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

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

• 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 or 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

• 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。