MCXN236 系列 UART 參數定解析與實作

一、概述

NXP MCXN236 是一款高效能的 32 位元 ARM Cortex-M33 微控制器，它具有高達 150 MHz 的 CPU 運算速度，並擁有 1 MB 的 Flash 和 352 KB 的ECC RAM，內建 Smart DMA 技術，可提升數據傳輸效率，它還具備 8 組 Flexcomms 每組皆可宣告為 SPI、I2C、UART 功能，且支援 High Speed USB、2 組 Flex CAN FD、2 組 I3C、5 組 32 bit Timer、此外，它也擴展了 2 個 16 位元 4 通道高速 ADC，最高取樣率可達 2 Msps，並提供了 HLQFP 與 VFBGA 封装，適合應用電競市場、工業自動化、USB週邊、物聯網和消費性電子等高運算和高速 USB 應用需求的設計。

本章節將簡介到的 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是一種通用的非同步串行通訊協議，用於在電子設備之間進行數據傳輸。

UART通訊使用兩條線（一條用於數據傳輸，一條用於時序控制）進行通訊，並且是非同步的，即數據傳輸時不需要時鐘信號。數據傳輸的速率由波特率（baud rate）來決定，通常可以設置為標準的波特率（如9600、19200、38400等）。

UART通訊通常用於將數據從一個設備傳輸到另一個設備，例如從微控制器到外部設備（如感測器、顯示器、通信模塊等）。

針對 UART 協議網路上有許多文章已經有詳細介紹到，本章節將集中在 MCXN236 UART register 設定上進行使用解析。

二、 需求物件

            2.1 硬體

                        2.1.1 NXP FRDM-MCXN236 EVK 詳細規格如下列網址所示

使用MCUXpresso的FRDM-MCXN236开发板 | NXP 半导体

                        2.1.2 Type C USB Cable : 1 pcs

                        2.1.3 USB to RS232 Tool : 1 pcs

            2.2 軟體

                        2.2.1 Keil ( IDE ) 軟體開發環境如下列網址所示

https://www.keil.com/product/

   2.2.2 NXP FRDM-MCXN236 SDK 如下列網址所示

                                    欢迎 | MCUXpresso SDK构建工具 (nxp.com)

                        2.2.3 PC 上的終端機軟體

三、 操作方式

3.1 先將 USB cable 與 FRDM-MCXN236 EVK 的 J10 對接上 ( 如圖 2 )，J10 為 EVK on board 燒錄 IC 的 connector，同時也會對 EVK 進行供電

3.2 本章節將編譯 UART 的設定 function，會參考到 NXP SDK 中的 MCU 的 startup、CMSIS 的相關文件，因此可以到 NXP 官網下載 FRDM-MCXN236 SDK 檔 ( 如圖 3 )

欢迎 | MCUXpresso SDK构建工具 (nxp.com)

3.3 有關於初次使用 MCXN236 MCU 所需的配置步驟可參考 “ MCXN236 系列 System clock 參數定解析與實作 ” 的步驟 3.3 ~ 3.9，這邊就不重覆介紹。

3.4.4，uart_mcxn236.c、uart_mcxn236.h、flexcomm_mcxn236.c、flexcomm_mcxn236.h 複製到圖 4 紅色方框的資料夾，該 4 份文件後緒會說明如何編譯。

將有參考到的文件 include 到 uart.c 中 ( 如圖 4 藍方框 )。

3.5 參考“ MCXN236 系列 System clock 參數定解析與實作 ” 的步驟 3.8 ~ 3.9 將編譯完成的 Code 燒錄到 MCXN236 上

3.6 範例中 UART TX、RX 腳位宣告為 PIO1_9 ( TX )、PIO1_8 ( RX )，將 EVK 上的 PIO1_9 ( TX )、PIO1_8 ( RX ) 與 USB to RS232 Tool 進行對接

四、SDK 參數解析

4.1 點選 uart.c，查看 Main 中的內容 ( 如圖 5 )，其中 CPU_init_150M 部分細節可於 “ MCXN236 系列 System clock 參數定解析與實作 ”中查閱到設定細節

4.2 uart_FC4_io_init 可看到該 Function 編譯在 uart_mcxn236.c 中 ( 如圖 6 )

4.2.1 SYSCON->AHBCLKCTRLSET[0] : Enable GPIO1 與 PORT1 Clock ( 如圖 7 )，可參考 MCXN23xRM Page 262 與 263

4.2.2 PORT1->PCR[8] 與 PORT1->PCR[9] 會針對 PORT Pin 的 register 下參數，解析如下， register 功能參數設定可於 MCXN23xRM Page 2414 中參考：

PORT_PCR_LK(0) : Lock Register 參數設定為 0，代表不對該 Port 做 Lock，使用者可在該狀態下自由更改 GPIO P1_8 與 P1_9 中的 PCR 參數

