Uart异步串口通信

1. 什么是UART？

（1）UART，通用异步收发器。相比于USART，UART收发是以字符为单位，没有CLK同步时钟。

（2）UART最主要的是三根数据线：

• TXD发送引脚
  
• RXD接收引脚
  
• GND接地引脚
  

（3）UART比较重要的几个参数：

• 波特率：每秒传送的码元数，比如9600，115200
  
• 数据位：典型值5、6、8、9位
  
• 奇偶校验位：一般分为奇校验和偶校验或者无校验位
  
• 停止位：典型值1、1.5、2位
  

（4）UART工作示意图如下图所示：

UART工作模式

这是典型的UART异步通信模式，数据位为8，无奇偶校验位，一位停止位。UART串口发送一次包含：起始位，数据位（低位在前），奇偶校验位（可选），以及停止位。

2. 以STM32为例，分析UART工作原理

（1）了解STM32串口主要特性

• 可编程数据字长度(8位或9位)
• 可配置的停止位-支持1或2个停止位
• 可配置的使用DMA的多缓冲器通信
• 单独的发送器和接收器使能位
• 检测标志：接收缓冲器满、发送缓冲器空、传输结束标志

（2）了解STM32串口主要寄存器

STM32串口工作流程如下图：

UART工作流程

状态寄存器USART_SR

• TXE（发送数据寄存器空），当数据全部移入发送移位寄存器时，置1
• TC（发送完成），当一帧数据发送完成，且TXE=1时，置1
• RXNE（读数据寄存器非空），当有数据读入数据寄存器USART_DR时，置1

数据寄存器USART_DR，发送或接收缓存数据

控制寄存器1 USART_CR1，主要用于配置中断和使能

• UE（USART使能），TE（发送使能），RE（接收使能）
• TXEIE 发送缓冲区空中断使能
• TCIE 发送完成中断使能
• RXNEIE 接收缓冲区非空中断使能

（3）STM32基本配置：波特率，数据位，奇偶校验位，停止位，串口/中断使能

3. UART发送数据

（1）首先是对UART串口的初始化配置

（2）调用函数 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)

• huart是UART句柄结构体（姑且先这么叫）
• pData是待发送的字符数组，每次发送前都需要进行一次读写，可以调用sprintf函数
• Size是指pData字符数组的长度，一般是strlen(pData)
• Timeout是待发送数据的生存时间，若超时会返回HAL_TIMEOUT

（3）自定义函数usUART_sendString(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData)

• 这是根据HAL库发送函数由用户进行改写的字符串发送函数，形参只有两个
• 函数编写借鉴51单片机串口思想，代码编写如下：

void usUart_sendString(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData)
{
  /*
  判断是否发送完成
  */
  while(*pData)   
  {
    /*
    每次发送一个字符
    */
    HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(huart, pData, 1, 0xffff);
    /*
    字符指针移位，指向下一个字符的内容
    */
    pData++;
  }
}

4. UART接收

（1）首先对UART串口进行初始化

（2）调用函数HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)

• 采用这种方法一般都是查询法，如下：

/* 判断是否接收成功 */
if(HAL_UART_Receive(&huart1, &uRx_Data, 1, 1000) == HAL_OK)
{
  /* 将接收成功的数据通过串口发出来 */
  HAL_UART_Transmit(&huart1, &uRx_Data, 1, 0xffff);
}

• 这种方式接收，必须事先知晓接收数据的长度，否则大概率会出错；其次，采用此方法会严重占用MCU的资源，尤其是放到while函数中。
• 除此之外，若是采用中断的方法，像这样接收后直接处理，就会出现另一个问题，即，还未发送出去（移位寄存器还未清空）就直接进入下一次中断

（3）采用中断方式（接收完成后再处理）

• 首先需要配置中断，中断配置在此略过……
• 中断函数代码编写如下：

/*
* @brief This function handles USART1 global interrupt.
*/
void USART1_IRQHandler(void)
{
  static unsigned char   uRx_Data[1024] = {0}     ;    //存储数组
  static unsigned char * pRx_Data       = uRx_Data;    //指向存储数组将要存储数据的位
  static unsigned char   uLength        =  0      ;    //接收数据长度

  /* -1- 接收数据 */
  HAL_UART_Receive(&huart1, pRx_Data, 1, 1000);

  /* -2- 判断数据结尾 */
  if(*pRx_Data == '\n')
  {
      /* -3- 将接收成功的数据通过串口发出去 */
      HAL_UART_Transmit(&huart1, uRx_Data, uLength, 0xffff);

      /* -4- 初始化指针和数据长度 */
      pRx_Data = uRx_Data;   //重新指向数组起始位置
      uLength  = 0;          //长度清零
  }
  /* -5- 若未结束，指针往下一位移动，长度自增一 */
  else
  {
      pRx_Data++;
      uLength++;
  }
  HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
}

参考资料

[1] 基于STM32之UART串口通信协议（三）接收

[2] UART串口通信协议原理