嵌入式开发代码实践——串口通信（UART）研发
串口通信（UART）开发详解
一、UART通信基础概念
1.1 什么是UART？
UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）是一种异步串行通信接口。它是嵌入式系统中最常用的通信方式之一。
1.2 UART通信特点
异步通信：无需时钟信号，靠起始位、停止位同步
全双工：可同时发送和接收数据
点对点通信：通常用于两个设备之间的通信
传输距离：TTL电平约1米，RS-232可达15米
1.3 UART数据帧格式
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│空闲│起始│数据位0│数据位1│...│数据位7│校验位│停止位│空闲│
├───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┤
│高 │低 │数据内容 │可选 │高 │高 │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘起始位：1位低电平
数据位：通常8位（也可5、6、7位）
校验位：可选（奇校验、偶校验）
停止位：1或2位高电平
二、硬件原理分析
2.1 i.MX6ULL UART硬件框图
┌─────────────────────┐ ┌─────────────────────┐
│ i.MX6ULL │ │ PC主机 │
│ │ │ │
│ UART1控制器 │◄────►│ USB转串口 │
│ - 发送寄存器 │ │ (CH340) │
│ - 接收寄存器 │ │ │
│ - 控制寄存器 │ └─────────────────────┘
└─────────┬───────────┘│▼
┌─────────────────────┐
│ 硬件引脚 │
│ TXD (发送) │───┐
│ RXD (接收) │◄──┘
└─────────────────────┘2.2 引脚定义（参考原理图）
UART1_TX：发送数据引脚，数据从芯片发送出去
UART1_RX：接收数据引脚，数据从外部接收进来
波特率：115200 bps（每秒传输115200位）
三、代码详细解析
3.1 头文件定义（uart.h）
#ifndef _UART_H_
#define _UART_H_// 声明UART相关函数
extern void uart1_init(void); // UART1初始化
extern void putc(unsigned char d); // 发送一个字符
extern void puts(const char *s); // 发送字符串
extern unsigned char getc(void); // 接收一个字符#endif // !_UART_H_3.2 UART初始化函数（uart.c）
3.2.1 引脚配置
void uart1_init(void)
{// 1. 复用功能配置 - 将引脚配置为UART功能IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX, 0); // RX引脚复用为UARTIOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX, 0); // TX引脚复用为UART// 2. 电气特性配置 - 设置引脚的电气参数IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX, 0x10B0); // RX引脚电气特性IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX, 0x10B0); // TX引脚电气特性详细解释：
IOMUXC_SetPinMux()：选择引脚功能第一个参数：引脚名称（如
IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX）第二个参数：复用选择器（0表示选择主要功能）
IOMUXC_SetPinConfig()：配置引脚电气特性参数
0x10B0含义：0x：十六进制前缀10B0：配置驱动强度、上下拉、速度等参数
3.2.2 复位UART控制器
// 3. 软件复位UART控制器UART1->UCR2 &= ~(1 << 0); // 清除UART使能位，相当于复位寄存器解释：
UART1->UCR2：UART控制寄存器2位0（UARTEN）：UART使能位
0：禁用UART（复位状态）
1：使能UART
先清除此位，再重新配置，确保从干净状态开始
3.2.3 配置UART参数
// 4. 配置UART控制寄存器2unsigned int t;t = UART1->UCR2; // 读取当前值t |= (1 << 14); // 设置IRTS位，忽略RTS流控t &= ~(1 << 8); // 清除PREN位，禁用奇偶校验t &= ~(1 << 6); // 清除STPB位，1个停止位t |= (1 << 5); // 设置WS位，8位数据位t |= (1 << 2); // 设置TXEN位，使能发送器t |= (1 << 1); // 设置RXEN位，使能接收器UART1->UCR2 = t; // 写回寄存器UCR2寄存器位详解：
位 名称 功能
──────────────────────────
0 UARTEN UART使能位
1 RXEN 接收器使能
2 TXEN 发送器使能
5 WS 字长选择（0=7位，1=8位）
6 STPB 停止位数量（0=1位，1=2位）
8 PREN 奇偶校验使能
14 IRTS 忽略RTS流控（必须设置为1）3.2.4 配置其他UART寄存器
