STM32笔记（九）---串口通信

串口通信(USART)

一、 串口通信协议简介

1-1 概念

• 物理层：规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性，确保原始数据在物理媒体的传输。其实就是硬件部分。
• 协议层：协议层主要规定通讯逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准。其实就是软件部分。

简单来说物理层规定我们用嘴巴还是用肢体来交流，协议层则规定我们用中文还是英文来交流。

1-2 常用标准

①.RS232标准

​ RS232标准串口通讯结构图

• RS232标准串口主要用于工业设备直接通信

• 电平转换芯片一般有MAX3232，SP3232

  DB9 标准的公头及母头接法

RS-232 与 TTL 电平区别(232趋向高容错)

②.USB转串口（USB2TTL）

​ USB转串口通讯结构图

• USB转串口主要用于设备跟电脑通信
• 电平转换芯片一般有CH340、PL2303、CP2102、FT232
• 使用的时候电脑端需要安装电平转换芯片的驱动

③.原生的串口到串口 (TTL2TTL)

​ 原生的串口到串口结构图

• 原生的串口通信主要是控制器跟串口的设备或者传感器通信，不需要经过电平转换芯片来转换电平，直接就用TTL电平通信
• GPS模块、GSM模块、串口转WIFI模块、HC04蓝牙模块

1-3 串口数据包的基本组成

• 起始位：由1个逻辑 0 的数据位表示

• 结束位：由 0.5、 1、 1.5 或 2 个逻辑 1 的数据位表示

• 有效数据：在起始位后紧接着的就是有效数据，有效数据的长度常被约定为 5、 6、 7 或 8 、9位长

• 校验位：可选，为的是数据的抗干扰性。

  校验方法分为：

  1-奇校验(odd)、 2-偶校验(even)

  3-0 校验(space)、 4-校验(mark)

  5-无校验(noparity)

  • 奇校验 (odd) ：有效数据和校验位中“ 1”的个数为奇数

    比如一个 8 位长的有效数据为： 01101001，此时总共有 4 个“ 1”，为达到奇校验效果，校验位为“ 1”，最后传输的数据将是 8 位的有效数据加上 1 位的校验位总共 9 位

  • 偶校验 (even) ：有效数据和校验位中“ 1”的个数为偶数

    比如一个 8 位长的有效数据为： 01101001，此时总共有 4 个“ 1”，为达到偶校验效果，校验位为“ 0”，最后传输的数据将是 8 位的有效数据加上 1 位的校验位总共 9 位

  • 0 校验：不管有效数据中的内容是什么，校验位总为“ 0”。

  • 1 校验: 校验位总为“ 1”。

  • 无校验: 数据包中不包含校验位。

二、 STM32串口功能框图讲解

2-1 引脚

TX：数据发送

RX：数据接收

SCLK ：时钟，仅同步通信时使用

nRTS ：请求发送(Request To Send)

nCTS ：允许发送(Clear To Send)

2-2 数据寄存器

• 数据寄存器 —USART_DR ：9位有效，包含一个发送数据寄存器TDR和一个接收数据寄存器RDR。一个地址对应了两个物理内存。

  

• 字长配置：USART_CR1：M，0：8bit，1：9bit

  

• 停止位配置：USART_CR2：STOP

  

• 奇偶验证位：USART_CR1：PCE（使能校验控制）、PS（奇偶校验选择）、PEIE（PE中断使能）

  

• USART_SR ：PE（奇偶校验反映位）

  

2-2-1 如何通过串口实现发送接收？

​ 1、 USART_CR1：UE、TE、RE均配置为开启

​ 2、 以发送为例，发送过程涉及2个寄存器的值改变（发送数据寄存器----TDR）

2、 TDR发送数据后状态寄存器（USART_SR）中的TXE（empty）位置1，若TXEIE=1则产生中断，不代表数据发送成功，此时TC位置1才表示发送成功，若此时TCIE=1则产生中断（相应的读取时UE、RE使能情况下，读取数据进入接收移位寄存器后传到RDR，RXNE置1，用户可从DR寄存器中读数据，若RXNEIE=1，则产生中断）、

• TXEIE/TCIE/RXNEIE均位于CR1寄存器

​

​ USART_SR：TXE，Transmit data register empty

2-3 控制器

​

2-4 波特率

• 每秒钟要发送多少数据（多少个二进制位）

• 配置单位：USART_BRR：波特率寄存器

  

