MSP430F149 - UARTのソースを表示

== 概要 ==
UART (Universal Asynchronous Receiver / Transmitter) (汎用非同期送受信機) は、シリアル通信の一種であり、データを1ビットずつ送受信する。<br>
<br>
* 非同期通信
*: 送信側と受信側が別々のクロックを使用して、あらかじめ設定されたボーレート (通信速度) に基づいてデータを送受信する。
*: <br>
* データフォーマット
*: スタートビット、データビット (通常8ビット)、パリティビット (オプション)、ストップビットで構成される。
*: <br>
* ボーレート
*: 通信速度のことであり、ビット/秒 (bps) で表現される。
*: 送信側と受信側で同じ設定が必要となる。
*: <br>
* フロー制御
*: データの送受信を制御するために、ハードウェアまたはソフトウェアの手法を使用する。
*: <br>
* 送受信バッファ
*: 送信するデータと受信したデータを一時的に保持するバッファである。
<br>
UARTは、マイコンとPC間、マイコン同士、または他の周辺機器との通信に広く利用されている。<br>
UARTを使用する場合は、ボーレート、データフォーマット、フロー制御等の設定を適切に行う必要がある。<br>
<br><br>

== UART ==
==== 非同期通信 ====
UARTは非同期通信方式を採用している。<br>
送信側と受信側が別々のクロックを使用して、データの送受信タイミングを同期させる必要がない。<br>
<br>
送信側と受信側は、あらかじめ設定されたボーレート (通信速度) に基づいてデータを送受信する。<br>
<br>
==== シリアル通信 ====
UARTは、データを1ビットずつ順番に送信するシリアル通信方式である。<br>
送信側は、データを1ビットずつ送信線 (TX) に送出して、受信側は、受信線 (RX) から1ビットずつデータを受信する。<br>
<br>
==== データフォーマット ====
UARTでは、一般的に以下に示すようなデータフォーマットが使用されている。<br>
<br>
* スタートビット
*: データの開始を示すビット (通常は0)
* データビット
*: 実際のデータを表すビット (通常は8ビット)
* パリティビット
*: エラー検出用のビット (偶数パリティ または 奇数パリティ)
* ストップビット
*: データの終了を示すビット (通常は1 または 2ビット)
<br>
==== ボーレート ====
ボーレートは、UARTの通信速度を表す。<br>
単位は、ビット/秒 (bps) である。<br>
<br>
一般的なボーレートには、9600[bps]、19200[bps]、38400[bps]、115200[bps]等がある。<br>
送信側と受信側は、同じボーレートに設定する必要がある。<br>
<br>
==== フロー制御 ====
UARTでは、データの送受信を制御するためにフロー制御が使用される場合がある。<br>
<br>
* ハードウェアフロー制御
*: RTS (Request to Send) 信号 と CTS (Clear to Send) 信号を使用して、データの送受信を制御する。
* ソフトウェアフロー制御
*: XON / XOFF制御文字を使用して、データの送受信を制御する。
<br>
==== 送受信バッファ ====
UARTには、送信バッファと受信バッファが用意されている。<br>
<br>
送信バッファは送信するデータを一時的に保持して、受信バッファは受信したデータを一時的に保持する。<br>
バッファを使用することにより、データの送受信を効率的に行うことができる。<br>
<br><br>

== 耐ノイズ性 ==
UARTは、他の通信方式と比較して、ノイズの影響を比較的受けやすい通信方式である。<br>
以下に示す理由から、UARTはノイズに弱いといえる。<br>
<br>
* 単線通信
*: UARTは、送信線 (TX) と 受信線 (RX) の2本の信号線を使用して通信を行う。
*: ノイズの影響を受けると、データの誤りが発生しやすくなる。
*: <br>
* 非同期通信
*: UARTは非同期通信方式を採用しているため、送信側と受信側のクロックが完全に同期していない。
*: ノイズの影響でデータのタイミングがずれると、通信エラーが発生する可能性がある。
*: <br>
* 信号レベル
*: UARTは、一般的にTTLレベル (0[V]～5[V]) や CMOSレベル (0[V]～3.3[V]) の信号レベルを使用する。
*: これらの信号レベルは、ノイズの影響を受けやすく、信号の品質が低下する可能性がある。
<br>
ただし、UARTのノイズ耐性を向上させるためのいくつかの手法がある。<br>
* シールドケーブルの使用
*: 通信線をシールドケーブルで保護することにより、外部ノイズの影響を軽減することができる。
*: <br>
* 適切な信号レベルの選択
*: 通信距離や環境に応じて、適切な信号レベル (RS-232、RS-422、RS-485等) を選択することにより、ノイズの影響を軽減できる。
*: <br>
* パリティビットの使用
*: パリティビットを使用することにより、通信エラーを検出して、データの整合性を確認できる。
*: <br>
* フィルタの使用
*: ハードウェアまたはソフトウェアのフィルタを使用して、高周波ノイズを除去することができる。
<br>
これらの手法を適切に組み合わせることにより、UARTのノイズ耐性を向上させることができる。<br>
ただし、極端に高いノイズ環境下では、より高いノイズ耐性を持つ通信方式 (I2C、SPI、CAN等) の使用を検討する必要がある。<br>
<br><br>

