راه اندازی UART در STM32، رجیستری و HAL

راه اندازی UART در STM32 بدون در نظر گرفتن قابلیت های دیگر آن، به راحتی انجام می شود. واحدهای USART میکروکنترلرهای STM32 ویژگی هایی دارند که در نوشتۀ «ویژگی های USART در STM32» به آنها پرداخته ایم. اگر بخواهیم تنها از پایه های RX و TX در مد آسنکرون برای ارتباط سریال استفاده کنیم، کافی است به دو رجیستر مقدار بدهیم. در این نوشته به راه اندازی USART در STM32 در مد آسنکرون، بدون استفاده از امکانات دیگر آن، می پردازیم. و نمونه کدهایی را برای تبادل داده بین میکروکنترلر و کامپیوتر بررسی می کنیم. ابتدا به تشریح اتصالات و ابزارهای لازم برای ارتباط با کامپیوتر می پردازیم. سپس دو نمونه کد رجیستری USART در STM32 را بررسی می کنیم. نمونه کد اول بدون استفاده از وقفه و دریافت داده به روش Polling است. نمونه کد دوم را نیز با استفاده از وقفه و دریافت داده با وقفۀ دریافت نوشته ایم. پس از آن دو نمونه کد USART در STM32 با HAL را بررسی می کنیم. که در یکی از آنها، دریافت به صورت Polling است و در دیگری با وقفۀ دریافت. این نمونه کدها که آنها را برای میکروکنترلر STM32F107VC در نرم افزار Keil نوشته ایم، در پیوست قرار دارند.

راه اندازی USART در AVR

فیلم آموزش میکروکنترلرهای AVR مقدماتی

فیلم آموزش ARM STM32 مقدماتی

فیلم آموزش آردوینو مقدماتی

تصویر 1 – ارتباط سریال میکروکنترلر STM32 با کامپیوتر

ابزارهای لازم برای ارتباط سریال STM32 با کامپیوتر

برای اتصال پایه های TX و RX میکروکنترلر به پورت سریال کامپیوتر، به مبدل های سطح ولتاژ مثل MAX232 نیاز داریم. اگر از پورت USB کامپیوتر استفاده کنیم، باید از مبدل های USB به سریال مثل CP2102 استفاده کنیم. باید RX و TX این مبدل ها را به ترتیب به TX و RX واحد USART میکروکنترلر متصل کنیم. اما باید به ولتاژ سطح High توجه داشت. مثلاً ولتاژ سطح High در میکروکنترلرهای STM32F1 (با تغذیۀ 3.3 ولت) برابر 3.3 ولت و ولتاژ سطح High آی سی CP2102 برابر 5 ولت است. بنابراین بهتر است برای اتصال پایۀ TX آی سی یا ماژول CP2102 به RX میکروکنترلر، از تقسیم مقاومتی استفاده کنیم. ما در این پروژه از برد توسعۀ STM32F10xVxxx یوبرد استفاده کرده ایم که آی سی CP2102 دارد. در این برد برای اتصال RX و TX آی سی CP2102 به TX و RX واحد USART شمارۀ 1 میکروکنترلر، باید پایه های 1 و 2 و همچنین 3 و 4 پین هدرهای نری روی برد، به یکدیگر متصل شوند.

نصب درایور CP2102

تصویر 2 – ماژول های CP2102 و MAX232  و برد توسعۀ STM32F1 یوبرد

برای راه اندازی UART در STM32 در این نوشته، چون می خواهیم بین میکروکنترلر و کامپیوتر ارتباط برقرار کنیم، به نرم افزار ترمینال پورت سریال نیاز داریم. ترمینال های پورت سریال متعددی وجود دارد. یکی از این ترمینال ها، نرم افزار Hercules است. پس از پروگرام کردن STM32، اتصالات بین میکروکنترلر و کامپیوتر را برقرار می کنیم. سپس نرم افزار Hercules (یا هر ترمینال پورت سریال دیگر) را باز می کنیم. ارتباط سریال را برقرار می کنیم و به تبادل داده می پردازیم. دقت شود که تنظیمات پورت سریال در Device manager کامپیوتر به این صورت باشد:

• مقدار Bit per second برابر 115200 باشد؛
• مقدار Data bit برابر 8 باشد؛
• مقدار Parity برابر None باشد؛
• مقدار Stop bit برابر 1 باشد؛
• و مقدار Flow control برابر None باشد.

