ATmega328のUSARTの使用方法(準備)

概要

PCとATmega328の間で、データの送受信を行う方法としてシリアル通信がある。
ATmega328では、シリアル通信が簡単にできるUSARTという機能があるので、USARTの知識と使用方法を記載する。

シリアル通信とUSART

シリアル通信で必要なもの

PCとATmega328の間で通信するために、両者を接続するものが必要である。
ここでは、FT232RL(USB−シリアル変換モジュール)を使用して、ATmega328のUSART機能でシリアル通信を行う。

ATmega328のシリアル通信で必要なもの

FT232RL(USB−シリアル変換モジュール)
USB miniBケーブル(FT232RLとPCを接続するケーブル)
FT232RLのドライバ(PCにインストールする)

FT232RLのドライバのインストール方法

1. ドライバをFTDI社からダウンロードする。
2. ダウンロードしたドライバを解凍する。
3. FT232RLをPCに接続すると、ドライバを要求されるので、解凍したドライバのフォルダ(CDM ○○ WHQL Certified)を選択する。
4. ドライバのインストールが完了する。

FT232RLは、USBポートから電源をとるか、外部から電源を供給するかをジャンパにより電源(Vcc)を選択することができる。
その他に、I/Oピンの電圧を3.3[V]またはVccかをジャンパにより選択することができる。

• ジャンパ1(J1)
  • 1 - 2間をショート : I/Oの電圧を3.3[V]にする
  • 2 - 3間をショート : I/Oの電圧をVccにする

• ジャンパ2(J2)
  • 有り(ショート) : USBポートから電源を取る(Vcc = 5[V])
  • 無し(オープン) : 外部から電源を取る(Vcc = 3.3 - 5[V])

USARTの設定

USARTのレジスタ設定

UCSRnA(USART Control and Status Register n A)は、シリアル通信の制御や状態を表すためのレジスタである。

UCSRnA : USART制御 / 状態レジスタA
(n : 0 または 1)

ビット	7	6	5	4	3	2	1	0
名前	RXCn	TXCn	UDREn	FEn	DORn	UPEn	U2Xn	MPCMn

ビット名	説明
RXCn	USART受信完了フラグ 未読データがあるときに1がセットされる
TXCn	USART送信完了フラグ 新規データがないときに1がセットされる 送信完了割り込みを発生できる
UDREn	USART送信データレジスタ空きフラグ 送信バッファが新規データを受け取る準備ができたら1がセットされる 送信バッファ空き割り込みを発生できる
FEn	フレーミング異常フラグ 受信バッファ内の次の文字にフレームエラーが発生したときに1になる
DORn	データオーバーラン発生フラグ データオーバーランを検出すると1になる 受信バッファが満杯のときに、新たにスタートビットを検出するとデータオーバーランが発生する
UPEn	パリティ誤りフラグ 受信バッファ内の次のフレームにパリティエラーが発生したときに設定される
U2Xn	倍速許可 非同期通信のみ有効で、1を設定すると分周比を16から8にする 結果として、通信速度が2倍になる
MPCMn	1を設定すると、マルチプロセッサ通信モードが有効になる アドレス情報を含まない受信データが無視される

UCSRnB : USART制御 / 状態レジスタB
(n : 0 または 1)

ビット	7	6	5	4	3	2	1	0
名前	RXCIEn	TXCIEn	UDRIEn	RXENn	TXENn	UCSZn2	RXB8n	TXB8n

ビット名	説明
RXCIEn	受信完了割り込み許可 UCSRnAの受信完了フラグ(RXCn)での割り込みを許可する
TXCIEn	送信完了割り込み許可 UCSRnAの送信完了フラグ(TXCn)での割り込みを許可する
UDRIEn	送信データレジスタ空き割り込み許可 UCSRnAのUDREnでの割り込みを許可する
RXENn	受信許可 USART受信を許可する
TXENn	送信許可 USART送信を許可する
UCSZn2	データビット長選択2 USCRnCのUCSZn1とUCSZn0ビットと組み合わせたUCSZn2は、送受信フレームのデータのビット長を設定する
RXB8n	9ビット長のデータを受信したときの9番目のビット
TXB8n	9ビット長のデータを送信するときの9番目のビット

UCSRnC (USART Control and Status Register n C) は、パリティやストップビットの設定を行うためのレジスタである。

UCSRnC : USART制御/ 状態レジスタC
(n : 0 または 1)

ビット	7	6	5	4	3	2	1	0
名前	UMSELn 1 - 0		UPMn 1 - 0		USBSn	UCSZn 1 - 0		UCPOLn

ビット名	説明
UMSELn 1 - 0	USART動作選択 00(非同期動作) 01(同期動作) 10(予約) 11(マスターSPI)
UPMn 1 - 0	パリティ選択 00(禁止) 01(予約) 10(偶数パリティ許可) 11(奇数パリティ許可)
USBSn	送信時に挿入されるストップビットのビット数を指定する 0 : ストップビットは1ビット 1 : ストップビットは2ビット
UCSZn 1 - 0	データビット長を選択 UCSZn2と組み合わせて使用する 000(5bit) 001(6bit) 010(7bit) 011(8bit) 111(9bit) 他は予約
UCPOLn	クロック極性を選択する 1 : 同期モード 0 : 非同期モード

送信のタイミング

送信のタイミングは、UCSRnAレジスタの5ビット目であるUDREnに1がセットされると送信が有効になる。

例えば、下記のように記述すれば、送信が有効になると変数dataを送信することができる。

 while(!(UCSR0A & 0b00100000));  // 送信が有効になるまで待つ
 UDR0 = data;                      // データを送信する

受信のタイミング

受信のタイミングは、UCSRnAレジスタの7ビット目であるRXCnに1がセットされると受信は有効になる。

例えば、下記のように記述すれば、受信が有効になるまで待機し、データを受信することができる。

 while(!(UCSR0A & 0b10000000));  // 受信が有効になるまで待つ
 data = UDR0;                      // 受信したデータを格納する

ボーレートの設定

USARTのボーレートの設定は、UBRR0レジスタで設定する。(動的に設定することも可能)

UBRR0の値は、以下の式で計算することができる。
$UBRR0={\frac {\mbox{動 作 周 波 数}}{{\mbox{ボ ー レ ー ト}}*16}}-1$　　${\mbox{(U2Xn = 0 の と き)}}$
$UBRR0={\frac {\mbox{動 作 周 波 数}}{{\mbox{ボ ー レ ー ト}}*8}}-1$　　${\mbox{(U2Xn = 1( 倍 速 許 可 ) の と き)}}$

例えば、ATmega328のクロック周波数が1[MHz]、ボーレートを2400として通信する場合、UBRR0レジスタは下記の値となる。
$UBRR0={\frac {1000000}{2400*16}}-1=25$

FT232RLとATmega328の接続方法

USBポートから電源を取る場合は、以下のように回路を組めばシリアル通信ができる。