Using the UART for RS232 communication to a host PC

back to main tutorial page

Dr Nathan Scott & Dr Hiroyuki Kagawa July 2002

You should now have an AVR set up on a breadboard. In this section I will lead you through the steps to establish RS232 communication with a host PC (for example a Windows(TM) computer). This is a very useful technique because it means you can communicate with your AVR using a terminal program such as HyperTerminal or VersaTerm. This means you can use your Windows keyboard to control what the AVR does, and see output from the AVR on your computer screen.

ホストＰＣとRS232で通信するためのUARTの使い方

メインページに戻る

ネーサン・スコット，香川博之   2002年7月

ブレッドボードにこれまでやったようにAVRを取り付けておく。ここでは， RS232でパソコン(例えばWindows(TM) computer)と通信する方法について学ぶ。これは非常に役立つ技術であり，HyperTerminalやVersaTermのようなターミナルソフトを使ってAVRと通信できるようになる。WindowsパソコンのキーボードによってAVRに何をさせるかを制御したり，AVRからの出力をコンピュータ画面に表示したりできることを意味している。

RS232 vs TTL/CMOS

RS232 is an old communication standard, invented in 1969. It has a few peculiarities that we have to cope with. In particular the signal in an RS232 cable is sent as pulses of +12V and -12V. This is not inherently compatible with the voltages in a modern microprocessor such as the AVR, which are 0V and 5V (CMOS levels). In other words, the AVR can't just plug into an RS232 port on a Windows(TM) computer, it would not work and it might damage the AVR.

Fortunately we do not have to build an adapting circuit, we can just buy one. The one I have been using is the MAX232 from Maxim Co. There is a data sheet in my collection, however you may find it difficult to locate the section of the data sheet that is about the MAX232, so here is the most important diagram:

RS232とTTL/CMOS

　RS232は1969年に発明された非常に古い通信方式であり，いくつかの制約がある。特に，RS232ケーブル中の信号電圧は+12Vと-12Vのパルスとして伝送される。これは，AVRのような最近のマイクロプロセッサーにおける電圧（CMOSレベルなら0Vと5V）とは本質的に互換性がない。言い換えれば，Windows(TM)コンピュータのRS232ポートに接続しただけではAVRが動作せず，AVRを破壊する可能性がある。

RS232を使うためには，都合のいいことに変換回路を作成する必要はなく，ひとつの部品を購入するだけでよい。マキシム社のMAX232を使うのも一つの方法である。データシート集の中からMAX232に関するものを見つけづらいかもしれないので，ここでは最も重要である概略図を示す。

• Wire up your plug, MAX232 and AVR. Be sure to include all the usual AVR support wiring for power and the oscillator.
• Connect the 9-pin plug to the back of your Windows(TM) computer. If it looks like it will fit in more than one socket, try to find one named "1" or "COM1".

• MAX232とAVRを配線で接続する。電源や発信器のための通常のAVRの配線も必ず行うこと。
• ９ピンプラグをWindows(TM)コンピュータの背面に接続する。ソケットが２つ以上あれば「1」または「COM1」という名前のものを探す。 

Crystal speed

When I first used the AVR I always bought an 8MHz crystal, since that was the maximum speed. However I soon found that 8MHz is not always the best choice. The AVR generates the baud rate for the UART – meaning the number of bits sent or received per second – by dividing the main crystal speed. There is a register called UBRR that contains the dividing integer (well not exactly but this definition will do for now). It follows that only certain baud rates can be generated from a given crystal speed.

The usual RS232 baud rates are

2400 bits per second (baud)
4800
9600
14400
19200
28800
38400
57600
76800
115200

So we have to try to achieve one of these speeds. A small amount of error is acceptable but if the AVR generates a baud rate that is more than 1% different from one of those rates, there are going to be communication problems.

The data sheet for the AVR shows how to calculate the baud rate from the crystal speed and the UBRR ratio. There is also a helpful table (table 25) that gives pre-calculated values for UBRR. If an 8MHz crystal is used, the only standard baud rate that we can generate (with acceptable error) is 38400. That is OK but is a bit limiting. What if you want some other speed? As usual, someone has already thought of this problem. The solution is to choose the right crystal frequency.

If you can obtain a 7.3728 MHz crystal, you can generate any standard baud rate. Unfortunately the usual hobby electronics stores do not normally carry this speed and you may need to buy this part from a professional shop such as RS components or Farnell.

