MSP430F149 - UART

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。

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。
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。
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。
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。
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。

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。
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。

UART

非同期通信

UARTは非同期通信方式を採用している。
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。

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。

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。
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。

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。

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)

ボーレート

ボーレートは、UARTの通信速度を表す。
単位は、ビット/秒 (bps) である。

一般的なボーレートには、9600[bps]、19200[bps]、38400[bps]、115200[bps]等がある。
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。

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。

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。

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。

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。
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。

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。
以下に示す理由から、UARTはノイズに弱いといえる。

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。
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。
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。

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。

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。
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。
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。
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。

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。
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。

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。

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)
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)

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。
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。

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。

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。

UARTの設定

UART通信の設定を行う場合、U0CTLレジスタ（USART0の場合）または U1CTLレジスタ（USART1の場合）を適切に設定する必要がある。
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。

以下の例では、USART0を使用した設定を示す。
USART1を使用する場合は、U0CTLをU1CTLに置き換える。

データ長 8ビット, パリティなし, 1ストップビット (8N1)

 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

データ長 8ビット, パリティなし, 2ストップビット (8N2)

 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

データ長 7ビット, パリティ付き, 1ストップビット (7E1)

 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）

または、偶数パリティの場合は以下のように設定する。

 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

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。
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。

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。

 #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
    }
 }

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。
主な設定手順は以下の通りである。

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。

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。

ボーレート計算

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。

 ${\mbox{ ボ ー レ ー ト }}={\dfrac {\mbox{BRCLK}}{\mbox{N}}}$ 

BRCLK : USARTのクロックソース (通常はSMCLK) の周波数
N : 分周比

Nの値は、U0BR0とU0BR1レジスタ（16ビット値）で設定される。

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。

# 計算例:
 ${\mbox{N}}={\dfrac {\mbox{BRCLK}}{\mbox{ ボ ー レ ー ト }}}={\dfrac {2000000}{9600}}\cong 208.33$

整数値に丸めて、N = 208とする。
この時、実際のボーレートは以下のようになる。

<math>\mbox{ 実 際 の ボ ー レ ー ト } = \dfrac{2000000}{208} = 9615 \, \mbox{[bps]}

これは、設定値 9600[bps]に対して約0.16%の誤差となる。
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。

U0BR0とU0BR1の設定方法は以下の通りである。

N = 208 = 0x00D0
U0BR0 = 0xD0 (下位8ビット)
U0BR1 = 0x00 (上位8ビット)

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。

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%

USART1の使用

MSP430F149には、USART0に加えてUSART1も搭載されている。
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。

ピン配置
P3.6 (UTXD1) : 送信ピン

P3.7 (URXD1) : 受信ピン
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
割り込みフラグ
IFG2レジスタのUTXIFG1、URXIFG1ビット
モジュール有効化
ME2レジスタのUTXE1、URXE1ビット

以下の例では、USART1を使用している。

 #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
    }
 }

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。

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。

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。
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。

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>

例: stty -F /dev/ttyUSB0 9600 cs8 -cstopb -parenb

/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。
通信の確立
cat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。

cat <デバイスファイルのパス>

例: cat /dev/ttyUSB0

別のターミナルを開いて、echoコマンドおよびcat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。

echo "Hello, MSP430!" > <デバイスファイルのパス>
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。

※注意
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。
ls /dev/tty*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。
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。

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。