== MSP430F149のUSARTモジュール ==
MSP430F149には、2つのUSART (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter) モジュールが搭載されている。<br>
<br>
* USART0
*: 1つ目のUSARTモジュールである。
*: 送信ピン: P3.4 (UTXD0)
*: 受信ピン: P3.5 (URXD0)
*: <br>
* USART1
*: 2つ目のUSARTモジュールである。
*: 送信ピン: P3.6 (UTXD1)
*: 受信ピン: P3.7 (URXD1)
<br>
各USARTモジュールは、UART（非同期）モード または SPI（同期）モードで動作させることができる。<br>
UARTモードでは、シリアル通信を行うために必要な送信、受信、ボーレート設定、データフォーマット設定等の機能が提供される。<br>
<br>
==== 主要なレジスタ ====
USARTモジュールは、以下の主要なレジスタで制御される。<br>
<br>
* 制御レジスタ
*: U0CTL (USART0制御レジスタ)
*: U1CTL (USART1制御レジスタ)
*: USARTの動作モード、データ長、パリティ、ストップビット等を設定する。
*: <br>
* 送信制御レジスタ
*: U0TCTL (USART0送信制御レジスタ)
*: U1TCTL (USART1送信制御レジスタ)
*: クロックソース、送信許可等を設定する。
*: <br>
* 受信制御レジスタ
*: U0RCTL (USART0受信制御レジスタ)
*: U1RCTL (USART1受信制御レジスタ)
*: 受信エラーフラグ等を確認する。
*: <br>
* ボーレート制御レジスタ
*: U0BR0、U0BR1 (USART0ボーレートレジスタ)
*: U1BR0、U1BR1 (USART1ボーレートレジスタ)
*: ボーレートを設定する。
*: <br>
* モジュレーション制御レジスタ
*: U0MCTL (USART0モジュレーション制御レジスタ)
*: U1MCTL (USART1モジュレーション制御レジスタ)
*: ボーレート生成の精度を向上させるためのモジュレーションパターンを設定する。
*: <br>
* 送受信バッファ
*: U0TXBUF (USART0送信バッファ)、U0RXBUF (USART0受信バッファ)
*: U1TXBUF (USART1送信バッファ)、U1RXBUF (USART1受信バッファ)
*: 送受信するデータを格納する。
*: <br>
* 割り込みフラグレジスタ
*: IFG1 (USART0用: UTXIFG0、URXIFG0)
*: IFG2 (USART1用: UTXIFG1、URXIFG1)
*: 送信完了、受信完了の割り込みフラグを確認する。
<br><br>

== UARTの設定 ==
UART通信の設定を行う場合、<code>U0CTL</code>レジスタ（USART0の場合）または <code>U1CTL</code>レジスタ（USART1の場合）を適切に設定する必要がある。<br>
ただし、通信相手のデバイスも同じデータフォーマットを使用するように設定する必要があることに注意する。<br>
<br>
以下の例では、USART0を使用した設定を示す。<br>
USART1を使用する場合は、U0CTLを<u>U1CTL</u>に置き換える。<br>
<br>
* データ長 8ビット, パリティなし, 1ストップビット (8N1)
 <syntaxhighlight lang="c">
 U0CTL &= ~PENA;   // パリティなし
 U0CTL &= ~CHAR;   // 8ビットデータ
 U0CTL &= ~SPB;    // 1ストップビット
 </syntaxhighlight>
<br>
* データ長 8ビット, パリティなし, 2ストップビット (8N2)
 <syntaxhighlight lang="c">
 U0CTL &= ~PENA;   // パリティなし
 U0CTL &= ~CHAR;   // 8ビットデータ
 U0CTL |= SPB;     // 2ストップビット
 </syntaxhighlight>
<br>
* データ長 7ビット, パリティ付き, 1ストップビット (7E1)
 <syntaxhighlight lang="c">
 U0CTL |= PENA;    // パリティ付き
 U0CTL |= CHAR;    // 7ビットデータ
 U0CTL &= ~SPB;    // 1ストップビット
 U0CTL &= ~PEV;    // 奇数パリティ（PEV=0で奇数、PEV=1で偶数）
 </syntaxhighlight>
<br>
または、偶数パリティの場合は以下のように設定する。<br>
 <syntaxhighlight lang="c">
 U0CTL |= PENA;    // パリティ付き
 U0CTL |= CHAR;    // 7ビットデータ
 U0CTL &= ~SPB;    // 1ストップビット
 U0CTL |= PEV;     // 偶数パリティ
 </syntaxhighlight>
<br><br>

