stm32学习笔记-9 USART串口

9 USART串口

注：笔记主要参考B站 江科大自化协 教学视频“STM32入门教程-2023持续更新中”。
注：工程及代码文件放在了本人的Github仓库。

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9.1 串口通信协议

从本节开始，将逐一学习STM32的通信接口。首先介绍以下stm32都集成了什么通信外设。

为了控制或读取外挂模块，stm32需要与外挂模块进行通信，来扩展硬件系统。而这个“通信”的过程就需要遵守相应的“通信协议”，也就是通信双方需要按照协议规则进行数据收发。不同外挂模块的会采用不同的通信协议，如下表：

表9-1 stm32片上集成的通信模块外设

名称	引脚	双工	时钟	电平	设备
USART	TX/TXD、RX/RXD	全双工	异步	单端	点对点
I2C	SCL、SDA	半双工	同步	单端	多设备
SPI	SCLK、MOSI、MISO、CS	全双工	同步	单端	多设备
CAN	CAN_H、CAN_L	半双工	异步	差分	多设备
USB	DP/D+、DM/D-	半双工	异步	差分	点对点

下面介绍一下引脚的全称：

• USART：TX(Transmit Exchange)数据发送脚、RX(Receive Exchange)数据接收脚。
• IIC：SCL(Serial Clock)时钟线、SDA(Serial Data)数据线。
• SPI：MOSI(Master Output Slave Input)主机输出数据脚、MISO(Master Input Slave Output)主机输入数据脚、CS(Chip Select)片选
• USB：DP(Data Postive)差分线正、DM(Data Minus)差分线负

注：上述协议中，单端电平都需要共地。
注：使用差分信号可以抑制共模噪声，可以极大的提高信号的抗干扰特性，所以一般差分信号的传输速度和传输距离都非常高。

本节将介绍串口。串口是一种应用十分广泛的通讯接口，串口成本低、容易使用、通信线路简单，可实现两个设备的互相通信。单片机的串口可以使单片机与单片机、单片机与电脑、单片机与各式各样的模块互相通信，极大地扩展了单片机的应用范围，增强了单片机系统的硬件实力。

一般单片机中都会有串口的通信外设。在单片机领域中，相比于IIC、SPI等协议，串口是一种非常简单的通信接口，只支持点对点的通信。单片机与电脑通信，是串口的一大优势，可以外接电脑屏幕，非常适合调试程序、打印信息……IIC或SPI协议一般都是芯片之间的通信，有片选引脚所以支持总线通信，而不会直接外接在电脑上。

图9-1 串口模块实例

1. USB转串口模块：使用CH340芯片，可以将串口协议转换成USB协议。使用此模块可以实现单片机与电脑的通信。
2. 陀螺仪模块：左侧是串口引脚，右侧是IIC引脚。可以用于测量角速度、角速度等姿态参数。
3. 蓝牙串口模块：上面的芯片可以和手机互联，下面四个引脚是串口引脚。此芯片可以实现手机遥控单片机的功能。

图9-2 串口引脚接线图

下面介绍一些串口引脚的注意事项：

• TX与RX：简单双向串口通信有两根通信线（发送端TX和接收端RX），要交叉连接。不过，若仅单向的数据传输，可以只接一根通信线。
• GND：一定要共地。由于TX和RX的高低电平都是相对于GND来说的，所以GND严格来说也算是通信线。
• VCC：相同的电平才能通信，如果两设备都有单独的供电，VCC就可以不接在一起。但如果某个模块没有供电，就需要连接VCC，注意供电电压要按照模块要求来，必要时需要添加电压转换电路。

电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系，串口常用的电平标准有如下三种：

1. TTL电平【单片机】：+3.3V或+5V表示1，0V表示0。一般低压小型设备，使用的都是TTL电平。传输范围几十米。
2. RS232电平：-3~-15V表示1，+3~+15V表示0。一般在大型机器上使用，由于环境比较恶劣，静电干扰比较大，所以通信电压都很大，并且允许波动的范围也很大。传输范围几十米。
3. RS485电平：两线压差+2~+6V表示1，-2~-6V表示0（差分信号）。抗干扰能力极强，通信距离可达上千米。