تصویر 3 – نرم افزار Hercules یا هرکولس

نمونه کد رجیستری برای راه اندازی UART در STM32

برای راه اندازی ارتباط سریال STM32 با مقداردهی به رجیسترها نمونه کد زیر را داریم. ابتدا کتابخانه های stm32f10x.h و gpio.h را فراخوانی و پایه های RX و TX را دیفاین کرده ایم. پایه های RX و TX واحد USART1، بدون Remap، روی PA10 و PA9 هستند. در تابع main متغیری برای ذخیرۀ دادۀ دریافتی تعریف می کنیم. در سه سطر بعدی با مقداردهی به رجیسترهای CR و CFGR، منبع کلاک سیستم را HSI تعیین می کنیم. بنابراین فرکانس کلاک سیستم و واحد USART1 برابر 8 مگاهرتز خواهد بود. سپس به بیت های فعال سازی کلاک USART1 و AFIO از رجیستر APB2ENR مقدار می دهیم. در سطر بعد، با مقداردهی به MAPR، برای برنامه ریزی میکروکنترلر، ارتباط JTAG را غیر فعال و ارتباط SWD را فعال می کنیم. سپس با تابع gpio_config از کتابخانۀ gpio.h، مد پایه های RX و TX را تعیین می کنیم. طبق مطالب Reference manual، آنها را به ترتیب روی Input floating و Alternate function output قرار می دهیم. در ادامه به رجیسترهای USART1 مقدار می دهیم. برای مقداردهی به BRR باید از فرمول زیر استفاده کنیم.

Tx / Rx baud = fck / (16 * USARTDIV) = 8000000 / (16 * 115200) = 4.34

مقدار  fck همان مقدار فرکانس کلاک USART1 است. مقدار USARTDIV هم همان Baud rate مورد نظر که ما می خواهیم 115200 باشد. باید عدد صحیح حاصل را 4 بیت به سمت چپ شیفت دهیم. سپس آن را با 16 * 0.34 به صورت بیتی OR کنیم و نتیجه را در BRR قرار دهیم. در 0.34 * 16، باید نتیجه را روند کنیم.

   0000000000000100	<<	4
=> 0000000001000000	| (0.34 * 16)
=> 0000000001000000	| 5.44
=> 0000000001000000	| 5
=> 0000000001000000	| 0000000000000101	= 0000000001000101 = 69 = 0x45

نتیجۀ این عملیات برابر 69 است. که آن را در BRR قرار می دهیم. در ادامه با مقداردهی به بیت های UE و RE و TE از رجیستر CR1، واحد USART1 را به همراه گیرنده و فرستنده فعال می کنیم. تا اینجا برای راه اندازی USART در STM32، آن را پیکربندی کردیم.

#include <stm32f10x.h>
#include "gpio.h"


#define usart1_rx_pin		pa_10
#define usart1_tx_pin		pa_9

int main(void)
{
	unsigned char data = 0;
	
	RCC->CR |= (1<<0);															// HSI on
	while((RCC->CR & (1<<1)) != (1<<1));						// Wait for HSI ready
	RCC->CFGR &=~ ((1<<1)|(1<<0));									// Select HSI as System clock
	
	RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN | RCC_APB2ENR_AFIOEN;	// Activate AFIO and USART1 Clock
	AFIO->MAPR |= AFIO_MAPR_SWJ_CFG_JTAGDISABLE;								// Activate SWD and deactive JTAG

	
	gpio_config(usart1_rx_pin, input_floating, 2);
	gpio_config(usart1_tx_pin, alternate_function_output_push_pull, 2);
	
	
	USART1->BRR = 0x45;
	USART1->CR1 = USART_CR1_RE | USART_CR1_TE | USART_CR1_UE;