== サンプルコード ==
MSP430F149マイコンを使用して、UART通信を行うための手順を、以下に示す。<br>
ターミナルソフト (PuTTY等) を使用して、設定したボーレート (以下の例では、9600[bps]) でシリアル通信を行う。<br>
<br>
* ハードウェアの接続:
*: MSP430F149のP3.4 (UTXD0) を送信端子に接続する。
*: MSP430F149のP3.5 (URXD0) を受信端子に接続する。
<br>
 <syntaxhighlight lang="c">
 #include <msp430.h>
 
 void main(void)
 {
    WDTCTL = WDTPW | WDTHOLD;   // ウォッチドッグタイマを停止
 
    // クロック設定 (例: DCOを使用、FLLで約2[MHz])
    // 32.768kHz x 61 = 1999848 Hz (約2[MHz])
    BCSCTL1 &= ~XTS;             // LFXT1を低周波モードに設定
    SCFQCTL = 60;                // FLL乗数を設定 (N = 61)
    SCFI0 = FLLD_1 | FN_2;       // DCO範囲選択
 
    // クロックが安定するまで待機
    do {
       IFG1 &= ~OFIFG;
       for (int i = 0xFFFF; i > 0; i--);
    } while (IFG1 & OFIFG);
 
    // USART0のピン設定
    P3SEL |= BIT4 + BIT5;        // P3.4とP3.5をUSART0用に設定
 
    // USART0をUARTモードに設定
    ME1 |= UTXE0 + URXE0;        // USART0の送信と受信を有効化
    U0CTL |= SWRST;              // USART0をリセット状態にする
 
    // UART設定
    U0CTL |= CHAR;               // 8ビットデータ (CHAR=1で8ビット)
    U0CTL &= ~PENA;              // パリティなし
    U0CTL &= ~SPB;               // 1ストップビット
 
    U0TCTL |= SSEL1;             // SMCLKをクロックソースとして使用
 
    // ボーレート設定: 9600[bps] (2[MHz] SMCLK時)
    // ボーレート = BRCLK / N = 2000000 / 208 = 9615 bps
    U0BR0 = 0xD0;                // 下位バイト (208 = 0x00D0)
    U0BR1 = 0x00;                // 上位バイト
    U0MCTL = 0x00;               // モジュレーション設定
 
    U0CTL &= ~SWRST;             // USARTをリセットから解除
    IE1 |= URXIE0;               // 受信割り込みを有効化 (オプション)
 
    // 送信例
    while (!(IFG1 & UTXIFG0));   // 送信バッファが空になるまで待機
    U0TXBUF = 'H';               // 文字 'H' を送信
 
    // 受信例
    while (!(IFG1 & URXIFG0));   // 受信バッファにデータが入るまで待機
    char receivedChar = U0RXBUF; // 受信データを読み込み
 
    // メインループ
    while(1) {
       // 通信処理を継続
    }
 }
 </syntaxhighlight>
<br>
上記のサンプルコードでは、USART0を使用してUART通信を行っている。<br>
主な設定手順は以下の通りである。<br>
<br>
# ウォッチドッグタイマを停止する。
# クロックを設定する。(この例では、FLLを使用してDCOを約2[MHz]に設定)
# P3SELレジスタを設定して、P3.4とP3.5をUSART0の送受信ピンとして使用できるようにする。
# ME1レジスタでUSART0の送信と受信を有効化する。
# U0CTLレジスタでSWRSTビットを立てて、USART0をリセット状態にする。
# U0CTLレジスタでデータ長、パリティ、ストップビットを設定する。
# U0TCTLレジスタでクロックソース (SMCLK) を選択する。
# U0BR0、U0BR1レジスタでボーレートを設定する。
# U0MCTLレジスタでモジュレーションを設定する。
# SWRSTビットをクリアして、USARTをリセットから解除する。
# 必要に応じて、受信割り込みを有効化する。
<br>
これにより、USART0が9600[bps]のUART通信を行えるように設定される。<br>
<br><br>