PORT_PCR_INV(0)：Invert Input 參數設定為 0，不對 input 訊號做反向功能

PORT_PCR_IBE(1) ：Enable Input Buffer，表示 P1_8 與 P1_9 為 digital input

PORT_PCR_MUX(2) ：Pin Multiplex Control 設定為 2，表示 P1_8 與 P1_9 為 UART TX、RX 功能，配置在 Pinmux 功能的 ALT2 上 ( 如圖 8 )，MCXN23xRM Page 104

               PORT_PCR_DSE(0) ：Drive Strength 參數設定為 low

               PORT_PCR_ODE(0) ：Disable Open Drain 功能

               PORT_PCR_PFE(0) ：Disable Passive Filter 功能

               PORT_PCR_SRE(0) ：Slew Rate 設定為 Fast

               PORT_PCR_PV(0) ：選擇高或低內部上拉電阻值，設定為 Low

PORT_PCR_PE(0) ：disable 內部電阻功能開關

PORT_PCR_PS(0) ：Input_IO_Status 參數為 0，disable 內部上拉電阻功能

4.3 FC_init 可看到該 Function 編譯在 flexcomm_mcxn236.c 中 ( 如圖 9 )

* 參數 FLEX_IO_channel 為 FC4 ( 如圖 5 )，實質數值為 4 ( 如圖 10 )

4.3.1 SYSCON->AHBCLKCTRLSET[1] 與 SYSCON->PRESETCTRLSET[1] 將針對指定 AHBCLKCTRLSET 與 PRESETCTRLSET bit 執行 set 與 reset 功能，可參考 MCXN23xRM Page 273 與 259 ( 如圖 11、12 )，指定的 bit 定義可參考 MCXN23xRM Page 266 ( 如圖 13 )

4.3.2 SYSCON->FLEXCOMMCLKDIV[FLEX_IO_channel] 這邊設定 FC4 Clock Source 的除頻參數為 0，代表除頻倍率為 1，可參考 MCXN23xRM Page 329 ( 如圖 14 )

4.3.3 SYSCON->FCCLKSEL[FLEX_IO_channel] 這邊設定 FC4 的Clock Source 為 FRO 12 MHz clock，可參考 MCXN23xRM Page 280 ( 如圖 15 )

4.3.4 SYSCON->PRESETCTRLCLR[1] 將針對指定 PRESETCTRLCLR bit 執行Clear 功能，可參考 MCXN23xRM Page 260 ( 如圖 16 )

4.3.6 LP_FLEXCOMM4->PSELID 設定 FC4 的功能為 UART，可參考 MCXN23xRM Page 1722 ( 如圖 17 )

4.4 uart_init 可看到該 Function 編譯在 uart_mcxn236.c 中 ( 如圖 18 )，解析如下：

這邊 base 帶入的 address 值為 LPUART4 ( 如圖 19 )，對應 MCXN23xRM Page 1861 ( 如圖 20 )

4.4.1 base->GLOBAL 這邊會對 LPUART4 進行 reset，可參考 MCXN23xRM Page 1865 ( 如圖 21 )

4.4.2 base->BAUD 透過該 register 設定 UART 的 baud rate，計算方式可參考 MCXN23xRM Figure 226 ( 如圖 22 )，設定 OSR 值為 25、SBR 為 4，對照 MCXN23xRM Page 1867，得到圖 22 中的參數值 ( 如圖 23 )

LPUART asynchronous module clock = 12 MHz ( 如步驟 4.3.3 所設定 )

baud rate = 12 MHz / ( 4 x ( 25+1 ) )

得到 baud rate 為 115384 趨近 baud rate 115200，baud rate tolerance 的計算方式可參考 MCXN23xRM Page 1845 ( 如圖 24 )，本次範例中所設定的參數是 Data 8 bit、基偶較驗無開啟，因此圖 24 BIT 參數為 8、BOTHEDGE 參數為 0

SAM = ( OSR +1 ) x ( BOTHEDGE + 1 ) = 26

透過公式可計算出 Slow data rate tolerance 約為 6 %、Fast data rate tolerance 約為 5.28 %

透過 BAUD M10 register 設定 UART 寫入/讀取的 data 為 7~9 bit，可參考 MCXN23xRM Page 1867 ( 如圖 25 )

4.4.3 base->WATER 將 TX、RX 的 Counter 與 Watermark 歸 0，可參考 MCXN23xRM Page 1896

4.4.4 base->FIFO Enable TX、RX FIFO 功能，可參考 MCXN23xRM Page 1894 ( 如圖 26 )

透過 FIFO TXFLUSH、RXFLUSH 清除 TX、RX FIFO 中的 data，可參考 MCXN23xRM Page 1893 ( 如圖 27 )

透過 FIFO RXFIFOSIZE 將 RX FIFO Size 設定為 0，表示 FIFO 接收 Depth 為 1，可參考 MCXN23xRM Page 1893 ( 如圖 28 )

4.4.5 base->MODIR 透過 TXCTSSRC 設定 CTS Source，透過 TXCTSC 設定何時做 sampled，但範例不使用 CTS 功能，可參考 MCXN23xRM Page 1890 ( 如圖 29 )