• 计算公式：

  

  例：**USART：**USART1，时钟为72M **波特率：**115200

  

  最小精度：1/16(2^4)

三、 代码

3-1 固件库相关配置结构体

• USART初始化结构体：USART_InitTypeDef

  typedef struct
  {
    uint32_t USART_BaudRate;      //波特率 BRR
    uint16_t USART_WordLength;    //字长 CR1_M
    uint16_t USART_StopBits;      //停止位 CR2_STOP
    uint16_t USART_Parity;        //校验控制 CR1_PCE、CR1_PS
    uint16_t USART_Mode;          //模式选择CR1_TE、CR1_RE
    // 硬件流选择 CR3_CTSE、CR3_RTSE
    uint16_t USART_HardwareFlowControl;
  } USART_InitTypeDef;
  

• USART同步时钟初始化结构体:USART_ClockInitTypeDef

  typedef struct
  {
    uint16_t USART_Clock;      // 同步时钟 CR2_CLKEN
    uint16_t USART_CPOL;       // 极性 CR2_CPOL
    uint16_t USART_CPHA;       // 相位 CR2_CPHA
    uint16_t USART_LastBit;    //最后一个位的时钟脉冲 CR2_LBC
  } USART_ClockInitTypeDef;
  

3-2 固件库相关配置函数

• 串口初始化函数：

  void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct)
  

• 中断配置函数:

  void USART_ITConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT, FunctionalState NewState)
  

• 串口使能函数:

  void USART_Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState)
  

• 数据发送函数：

  void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data)
  

• 数据接收函数:

  uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx)
  

• 中断状态位获取函数:

  ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT)
  

3-3 固件库编程

编程要点

1-初始化串口需要用到的GPIO

2-初始化串口，USART_InitTypeDef

3-中断配置（接收中断，中断优先级）

4-使能串口

5-编写发送和接收函数

6-编写中断服务函数

实验1：中断接收和发送

• 需求：单片机给电脑发送数据，电脑上位机把数据打印出来；电脑上位机给单片机发数据，单片机接收到数据之后立马发回给电脑，并打印出来。

  • ‘bsp-usart.c’

  #include "bsp-usart.h"
  
  static void NVIC_Configuration(void)
  {
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
    /* 嵌套向量中断控制器组选择 */
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    
    /* 配置USART为中断源 */
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DEBUG_USART_IRQ;
    /* 抢断优先级*/
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    /* 子优先级 */
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    /* 使能中断 */
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    /* 初始化配置NVIC */
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
  }
  
  void USART_Config(void)
  {
  	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
  
  	// 打开串口GPIO的时钟
  	DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE);
  	
  	// 打开串口外设的时钟
  	DEBUG_USART_APBxClkCmd(DEBUG_USART_CLK, ENABLE);
  
  	// 将USART Tx的GPIO配置为推挽复用模式
  	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN;
  	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
  	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  	GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
  
    // 将USART Rx的GPIO配置为浮空输入模式
  	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN;
  	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
  	GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
  	
  	// 配置串口的工作参数
  	// 配置波特率
  	USART_InitStructure.USART_BaudRate = DEBUG_USART_BAUDRATE;
  	// 配置 针数据字长
  	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
  	// 配置停止位
  	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
  	// 配置校验位
  	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;
  	// 配置硬件流控制
  	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
  	// 配置工作模式，收发一起
  	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
  	// 完成串口的初始化配置
  	USART_Init(DEBUG_USARTx, &USART_InitStructure);
  	
  	// 串口中断优先级配置
  	NVIC_Configuration();
  	
  	// 使能串口接收中断
  	USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE, ENABLE);	
  	
  	// 使能串口
  	USART_Cmd(DEBUG_USARTx, ENABLE);	    
  }
  
  /* 发送一个字节 */
  void Usart_SendByte(USART_TypeDef* pUSARTx, uint8_t data)
  {
  	USART_SendData(pUSARTx, data);
  	while( USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET );
  }
  
  /* 发送两个字节的数据 */
  void Usart_SendHalfWord(USART_TypeDef* pUSARTx, uint16_t data)
  {
  	uint8_t temp_h,temp_l;
  	
  	temp_h = (data&0xff00) >> 8 ;
  	temp_l = data&0xff;
  	