== ボーレートの計算 ==
MSP430F149のUSARTモジュールでは、ボーレートは以下に示す式で計算される。<br>
<br>
 <math>\mbox{ ボ ー レ ー ト } = \dfrac{\mbox{BRCLK}}{\mbox{N}}</math>
 
 BRCLK : USARTのクロックソース (通常はSMCLK) の周波数
 N : 分周比
<br>
Nの値は、U0BR0とU0BR1レジスタ（16ビット値）で設定される。<br>
<br>
例えば、SMCLK = 2[MHz]で9600[bps]のボーレートを得るには、以下のように計算する。<br>
<br>
 # 計算例:
 <math>\mbox{N} = \dfrac{\mbox{BRCLK}}{\mbox{ ボ ー レ ー ト }} = \dfrac{2000000}{9600} \cong 208.33</math>
<br>
整数値に丸めて、N = 208とする。<br>
この時、実際のボーレートは以下のようになる。<br>
<br>
 <math>\mbox{ 実 際 の ボ ー レ ー ト } = \dfrac{2000000}{208} = 9615 \, \mbox{[bps]}</math><br>
<br>
これは、設定値 9600[bps]に対して約0.16%の誤差となる。(9615 / 9600 = 1.00156...)<br>
<u>一般的に、ボーレート誤差は2[%]以内であれば正常に通信できる。</u><br>
<br>
U0BR0とU0BR1の設定方法は以下の通りである。<br>
<br>
N = 208 = 0x00D0<br>
U0BR0 = 0xD0 (下位8ビット)<br>
U0BR1 = 0x00 (上位8ビット)<br>
<br>
一般的なボーレートとクロック周波数の組み合わせを下表に示す。<br>
<br>
<center>
{| class="wikitable"
|-
! SMCLK周波数 !! ボーレート !! N !! U0BR1 !! U0BR0 !! 実際のボーレート !! 誤差
|-
| 1[MHz] || 9600bps || 104 || 0x00 || 0x68 || 9615bps || 0.16%
|-
| 1[MHz] || 19200bps || 52 || 0x00 || 0x34 || 19231bps || 0.16%
|-
| 2[MHz] || 9600bps || 208 || 0x00 || 0xD0 || 9615bps || 0.16%
|-
| 2[MHz] || 19200bps || 104 || 0x00 || 0x68 || 19231bps || 0.16%
|-
| 2[MHz] || 115200bps || 17 || 0x00 || 0x11 || 117647bps || 2.13%
|-
| 8[MHz] || 9600bps || 833 || 0x03 || 0x41 || 9604bps || 0.04%
|-
| 8[MHz] || 19200bps || 417 || 0x01 || 0xA1 || 19185bps || -0.08%
|-
| 8[MHz] || 115200bps || 69 || 0x00 || 0x45 || 115942bps || 0.64%
|}
</center>
<br><br>

== USART1の使用 ==
MSP430F149には、USART0に加えてUSART1も搭載されている。<br>
USART1を使用する場合は、USART0と同様の手順で設定を行うが、レジスタ名とピン番号が異なる。<br>
<br>
* ピン配置
*: P3.6 (UTXD1) : 送信ピン
*: P3.7 (URXD1) : 受信ピン
*: <br>
* レジスタ
*: U1CTL : USART1制御レジスタ
*: U1TCTL : USART1送信制御レジスタ
*: U1RCTL : USART1受信制御レジスタ
*: U1BR0、U1BR1 : USART1ボーレート制御レジスタ
*: U1MCTL : USART1モジュレーション制御レジスタ
*: U1TXBUF : USART1送信バッファ
*: U1RXBUF : USART1受信バッファ
*: <br>
* 割り込みフラグ
*: IFG2レジスタのUTXIFG1、URXIFG1ビット
*: <br>
* モジュール有効化
*: ME2レジスタのUTXE1、URXE1ビット
<br>
以下の例では、USART1を使用している。<br>
 <syntaxhighlight lang="c">
 #include <msp430.h>
 
 void main(void)
 {
    WDTCTL = WDTPW | WDTHOLD;   // ウォッチドッグタイマを停止
 
    // クロック設定（USART0の例と同じ）
    BCSCTL1 &= ~XTS;
    SCFQCTL = 60;
    SCFI0 = FLLD_1 | FN_2;
 
    do {
       IFG1 &= ~OFIFG;
       for (int i = 0xFFFF; i > 0; i--);
    } while (IFG1 & OFIFG);
 