تصویر 4 – رجیستر BRR و CR1 واحد USART میکروکنترلرهای STM32F1

راه اندازی UART در STM32، تبادل دادۀ سریال

در حلقۀ while ابتدا بیت RXNE رجیستر SR را چک می کنیم. اگر این بیت 1 شود، به معنی این است که یک بایت داده دریافت شده است. اگر داده ای دریافت شود، RXNE یک و دستورهای درون if اجرا می شود. بایت دریافتی را در از رجیستر DR می خوانیم و آن را در متغیر data قرار می دهیم. سپس بیت TXE رجیستر SR را بررسی می کنیم. تا زمانی که بیت TXE صفر باشد، برنامه از حلقۀ while بدون دستور خارج نمی شود. وقتی رجیستر ارسال خالی می شود، این بیت یک و برنامه از حلقۀ while بدون دستور خارج می شود. سپس داده ای را که دریافت کرده بودیم، در رجیستر DR قرار می دهیم تا ارسال شود. بنابراین انتظار داریم میکروکنترلر هر کاراکتری را که دریافت کرد، همان را به کامپیوتر ارسال کند.

while(1)
	{
		if ( (USART1->SR & USART_SR_RXNE) == USART_SR_RXNE )
		{
			data = USART1->DR;
			
			while(!(USART1->SR & USART_SR_TXE));
			USART1->DR = data;
			
		}
	}
}

میکروکنترلر را پروگرام و نتیجۀ تبادل داده را مشاهده می کنیم. می بینیم که به محض ارسال هر کاراکتر، همان را دریافت می کنیم. کاراکترهای صورتی کاراکترهایی هستند که ما برای میکروکنترلر ارسال می کنیم. کاراکترهای مشکی نیز، کاراکترهای دریافتی از میکروکنترلر هستند.

تصویر 5 – نتیجۀ نمونه کد رجیستری راه اندازی USART در STM32 با روش Polling

نمونه کد رجیستری راه اندازی واحد USART در STM32 با وقفه

اگر بخواهیم از وقفۀ دریافت استفاده کنیم، کافی است برنامه به این صورت باشد. تفاوت برنامۀ زیر با برنامۀ قبلی به این صورت است:

• در رجیستر CR واحد USART1، به بیت RXNEIE مقدار داده ایم. در این صورت اگر یک بایت داده دریافت شود، هم بیت RXNE یک می شود و هم وقفۀ USART اتفاق می افتد.
• با تابع NVIC Enable IRQ، وقفۀ USART1 را فعال کرده ایم.
• دستورهای حلقۀ while بی نهایت را به روتین وقفۀ USART1 منتقل کرده ایم. اگر وقفۀ USART اتفاق بیفتد، و این وقفه ناشی از یک شدن بیت RXNE (دریافت داده) باشد، دستورهای درون if اجرا می شود. و به همان شکلی که پیشتر توضیح دادیم، دادۀ دریافتی از کامپیوتر، دوباره به کامپیوتر ارسال می شود.

به این صورت می توانیم برای راه اندازی UART در STM32 از وقفۀ دریافت استفاده کنیم. مزیت استفاده از وقفۀ دریافت این است که دیگر نیازی نیست به طور دائم وضعیت یک بیت را بررسی کنیم. به محض دریافت یک بایت، وقفۀ USART اتفاق می افتد و در وقفه می توانیم آن بایت را بخوانیم.

#include <stm32f10x.h>
#include "gpio.h"


#define usart1_rx_pin		pa_10
#define usart1_tx_pin		pa_9

int main(void)
{
	unsigned char data = 0;
	
	RCC->CR |= (1<<0);															// HSI on
	while((RCC->CR & (1<<1)) != (1<<1));// Wait for HSI ready
	RCC->CFGR &=~ ((1<<1)|(1<<0));	// Select HSI as System clock
	
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN | RCC_APB2ENR_AFIOEN;// Activate AFIO and USART1 Clock
	AFIO->MAPR |= AFIO_MAPR_SWJ_CFG_JTAGDISABLE;// Activate SWD and deactive JTAG

	
	gpio_config(usart1_rx_pin, input_floating, 2);
	gpio_config(usart1_tx_pin, alternate_function_output_push_pull, 2);
	