  	USART_SendData(pUSARTx, temp_h);
  	while( USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET );
  	
  	USART_SendData(pUSARTx, temp_l);
  	while( USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET );
  }
  
  /* 发送8位数据的数组 */
  void Usart_SendArray(USART_TypeDef* pUSARTx, uint8_t *array,uint8_t num)
  {
  	uint8_t i;
  	for( i=0; i<num; i++ )
    {
  		Usart_SendByte(pUSARTx, array[i]);
  	}
  	while( USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TC) == RESET );
  }
  
  /* 发送字符串 */
  void Usart_SendStr(USART_TypeDef* pUSARTx, uint8_t *str)
  {
  	uint8_t i=0;
  	do
    {
  		Usart_SendByte(pUSARTx, *(str+i));
  		i++;
  	}while(*(str+i) != '\0');
  	while( USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TC) == RESET );
  }
  
  ///重定向c库函数printf到串口，重定向后可使用printf函数
  int fputc(int ch, FILE *f)
  {
  		/* 发送一个字节数据到串口 */
  		USART_SendData(DEBUG_USARTx, (uint8_t) ch);
  		
  		/* 等待发送完毕 */
  		while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);		
  	
  		return (ch);
  }
  
  ///重定向c库函数scanf到串口，重写向后可使用scanf、getchar等函数
  int fgetc(FILE *f)
  {
  		/* 等待串口输入数据 */
  		while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
  
  		return (int)USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);
  }
  
  

  • ‘bsp-usart.h’

  #ifndef __BSP_USART_H
  #define __BSP_USART_H
  
  #include "stm32f10x.h"
  #include 
  
  #define DEBUG_USART1     1
  #define DEBUG_USART2     0
  #define DEBUG_USART3     0
  #define DEBUG_USART4     0
  #define DEBUG_USART5     0
  
  #if DEBUG_USART1
  // 串口1-USART1
  #define  DEBUG_USARTx                   USART1
  #define  DEBUG_USART_CLK                RCC_APB2Periph_USART1
  #define  DEBUG_USART_APBxClkCmd         RCC_APB2PeriphClockCmd
  #define  DEBUG_USART_BAUDRATE           115200
  
  // USART GPIO 引脚宏定义
  #define  DEBUG_USART_GPIO_CLK           (RCC_APB2Periph_GPIOA)
  #define  DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd    RCC_APB2PeriphClockCmd
      
  #define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT       GPIOA   
  #define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_9
  #define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT       GPIOA
  #define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_10
  
  #define  DEBUG_USART_IRQ                USART1_IRQn
  #define  DEBUG_USART_IRQHandler         USART1_IRQHandler
  
  #elif DEBUG_USART2
  //串口2-USART2
  #define  DEBUG_USARTx                   USART2
  #define  DEBUG_USART_CLK                RCC_APB1Periph_USART2
  #define  DEBUG_USART_APBxClkCmd         RCC_APB1PeriphClockCmd
  #define  DEBUG_USART_BAUDRATE           115200
  
  // USART GPIO 引脚宏定义
  #define  DEBUG_USART_GPIO_CLK           (RCC_APB2Periph_GPIOA)
  #define  DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd    RCC_APB2PeriphClockCmd
      
  #define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT       GPIOA   
  #define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_2
  #define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT       GPIOA
  #define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_3
  
  #define  DEBUG_USART_IRQ                USART2_IRQn
  #define  DEBUG_USART_IRQHandler         USART2_IRQHandler
  
  #elif DEBUG_USART3
  //串口3-USART3
  #define  DEBUG_USARTx                   USART3
  #define  DEBUG_USART_CLK                RCC_APB1Periph_USART3
  #define  DEBUG_USART_APBxClkCmd         RCC_APB1PeriphClockCmd
  #define  DEBUG_USART_BAUDRATE           115200
  
  // USART GPIO 引脚宏定义
  #define  DEBUG_USART_GPIO_CLK           (RCC_APB2Periph_GPIOB)
  #define  DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd    RCC_APB2PeriphClockCmd
      
  #define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT       GPIOB   
  #define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_10
  #define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT       GPIOB
  #define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_11
  
  #define  DEBUG_USART_IRQ                USART3_IRQn
  #define  DEBUG_USART_IRQHandler         USART3_IRQHandler
  