    // USART1のピン設定
    P3SEL |= BIT6 + BIT7;        // P3.6とP3.7をUSART1用に設定
 
    // USART1をUARTモードに設定
    ME2 |= UTXE1 + URXE1;        // USART1の送信と受信を有効化
    U1CTL |= SWRST;              // USART1をリセット状態にする
 
    // UART設定
    U1CTL |= CHAR;               // 8ビットデータ
    U1CTL &= ~PENA;              // パリティなし
    U1CTL &= ~SPB;               // 1ストップビット
 
    U1TCTL |= SSEL1;             // SMCLKをクロックソースとして使用
 
    // ボーレート設定: 9600[bps] (2[MHz] SMCLK時)
    U1BR0 = 0xD0;
    U1BR1 = 0x00;
    U1MCTL = 0x00;
 
    U1CTL &= ~SWRST;             // USARTをリセットから解除
    IE2 |= URXIE1;               // 受信割り込みを有効化 (オプション)
 
    // 送信例
    while (!(IFG2 & UTXIFG1));   // 送信バッファが空になるまで待機
    U1TXBUF = 'A';               // 文字 'A' を送信
 
    // メインループ
    while(1) {
       // 通信処理を継続
    }
 }
 </syntaxhighlight>
<br>
USART0とUSART1を同時に使用することも可能であり、これにより2つの独立したシリアル通信チャネルを持つことができる。<br>
<br><br>

== PCとのUART通信 ==
LinuxでマイコンとUART通信を行う場合は、以下の手順に従う。<br>
<br>
# シリアルポートの接続
#: マイコンのUART送信ピン (TX) をPCのシリアル受信ピン (RX) に接続する。
#: マイコンのUART受信ピン (RX) をPCのシリアル送信ピン (TX) に接続する。
#: マイコンとPCのグラウンド (GND) を接続する。
#: MSP430F149でUSART0を使用する場合は、P3.4 (UTXD0) と P3.5 (URXD0) を使用する。
#: <br>
# シリアルポートの設定
#: ターミナルを開いて、シリアルポートを設定する。<br>
#: <code>stty -F <デバイスファイルのパス> <ボーレート> <データ長> <ストップビット長> <パリティビットの有無></code>
#: <br>
#: 例: <code>stty -F /dev/ttyUSB0 9600 cs8 -cstopb -parenb</code>
#: <br>
#: /dev/ttyUSB0は、使用するシリアルポートのデバイスファイル名を入力する。(環境に応じて適切なデバイスファイル名に変更すること)
#: 9600は、ボーレートを表す。(マイコン側の設定と一致させる)
#: cs8は、データ長を8ビットに設定する。
#: -cstopbは、ストップビットを1ビットに設定する。
#: -parenbは、パリティビットを無効にする。
#: <br>
# 通信の確立
#: <code>cat</code>コマンドを使用して、シリアルポートを読み書きする。
#: シリアルポートからの入力を受信して、ターミナルに表示する。
#: <code>cat <デバイスファイルのパス></code>
#: 例: <code>cat /dev/ttyUSB0</code>
#: <br>
#: 別のターミナルを開いて、<code>echo</code>コマンドおよび<code>cat</code>を使用して、シリアルポートに書き込む。
#: これにより、シリアルポートにテキストが送信される。
#: <code>echo "Hello, MSP430!" > <デバイスファイルのパス></code>
#: <br>
# 通信の確認
#: マイコン側で受信処理が正しく実装されている場合、送信したテキストがマイコンで受信される。
#: マイコン側で送信処理が正しく実装されている場合、マイコンから送信されたデータがターミナルに表示される。
<br>
<u>※注意</u><br>
<u>シリアルポートのデバイスファイル名 (/dev/ttyUSB0等) は、環境によって異なる場合がある。</u><br>
<u><code>ls /dev/tty*</code>コマンドを実行して、利用可能なシリアルポートを確認すること。</u><br>
<u>ボーレートやデータフォーマット等の設定は、マイコン側の設定と一致している必要がある。</u><br>
<br>
<u>一部のLinuxディストリビューションでは、シリアルポートへのアクセス権限が必要な場合があるため、適切な権限を設定すること。</u><br>
<br><br>


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