	
	USART1->BRR = 0x45;
	USART1->CR1 = USART_CR1_RE | USART_CR1_TE | USART_CR1_UE | USART_CR1_RXNEIE;
	
	
	NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
	
	while(1)
	{
		
	}
}

void USART1_IRQHandler(void)
{
	unsigned char data = 0;
	
	if ((USART1->SR & USART_SR_RXNE) == USART_SR_RXNE)
	{
		data = USART1->DR;
		
		while(!(USART1->SR & USART_SR_TXE));
		USART1->DR = data;
	}
}

تصویر 6 – نتیجۀ نمونه کد رجیستری راه اندازی USART در STM32 با فعال کردن وقفۀ دریافت

نمونه کد HAL برای راه اندازی UART در STM32

برای راه اندازی واحد سریال STM32 با تنظیماتی مثل تنظیمات نمونه کدهای رجیستری، به این صورت عمل می کنیم. در نرم افزار STM32CubeMX، در بخش System core و SYS، دیباگ را روی Serial wire قرار می دهیم (1). در بخش Connectivity و USART1 نیز Mode را روی Asynchronous قرار می دهیم (2). در بخش Configuration در تب Parameter settings هم Baud rate را روی 115200 تنظیم می کنیم (3). اگر بخواهیم از وقفه هم استفاده کنیم، در تب NVIC settings تیک USART1 global interrupt را می زنیم (4). تنظیمات کلاک میکروکنترلر را تغییر نمی دهیم. در تب Project manager نرم افزار، نام و مسیر پروژه و همچنین Toolchain مورد نظر را تعیین می کنیم. ما MDK-ARM را انتخاب کره ایم. در نهایت روی دکمۀ Generate کلیک می کنیم (5).

تصویر 7 – تنظیمات USART در STM32CubeMX

در پروژۀ باز شده، در ابتدای تابع Main رشتۀ buffer_str را تعریف کرده ایم. در حلقۀ while نیز از تابع HAL_UART_Receive برای دریافت یک رشته استفاده می کنیم. پارامتر ورودی اول این تابع اشاره گر به متغیری است که در ابتدای فایل main.c به این صورت تعریف شده است:

UART_HandleTypeDef huart1;

که UART_HandleTypeDef یک تایپ دف از استراکچر مربوط به USART است. این استراکچر در کتابخانۀ stm32f1xx_hal_uart.h تعریف شده است. ورودی دوم رشته ای است که می خواهیم کاراکترهای دریافتی در آن ذخیره شوند. پارامتر ورودی سوم، طول رشتۀ دریافتی است. پارامتر ورودی چهارم هم، مقدار زمانی است که تابع برای دریافت رشته منتظر می ماند. پس از ذخیره شدن رشتۀ دریافتی در buffer_str، با تابع HAL_UART_Transmit آن را ارسال می کنیم. پارامترهای ورودی این تابع مانند تابع دریافت است. در نهایت در یک حلقۀ for، کاراکترهای ذخیره شده در buffer_str را پاک می کنیم.

int main(void)
{
	/* USER CODE BEGIN 1 */
	uint8_t buffer_str[11];
	/* USER CODE END 1 */

	/* MCU Configuration
	.
	.
	.
	.
	.	
	 /* Infinite loop */
	 /* USER CODE BEGIN WHILE */
	 while (1)
	 {
		 HAL_UART_Receive(&huart1, buffer_str, 11, 100);
		 
		 HAL_UART_Transmit(&huart1, buffer_str, 11, 100);
		 
		 for(uint8_t counter = 0; counter< 11; counter++)
		 {
			 buffer_str[counter] = 0;
		 }
		 