// 5. 配置UART控制寄存器3UART1->UCR3 |= (1 << 2); // 设置RXDMUXSEL位（必须为1）// 6. 配置FIFO控制寄存器UART1->UFCR &= ~(7 << 7); // 清除参考时钟分频位UART1->UFCR |= (5 << 7); // 设置1分频（参考时钟分频器）UCR3寄存器：
位2（RXDMUXSEL）：接收数据多路复用器选择
必须设置为1，芯片工作在MUXED模式
UFCR寄存器：
位7-9（RFDIV）：参考时钟分频器
101（十进制5）= 1分频公式：分频值 = 6 - RFDIV
3.2.5 配置波特率
// 7. 波特率配置（115200 bps）UART1->UBIR = 999; // 增量寄存器UART1->UBMR = 43401; // 模数寄存器// 8. 使能UARTUART1->UCR1 |= (1 << 0); // 设置UARTEN位，使能UART
}波特率计算公式：
BaudRate = Ref_Freq / (16 × ((UBMR + 1) / (UBIR + 1)))其中：
Ref_Freq= 80MHz（系统参考时钟）UBIR= 999（增量寄存器值）UBMR= 43401（模数寄存器值）
计算验证：
波特率 = 80,000,000 / (16 × ((43401 + 1) / (999 + 1)))= 80,000,000 / (16 × (43402 / 1000))= 80,000,000 / (16 × 43.402)= 80,000,000 / 694.432≈ 115200 bps3.3 字符发送函数
void putc(unsigned char d)
{// 等待发送完成（检查TXDC标志位）while ((UART1->USR2 & (1 << 3)) == 0);// 写入要发送的数据到发送寄存器UART1->UTXD = d;
}工作原理：
UART1->USR2 & (1 << 3)：检查状态寄存器2的TXDC位（位3）0：发送器忙，正在发送数据
1：发送完成，可以发送新数据
while循环：一直等待，直到发送完成标志为1UART1->UTXD = d：将数据写入发送寄存器，自动开始发送
状态寄存器2（USR2）位：
位3（TXDC）：发送完成标志
0：发送器忙或禁用
1：发送缓冲区和移位寄存器都为空
3.4 字符串发送函数
void puts(const char *s)
{// 遍历字符串，逐个发送字符while (*s){putc(*s++); // 发送当前字符，指针后移}putc('\n'); // 发送换行符，便于阅读
}工作原理：
while (*s)：检查当前字符是否为字符串结束符'\0'putc(*s++)：发送当前字符，然后指针s指向下一个字符循环直到遇到字符串结束符
putc('\n')：额外发送换行符
3.5 字符接收函数
unsigned char getc(void)
{// 等待接收数据就绪（检查RDR标志位）while ((UART1->USR2 & (1 << 0)) == 0);// 读取接收寄存器中的数据return (unsigned char)UART1->URXD;
}工作原理：
UART1->USR2 & (1 << 0)：检查状态寄存器2的RDR位（位0）0：没有接收到数据
1：有数据可以读取
while循环：一直等待，直到有数据可读(unsigned char)UART1->URXD：读取接收寄存器并转换为无符号字符
状态寄存器2（USR2）位：
位0（RDR）：接收数据就绪标志
0：没有接收到新数据
1：接收到新数据，可以读取
接收寄存器（URXD）注意：
URXD寄存器是只读的
读取后，RDR标志会自动清除
四、主程序中的UART使用
4.1 主程序调用（main.c）
int main(void)
{// 系统初始化system_interrupt_init(); // 中断系统初始化clock_init(); // 时钟初始化led_init(); // LED初始化beep_init(); // 蜂鸣器初始化key_init(); // 按键初始化gpt1_init(); // 定时器初始化// UART初始化（重点）uart1_init(); // 初始化UART1，配置为115200波特率unsigned char ch; // 用于存储接收到的字符while(1){// 延时1秒delay_us(1000 * 1000);// 控制LED和蜂鸣器翻转led_nor(); // LED状态翻转beep_nor(); // 蜂鸣器状态翻转// UART通信部分ch = getc(); // 从串口接收一个字符（会等待直到有数据）putc(ch); // 将接收到的字符发送回去（回显功能）puts("\nhello world!"); // 发送字符串}return 0;
}4.2 程序流程图
开始↓
初始化系统（时钟、中断等）↓
初始化UART（配置引脚、波特率115200）↓
┌─────────────────────────────┐
│ 主循环 │
│ ↓ │
│ 延时1秒 │
│ ↓ │
│ LED和蜂鸣器翻转 │
│ ↓ │
│ 等待接收串口数据 │←──┐
│ ↓ │ │
│ 将接收的数据发送回去 │ │
│ ↓ │ │
│ 发送"hello world!"字符串 │ │
│ ↓ │ │
│ (循环继续) │ │
└──────────────┬──────────────┘ ││ │└──────────────────┘五、常见问题与调试
5.1 常见问题
没有输出/全是乱码
检查波特率是否匹配（PC端和开发板都设为115200）
检查TX、RX线是否接反
检查电源是否正常
只能发送不能接收
检查RX引脚配置是否正确
检查PC端串口工具是否已打开串口
检查线路连接是否良好
发送数据不完整
检查发送函数是否正确等待发送完成标志
检查是否有其他中断影响