水晶発振子の周波数

　AVRを使い始めたころには、最大実行速度になる8MHzの水晶発振子を購入していた。しかし，8MHzが常に最良の選択ではないことがわかった。AVRは水晶発振子の周波数を分周してUART用の転送速度（１秒あたりの送信及び受信ビット数）を設定する。UBRRというレジスタがあり，分周用の整数値を設定するようになっている（厳密ではないが当面この定義で実施する）。使用する水晶発振子の周波数によって、ある特定の転送速度のみを設定できることがわかる。

　通常のRS232用の転送速度は

2400 bps (ボー)
4800
9600
14400
19200
28800
38400
57600
76800
115200

であり，上記のいづれかの速度に設定する必要がある。多少の誤差は許容されるが，1%以上になると通信トラブルを生じる。

　AVRのデータシートには，水晶発振子の周波数とUBRRの比からどのように転送速度を計算するかについて示されており，UBRR用にあらかじめ計算された値をまとめた便利な表（表２５を参照）も載っている。もし8MHzの水晶発振子を使えば，許容範囲の誤差で38400bpsの転送速度のみを実現できる。では，他の転送速度を実現するためにはどうしたよいのか？　やっぱり，誰かが既にこの問題について考えていて，解決法は水晶発振子の周波数を適切な値に設定すればよいことがわかっている。

　もし，7.3728 MHzの水晶発振子を手に入れることができれば，いかなる標準転送速度をも実現できることになる。残念ながら一般の趣味の電気屋ではこの周波数のものを取り扱っていないので，RSコンポーネンツやファーネルなどの専門店で購入する必要がある。

Software for AVR

The AVR is a general purpose microprocessor and, like a human baby, it is very smart but does not initially know much. It has hardware to support fast communication (called a UART) but we have to write a small amount of software to read and write data to the UART.

AVRのためのソフトウェア

　AVRは一般的目的のマイクロプロセッサーであり，人体のように非常に賢いが，そのままではほとんど何もできない。UARTと呼ばれる高速通信をサポートしたハードウェアが備わっているが，UARTに対してデータを読み書きするためには，ほんの少しだけソフトウェアを作成しなければならない。

/*

    Code for a crash course in AVR programming

    Example "rs232.c"

    Dr Nathan Scott, July 2002

    This program shows how to use interrupt-driven UART code

    to establish RS232 communication with a Windows(TM) host

*/

#include "environment.h"

#include "delay.h"

#include "uart.h"

// define names for important numbers.

// It is easier to work with the names.

#define LED_pin 0

void prompt(char p)

{

    putch('\r'); putch('\n'); putch(p);

}

void Idle()

// This is the code which is called while we are waiting for a character

// to arrive from the terminal host. It means that nothing in particular

// is happening on the RS232 line and we can use this time to do something

// else.

// Do not do lengthy processing here, return as soon as you can, so that

// data sent from the terminal is not lost.

{

}

void ObeyCommand(char c)

{

    char i;

    switch (c)

    {

        case '0': // turn LED off

            putstr("off\r\n");

            PORTC &= ~BIT(LED_pin);

        break;

        case '1': // turn LED on

            putstr("on\r\n");

            PORTC |= BIT(LED_pin);

        break;

        case '?': // about

            putstr("AVR ready\r\n");

            // flash the LED a few times

            for (i = 0; i < 3; i++)

            {

                PORTC |= BIT(LED_pin);

                DelayMs(20);

                PORTC &= ~BIT(LED_pin);

                DelayMs(20);

            }

        break;

    } // end switch

}

void main()

{

    char c = 0;

    // set up hardware UART for serial communications. This is where we

    // specify the baud rate. See uart.h for more info.

    InitUART(UBRR38400);

    // set up control over PORTC so we can use it to flash the LED

    PORTC = 0; // put a definite start value into the register for PORTC

    // - it's best not to leave this to chance

    DDRC |= BIT(LED_pin); // set the direction of one pin of PORTC to

    // output mode so it can drive the LED.

    // initialisation is done, it is time to "flip the switch" by

    // setting the Global Interrupt Enable flag

    SEI();

    // from this point on, an interrupt can happen at any time.

    // show a welcome string on the terminal

    ObeyCommand('?'); // show "about" string

    while (c != 'x') // note that we can leave the "endless" loop!

    {

        prompt('>');

        c = ReceiveByte(); // calls Idle() while nothing is happening

        putch(c); // echo (send back to the terminal)

        putch(' '); // separate response from echoed command

        ObeyCommand(c);

    }

    putstr("exit\r\n");

    // OK, so what happens here? Run the program and find out!

}