STM32F103学习笔记三 串口通信
STM32F103学习笔记三 串口通信
本文参照正点原子STM32F1xx官方资料：《STM32中文参考手册V10》-第25章通用同步异步收发器（USART) 及
【STM32】串口通信基本原理（超基础、详细版）
单片机入门学习十 STM32单片机学习七 串口通讯
1、串口通信背景知识
1.1、 设备之间的通信方式
| 并行通信 | 串行通信 | |
|---|---|---|
| 传输原理 | 数据各个位同时传输 | 数据按位顺序传输 |
| 优点 | 速度快 | 占用引脚资源少 |
| 缺点 | 占用引脚资源多 | 速度相对较慢 |
1.2、 串行通信分类
1.2.1、按照通信方式，分为：
同步通信：带时钟同步信号传输。比如：SPI，I²C通信接口
异步通信：不带时钟同步信号。比如：UART(通用异步收发器),单总线
1.2.2、按照数据传送方向，分为：
单工：数据传输只支持数据在一个方向上传输；
半双工：允许数据在两个方向上传输。但是，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信；它不需要独立的接收端和发送端，两者可以合并一起使用一个端口。
全双工：允许数据同时在两个方向上传输。因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，需要独立的接收端和发送端。
1.3、常见的串行通信接口
2、STM32的串口通信基础
2.1、STM32的串口通信接口有两种，分别是：
UART（通用异步收发器）、
USART（通用同步异步收发器）、
对于大容量STM32F10x系列芯片，分别有3个USART和2个UART。
2.2、UART引脚连接方法
① 单片机连接单片机
RXD:数据输入引脚，数据接受
TXD"数据发送引脚，数据发送
对于两个芯片之间的连接，两个芯片GND共地，同时TXD和RXD交叉连接。这里的交叉连接的意思就是，芯片1的RxD连接芯片2的TXD，芯片2的RXD连接芯片1的TXD。这样，两个芯片之间就可以进行TTL电平通信了
② 单片机连接PC
若是芯片与PC机（或上位机）相连，除了共地之外，就不能这样直接交叉连接了。尽管PC机和芯片都有TXD和RXD引脚，但是通常PC机（或上位机）通常使用的都是RS232接口，因此不能直接交叉连接。RS232接口是9针（或引脚），通常是TxD和RxD经过电平转换得到的。而单片机采用的是 TTL电平，所以需要 连接一个RS232转换器 将TTL电平转换成 PC可以识别的RS232电平，再交叉连接。
经过电平转换后，芯片串口和rs232的电平标准是不一样的：
单片机的电平标准（TTL电平）：+5V表示1，0V表示0；
Rs232的电平标准：+15/+13 V表示1，-15/-13表示0。
RS-232通讯协议标准串口的设备间通讯结构图如下：
所以单片机串口与PC串口通信就应该遵循下面的连接方式：
在单片机串口与上位机给出的rs232口之间，通过电平转换电路(如下面图中的Max232芯片) 实现TTL电平与RS232电平之间的转换。
2.3、UART异步通信特点
- 全双工异步通信；
- 分数波特率发生器系统，提供精确的波特率。发送和接受共用的可编程波特率，最高可达4.5Mbits/s；
- 可编程的数据字长度（8位或者9位）；
- 可配置的停止位（支持1或者2位停止位）；
- 可配置的使用DMA多缓冲器通信；
- 单独的发送器和接收器使能位；
- 检测标志：① 接受缓冲器 ②发送缓冲器空 ③传输结束标志；
- 多个带标志的中断源，触发中断；
- 其他：校验控制，四个错误检测标志。
2.4、STM32串口异步通信需要定义的参数
STM32异步通信参数：
①起始位
②数据位（8位或者9位）
③奇偶校验位（第9位）
④停止位（1,15,2位）
⑤波特率设置
（奇偶校验位分为奇校验和偶校验两种，是一种简单的数据误码校验方法。奇校验是指每帧数据中，包括数据位和奇偶校验位的全部9个位中1的个数必须为奇数；偶校验是指每帧数据中，包括数据位和奇偶校验位的全部9个位中1的个数必须为偶数。
校验方法除了奇校验(odd)、偶校验(even)之外，还可以有：0 校验(space)、1 校验(mark)以及无校验(noparity)。 0/1校验：不管有效数据中的内容是什么，校验位总为0或者1）
UART串口通信的数据包以帧为单位，常用的帧结构为：1位起始位+8位数据位+1位奇偶校验位（可选）+1位停止位。如下图所示
2.5、 UART（USART）框图
任何USART双向通信至少需要两个脚：接收数据输入(RX)和发送数据输出(TX)。
RX：接收数据串行输。通过过采样技术来区别数据和噪音，从而恢复数据。
TX：发送数据输出。当发送器被禁止时，输出引脚恢复到它的I/O端口配置。当发送器被激活，并且不发送数据时，TX引脚处于高电平。在单线和智能卡模式里，此I/O口被同时用于数据的发送和接收。
● 总线在发送或接收前应处于空闲状态
● 一个起始位
● 一个数据字(8或9位)，最低有效位在前
● 0.5，1.5，2个的停止位，由此表明数据帧的结束
● 使用分数波特率发生器 —— 12位整数和4位小数的表示方法。
● 一个状态寄存器(USART_SR)
● 数据寄存器(USART_DR)
● 一个波特率寄存器(USART_BRR)，12位的整数和4位小数
● 一个智能卡模式下的保护时间寄存器(USART_GTPR)
2.6、 串口通信过程
① 数据接收过程
外部设备将数据发送到 串行输入移位寄存器，串行输入移位寄存器在将数据传送到输入数据缓冲器，MCU在从输入数据缓冲器中读出数据
② 数据发送过程
MCU将要发送的数据写入输出数据缓冲器，输出数据缓冲器在将数据写入串行输出移位寄存器，串行移位寄存器在将数据输出到外部设备
3、 串行通信的编程
3.1、串口通信的相关寄存器
3.1.1、 USART_SR状态寄存器
FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
3.1.2、 USART_DR数据寄存器
void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);
3.1.3、 USART_BRR波特率寄存器
void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);
波特率计算方法：
3.2、 串口操作相关库函数（省略入口函数）：
**void USART_Init();** //串口初始化：波特率，数据字长，奇偶校验，硬件流控以及收发使能
**void USART_Cmd();**//使能串口
**void USART_ITConfig();**//使能相关中断
**void USART_SendData();**//发送数据到串口，DR
**uint16_t USART_ReceiveData();**//接受数据，从DR读取接受到的数据
**FlagStatus USART_GetFlagStatus();**//获取状态标志位
**void USART_ClearFlag();**//清除状态标志位
**ITStatus USART_GetITStatus();**//获取中断状态标志位
**void USART_ClearITPendingBit();**//清除中断状态标志位
3.3、 串口配置一般步骤：
