)來獲取這個(gè)值

static uint32_t GetRingBufferLengthDMA(void)
{
    return (RS232_MAX_BUFFER - EDMA_GetRemainingMajorLoopCount(EXAMPLE_LPUART_DMA_BASEADDR, LPUART_RX_DMA_CHANNEL));
}

在UART中斷服務(wù)函數(shù)中Copy數(shù)據(jù)到用戶空間，并做異常處理

void LPUART_RX_ISR()
{
    uint32_t status = 0;

    status = LPUART_GetStatusFlags(DEMO_LPUART);

    if ((kLPUART_IdleLineFlag) & status)
    {
	LPUART_ClearStatusFlags(DEMO_LPUART, kLPUART_IdleLineFlag);
	g_rxBuffer.uCount = GetRingBufferLengthDMA();
	g_txBuffer.uCount = g_rxBuffer.uCount;
	memcpy((void *)&g_txBuffer.byData, (void *)&g_rxBuffer.byData, g_rxBuffer.uCount);
        //繼續(xù)接收下一幀數(shù)據(jù)
	LPUART_TransferAbortReceiveEDMA(DEMO_LPUART, &g_lpuartEdmaHandle);
	memset((void *)&g_rxBuffer, 0, sizeof(g_rxBuffer));
	receiveXfer.data  = &g_rxBuffer.byData[0];
	receiveXfer.dataSize = RS232_MAX_BUFFER;
		
	LPUART_ReceiveEDMA(DEMO_LPUART, &g_lpuartEdmaHandle, &receiveXfer);
	g_UartReceivedFlag = 1;

    }

    if ((kLPUART_LinBreakInterruptEnable|kLPUART_RxOverrunInterruptEnable
	| kLPUART_NoiseErrorInterruptEnable | kLPUART_FramingErrorInterruptEnable 
	| kLPUART_ParityErrorInterruptEnable) & status)
    {
	LPUART_ClearStatusFlags(DEMO_LPUART, kLPUART_LinBreakInterruptEnable
	|kLPUART_RxOverrunInterruptEnable | kLPUART_NoiseErrorInterruptEnable
	| kLPUART_FramingErrorInterruptEnable | kLPUART_ParityErrorInterruptEnable);
    }
		
    SDK_ISR_EXIT_BARRIER;
}

封裝接收函數(shù)，每次要接收數(shù)據(jù)前，調(diào)用該函數(shù)即可：

LPUART_TransferAbortReceiveEDMA(DEMO_LPUART, &g_lpuartEdmaHandle);
memset((void *)&g_rxBuffer, 0, sizeof(g_rxBuffer));
receiveXfer.data  = &g_rxBuffer.byData[0];
receiveXfer.dataSize = RS232_MAX_BUFFER;
		
LPUART_ReceiveEDMA(DEMO_LPUART, &g_lpuartEdmaHandle, &receiveXfer);

封裝發(fā)送函數(shù)，每次需要發(fā)送數(shù)據(jù)前，調(diào)用該函數(shù)即可：

void uart_sendDMA(uint32_t len)
{
    /* Send g_tipString out. */
    sendXfer.data     = &g_txBuffer.byData[0];
    if(len < RS232_MAX_BUFFER)
    {
	sendXfer.dataSize = len;
    }
    else
    {
	sendXfer.dataSize = RS232_MAX_BUFFER;
    }
    g_lpuartEdmaHandle.txState = kStatus_LPUART_TxIdle;
    LPUART_SendEDMA(DEMO_LPUART, &g_lpuartEdmaHandle, &sendXfer);

}

修改主循環(huán)，同樣改為還回模式

while(1)
 {
if(g_UartReceivedFlag)
    {
	uart_sendDMA(g_txBuffer.uCount);
	g_UartReceivedFlag = 0;    }
 }

1.PC端開始串口調(diào)試助手并設(shè)置自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，幀間隔最好都修改下

2. 通過判斷發(fā)送與接收的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)以判斷是否有丟包或者死機(jī)的情況。