4.4.6 base->STAT 解析如下 ( 如圖 30 )，可參考 MCXN23xRM Page 1871：

LPUART_STAT_TC：透過 TC register 將 Transmission Complete Flag 歸 0

LPUART_STAT_MA2F：透過 MA2F register 將 Match 2 Flag 歸 0

LPUART_STAT_MA1F：透過 MA1F register 將 Match 1 Flag 歸 0

LPUART_STAT_PF：透過 PF register 將 Parity Error Flag 歸 0

LPUART_STAT_FE：透過 FE register 將 Framing Error Flag 歸 0

LPUART_STAT_NF：透過 NF register 將 Noise Flag 歸 0

LPUART_STAT_OR：透過 OR register 將 Receiver Overrun Flag 歸 0

LPUART_STAT_IDLE：透過 IDLE register 將 Idle Line Flag 歸 0

LPUART_STAT_RXEDGIF：透過 RXEDGIF register 將 RXD Pin Active Edge Interrupt Flag歸 0

LPUART_STAT_LBKDIF：透過 LBKDIF register 將 LIN Break Detect Interrupt Flag 歸 0

4.4.7 base->CTRL 透過 RE 與 TE register Enable TX、RX 功能，可參考 MCXN23xRM Page 1881 ( 如圖 31 )

4.4.8 透過 base->REIR 與 base->TEIR 設定是否延長 RX、TX 的 idle 時間，這邊兩者皆設置為 0，可參考 MCXN23xRM Page 1903 ( 如圖 32 )

4.4.9 base->TOCR 透過 TOEN register 設定 Timeouts 0~3 功能是否啟用，透過 TOIE register 設定 Timeouts 0~3 是否啟用中斷配置，可參考 MCXN23xRM Page 1906 ( 如圖 33 )

4.4.10 base->TIMEOUT 透過 CFG register 選擇偵測 Timeout 事件的配置，透過 TIMEOUT register 設定 Timeout 的時間配置，可參考 MCXN23xRM Page 1908 ( 如圖 34 )

4.4.11 base->HDCR 用來設定 UART 半雙工的配置，範例沒有使用到因此設定為 0，可參考 MCXN23xRM Page 1904

4.5 uart_polling_TX Function ( 如圖 35 ) 輸入 3 個參數 LPUART4、txbuff、sizeof(txbuff) - 1 ，解析如下：

LPUART4 為 Function 中的 base address

txbuff 為 UART TX 傳送的暫存空間，範例初始值如圖 36，Function 中會另外宣告 dataAddress 指標變數等於 txbuff

sizeof(txbuff) – 1 則為 使用到的 size - 1 的值，用來做 TX counter 使用，Function 中會另外宣告 transferSize 變數等於 sizeof(txbuff) - 1

4.5.1 判斷 transferSize 的值是否為 0，決定後續 function 是否要執行

4.5.2 透過 TDRE register 的 Transmit Data Register Empty Flag 功能來判斷 TX FIFO data 數量是否大於 watermark 的值，如果大於則會往下執行

4.5.3 base->DATA 將 txbuff 的指標指向 base->DATA，指向完畢後資料翠自動送出，而後執行  dataAddress++ 增加指標值與 transferSize—表示已傳輸 1 byte 資料出去，並執行到 transferSize 為 0 後跳出迴圈

4.5.4 base->STAT 透過 base->STAT 中的 TC register 確認 TX 資料以傳輸完畢，可參考 MCXN23xRM Page 1874 ( 如圖 38 )

4.6 LPUART4->FIFO 透過 FIFO register RXEMPT 確認 RX FIFO 中是否為空值，可參考 MCXN23xRM Page 1892 ( 如圖 39 )，如果有值則會執行 uart_polling_RX

4.7 uart_polling_RX ( 如圖 40 ) 輸入 3 個參數 LPUART4、rxbuff、10，解析如下：

rxbuff 為 UART RX 接收資料的暫存空間，Function 中會另外宣告 dataAddress 指標變數等於rxbuff

4.7.1 base->WATER 透過 WATER register RXWATER 確認 FIFO 的 data word 是否大於 RXWATER，如大於則往下執行，可參考 MCXN23xRM Page 1896 ( 如圖 41 )

4.7.2 base->DATA 將 register DATA 中的值放到 rxbuff 中，而後 dataAddress++，代表新的 RX 值擺到下個 rxbuff 中，當 length 等於 0，跳出該 function

4.8 判斷 rxbuff 中的第 1 與第 2 筆值是否等於 0x0A 與 0x05，如果等於則會將 rxbuff 中的值透過 uart_polling_TX Function 傳送出去，實際測試狀況如圖 42

4.8.1 首筆傳輸資料為 txbuff 中的值，txbuff 內容值在圖 36 中可看到

4.8.2 該筆資料為使用者在終端軟體上輸入的值

4.8.3 當收到 rxbuff 中的第 1 與第 2 筆值是否等於 0x0A 與 0x05，rxbuff 中的值透過 uart_polling_TX Function 傳送出去

註 1：作者：NXP Semiconductors；出處：NXP Web site 使用MCUXpresso的FRDM-MCXN236开发板 | NXP 半导体

註 2：作者：NXP Semiconductors；出處：MCXN23Xrm