		 /* USER CODE END WHILE */

		 /* USER CODE BEGIN 3 */
	 }
	 /* USER CODE END 3 */
 }

تصویر 8 – نتیجۀ نمونه کد HAL راه اندازی UART در STM32 با روش Polling

نمونه کد HAL راه اندازی UART در STM32 با وقفه

در صورتی که بخواهیم وقفه را هم فعال کنیم، باید به این صورت عمل کنیم. در نرم افزار STM32CubeMX، تنظیمات را مانند مراحل قبلی انجام می دهیم. در این تنظیمات باید در تب NVIC settings تیک USART1 global interrupt را فعال کنیم. سپس روی دکمۀ Generate code کلیک می کنیم. رشتۀ buffer_str را به صورت عمومی تعریف می کنیم. قبل از حلقۀ while تابع HAL_UART_Receive_IT را فراخوانی می کنیم. با فراخوانی این تابع، وقفۀ USART را برای دریافت داده فعال می کنیم. ورودی اول این تابع همان اشاره گر مذکور است. ورودی دوم آن، رشته ای است که می خواهیم کاراکترهای دریافتی در آن قرار بگیرد. ورودی سوم آن نیز تعداد کاراکترهایی است که می خواهیم دریافت کنیم. کدهای نوشته شده در حلقۀ while را در تابعی دیگر می آوریم. در تابع HAL_UART_RxCpltCallback، که پروتوتایپ مشخصی دارد و متن آن را می توانیم در فایل main.c تعریف کنیم. هر بار که رشته ای دریافت شود، این تابع اجرا می شود. ما در این تابع رشتۀ دریافت شده را ارسال و تابع HAL_UART_Receive_IT را دوباره فراخوانی می کنیم.

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
UART_HandleTypeDef huart1;

/* USER CODE BEGIN PV */
uint8_t buffer_str[11];
/* USER CODE END PV */
.
.
.
.
int main(void)
{
	/* USER CODE BEGIN 1 */
	
	/* USER CODE END 1 */
	.
	.
	.
	.
	/* USER CODE BEGIN 2 */
	
	HAL_UART_Receive_IT(&huart1, buffer_str,11);
	
	/* USER CODE END 2 */

	/* Infinite loop */
	/* USER CODE BEGIN WHILE */
	while (1)
	{
		/* USER CODE END WHILE */

		/* USER CODE BEGIN 3 */
	}
	/* USER CODE END 3 */
}
.
.
.
.
/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
	HAL_UART_Transmit(&huart1, buffer_str, 11, 100);
	HAL_UART_Receive_IT(&huart1, buffer_str, 11);
}
/* USER CODE END 4 */

تصویر 9 – نتیجۀ نمونه کد HAL راه اندازی UART در STM32 با وقفه دریافت

در ادامه ویدئویی مربوط به امکانات USART در STM32 ارائه شده است. که ویدئویی مربوط به آموزش های سالهای گذشته است. دیدن آن خالی از لطف نیست.

ویدئوی 1 – امکانات USART در STM32

نتایج راه اندازی UART در STM32

1. واحد USART میکروکنترلرهای STM32 علاوه بر ارتباط USART، قابلیت های دیگری نیز دارد.
2. ارتباط کامپیوتر با میکروکنترلر از طریق ارتباط سریال USART، به مبدل های سطح ولتاژ (برای استفاده از پورت سریال کامپیوتر) یا مبدل های USB به UART (برای استفاده از پورت USB کامپیوتر) و همچنین یک نرم افزار ترمینال پورت سریال نیاز دارد.
3. برای راه اندازی USART در STM32 به صورت رجیستری، برای داشتن حداقل امکانات، تها کافی است به دو رجیستر BRR و CR1 مقدار داد.
4. برای تنظیم باود ریت در واحد USART میکروکنترلرهای STM32، امکان در نظر گرفتن اعشارِ عددِ به دست آمده از فرمول مربوط، وجود دارد.
5. در راه اندازی واحد UART در STM32 با استفاده از وقفۀ USART، برای این که وقفه با دریافتِ بایت اتفاق بیفتد، می توان بیت RXNEIE رجیستر CR1 را 1 کرد.
6. برای راه اندازی USART میکروکنترلرهای STM32F1 با توابع HAL، در ساده ترین حالت، کافی است در نرم افزار STM32CubeMX مد ارتباط و باود ریت را تنظیم کرد.
7. برای راه اندازی USART در STM32 با توابع HAL و وقفۀ دریافت، باید از تابع HAL_UART_Receive_IT استفاده کرد. برای دریافت می توان تابع HAL_UART_RxCpltCallback را به کار برد.