- 串口时钟使能，GPIO时钟使能:RCC_APB2PeriphClockCmd();
- 串口复位:USART_DeInit(); 这一步不是必须的
- GPIO端口模式设置:GPIO_Init(); 模式设置为GPIO_Mode_AF_PP
- 串口参数初始化：USART_Init();
- 开启中断并且初始化NVIC（如果需要开启中断才需要这个步骤） NVIC_Init();
USART_ITConfig(); - 使能串口:USART_Cmd();
- 编写中断处理函数：USARTx_IRQHandler();
- 串口数据收发：
void USART_SendData();//发送数据到串口，DR
uint16_t USART_ReceiveData();//接受数据，从DR读取接受到的数据 - 串口传输状态获取：
FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
void USART_ClearITPendingBit(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);
4、 串口编程
（参照3.2、3.3的章节，其中有关于代码配置的步骤）
usart.c
//串口1中断服务程序
u8 USART_RX_BUF[USART_REC_LEN]; //接收缓冲,最大USART_REC_LEN个字节.
//接收状态
//bit15， 接收完成标志
//bit14， 接收到0x0d
//bit13~0， 接收到的有效字节数目
u16 USART_RX_STA=0; //接收状态标记
void uart_init(u32 bound)
{
//GPIO端口设置
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //使能USART1，GPIOA时钟
//USART1_TX GPIOA.9
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; //PA.9
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOA.9
//USART1_RX GPIOA.10初始化
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;//PA10
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOA.10
//Usart1 NVIC 配置
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;//抢占优先级3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3; //子优先级3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道使能
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //根据指定的参数初始化VIC寄存器
//USART 初始化设置
USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//串口波特率
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长为8位数据格式
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//一个停止位
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//无奇偶校验位
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//无硬件数据流控制
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; //收发模式
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); //初始化串口1
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启串口接受中断
USART_Cmd(USART1, ENABLE); //使能串口1
}
void USART1_IRQHandler(void) //串口1中断服务程序
{
u8 Res;
#if SYSTEM_SUPPORT_OS //如果SYSTEM_SUPPORT_OS为真，则需要支持OS.
OSIntEnter();
#endif
if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) //接收中断(接收到的数据必须是0x0d 0x0a结尾)
{
Res =USART_ReceiveData(USART1); //读取接收到的数据
if((USART_RX_STA&0x8000)==0)//接收未完成
{
if(USART_RX_STA&0x4000)//接收到了0x0d
{
if(Res!=0x0a)USART_RX_STA=0;//接收错误,重新开始
else USART_RX_STA|=0x8000; //接收完成了
}
else //还没收到0X0D
{
if(Res==0x0d)USART_RX_STA|=0x4000;
else
{
USART_RX_BUF[USART_RX_STA&0X3FFF]=Res ;
USART_RX_STA++;
if(USART_RX_STA>(USART_REC_LEN-1))USART_RX_STA=0;//接收数据错误,重新开始接收
}
}
}
}
main.c
int main(void)
{
u16 t;
u16 len;
u16 times=0;
delay_init(); //延时函数初始化
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级
uart_init(115200); //串口初始化为115200
LED_Init(); //LED端口初始化
KEY_Init(); //初始化与按键连接的硬件接口
while(1)
{
if(USART_RX_STA&0x8000)
{
len=USART_RX_STA&0x3fff;//得到此次接收到的数据长度
printf("\r\n您发送的消息为:\r\n\r\n");
for(t=0;t