  #elif DEBUG_USART4
  //串口4-UART4
  #define  DEBUG_USARTx                   UART4
  #define  DEBUG_USART_CLK                RCC_APB1Periph_UART4
  #define  DEBUG_USART_APBxClkCmd         RCC_APB1PeriphClockCmd
  #define  DEBUG_USART_BAUDRATE           115200
  
  // USART GPIO 引脚宏定义
  #define  DEBUG_USART_GPIO_CLK           (RCC_APB2Periph_GPIOC)
  #define  DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd    RCC_APB2PeriphClockCmd
      
  #define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT       GPIOC   
  #define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_10
  #define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT       GPIOC
  #define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_11
  
  #define  DEBUG_USART_IRQ                UART4_IRQn
  #define  DEBUG_USART_IRQHandler         UART4_IRQHandler
  
  #elif DEBUG_USART5
  //串口5-UART5
  #define  DEBUG_USARTx                   UART5
  #define  DEBUG_USART_CLK                RCC_APB1Periph_UART5
  #define  DEBUG_USART_APBxClkCmd         RCC_APB1PeriphClockCmd
  #define  DEBUG_USART_BAUDRATE           115200
  
  // USART GPIO 引脚宏定义
  #define  DEBUG_USART_GPIO_CLK           (RCC_APB2Periph_GPIOC|RCC_APB2Periph_GPIOD)
  #define  DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd    RCC_APB2PeriphClockCmd
      
  #define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT       GPIOC   
  #define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_12
  #define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT       GPIOD
  #define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_2
  
  #define  DEBUG_USART_IRQ                UART5_IRQn
  #define  DEBUG_USART_IRQHandler         UART5_IRQHandler
  
  #endif
  
  void USART_Config(void);
  void Usart_SendByte(USART_TypeDef* pUSARTx, uint8_t data);
  void Usart_SendHalfWord(USART_TypeDef* pUSARTx, uint16_t data);
  void Usart_SendArray(USART_TypeDef* pUSARTx, uint8_t *array,uint8_t num);
  void Usart_SendStr(USART_TypeDef* pUSARTx, uint8_t *str);
  #endif  /* __BSP_USART_H */
  
  

  • ‘stm32f10x_it.c’

  void DEBUG_USART_IRQHandler(void)
  {
  	uint8_t ucTemp;
  	if(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TC) != RESET)//再次判断是否发送完毕
  	{
  		ucTemp = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);				 //接收数据
  		USART_SendData(DEBUG_USARTx, ucTemp);					 //将接收数据发送至单片机显示
  	}
  }
  
  

  • ‘main.c’

  #include "stm32f10x.h"
  #include "bsp-usart.h"
  
  int main(void)
  {
  	USART_Config();
  	printf("test_printf~~\n");
  	Usart_SendStr(DEBUG_USARTx,"test_SendStr~~\n");
  	while(1)
  	{
  		//
  	}
  }
  
  

  串口调试助手根据‘配置串口的工作参数’选择相应参数调试

  串口调试助手现象：

  

实验2：串口控制RGB灯亮灭

• **需求：**电脑给单片机发命令，用于控制开发板上的RGB灯。

  (与实验1相比改动部分)

  • ‘stm32f10x_it.c’

  void DEBUG_USART_IRQHandler(void)
  {
  	if(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx,USART_FLAG_TC) != RESET)
  	{
  		ch = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);//ch为外部引用全局变量
  		printf("ch = %c\n", ch);
  	}
  }
  

  • ‘main.c’

  #include "stm32f10x.h"
  #include "bsp-led.h"
  #include "bsp-usart.h"
  
  uint16_t ch = 0;//全局变量ch，用于接收串口信息
  
  int main(void)
  {
  	USART_Config();				//串口初始化
  	LED_GPIO_Config();			//LED初始化
  	while(1)
  	{
  		//USART判断ch的值进行RGB的状态切换
  		LED_USART_SWITCH();		//ch--switch函数
  /***************************************/
  //		void LED_USART_SWITCH(void)
  //		{
  //			switch(ch)
  //			{
  //				case 0x01: LEDON_G;break;		//绿灯
  //				case 0x02: LEDON_R;break;		//红灯
  //				case 0x03: LEDON_B;break;		//蓝灯
  //				default:   LED_ALL(ON);break;	//白灯
  //			}
  //		}
  /***************************************/
  	}
  }