注：不同电平标准之间的转换只需要加电压转换芯片即可，并不需要修改相应的软件代码。

上面介绍了串口协议的硬件部分（如何表示1/0），下面来介绍串口协议的软件部分（如何使用1/0组成字节数据）。

图9-3 串口的单字节发送格式

下面介绍串口的参数：

• 波特率：串口通信的速率（bit/s），也就是通信双方所约定的通信速率（异步通信）。
• 空闲状态：固定为高电平。
• 起始位：固定为低电平，标志一个数据帧的开始。
• 数据位：低位先行，数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平。
• 校验位（选填）：用于数据验证，根据数据位计算得来。
• 停止位：固定为高电平，用于表示数据帧的间隔，同时也可以使得通信线回归到空闲状态。可以配置停止位是1位/2位。

图9-4 串口时序

上图给出了几个例子，来展示串口通信的时序图：

• 右侧最后两个图展示了不同长度停止位的现象。

注：在stm32中，根据发送数据自动转换发送波形、或根据波形自动读取数据，都是由USART外设自动完成的，无需软件控制每一位的发送或读取。

9.2 stm32的片上外设-USART

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）通用同步/异步收发器 是STM32内部集成的硬件外设，可根据数据寄存器的一个字节数据 自动生成数据帧时序，从TX引脚发送出去，也可 自动接收RX引脚的数据帧时序，拼接为一个字节数据，存放在数据寄存器里。USART中的“S”表示同步，只支持时钟输出，不支持时钟输入，是为了兼容别的协议或特殊用途而设计的，并不支持两个USART之间进行同步通信，所以这个功能几乎不会用到，一般更常使用的是UART同步异步收发器。下面是一些参数：

• 自带波特率发生器，最高达4.5Mbits/s，常用9600/115200。
• 可配置数据位长度（8/9）、停止位长度（0.5/1/1.5/2）。
• 可选校验位：无校验（常用）/奇校验/偶校验。
• 支持同步模式（一般不用）、硬件流控制（指示从设备准备好接收的信号，一般不用）、DMA、智能卡、IrDA（手机红外通信，但并不是红外遥控，目前很少见）、LIN（局域网的通信协议）。
• STM32F103C8T6 USART资源：USART1(APB2)、USART2(APB1)、USART3(APB1)。

表9-2 串口引脚定义和引脚复用关系

引脚	USART1	USART2	USART3
TX	PA9/PB6	PA2	PB10
RX	PA10/PB7	PA3	PB11
CK	PA8	PA4	PB12
CTS	PA11	PA0	PB13
RTS	PA12	PA1	PB14
注：斜杠后面的引脚表示重定义

图9-5 USART框图

• 发送数据的过程：某时刻给“TDR”写入数据0x55，此时硬件检测到写入数据，就会检查当前“发送移位寄存器”是否 有数据正在进行移位，若正在移位，就会等待移位完成；若没有移位，就会将TDR中的数据立刻移动到“发送移位寄存器”中，准备发送。然后，“发送移位寄存器”就会在下面的“发送器控制”的驱动下，向右一位一位的移位（低位先行），将数据输出到TX发送引脚。移位完成后，新的数据会再次自动的从TDR转移到“发送移位寄存器”中来。有了TDR和“发送移位寄存器”的双重缓存，可以保证连续发送数据时，数据帧之间不会有空闲。
• 写入数据的时机：当数据从TDR移动到“发送移位寄存器”时，标志位TXE置位（TX Empty，发送寄存器空），此时检测到TXE置位就可以继续写入下一个数据，但注意此时上一个数据实际上还没发送出去。
• 接收数据的过程：数据从RX引脚通向“接收移位寄存器”，在“接收器控制”的驱动下，一位一位的读取RX电平并放在最高位，整个过程不断右移（低位先行），最终就可以接收1个字节。当一个字节移位完成后，这一个字节的数据就会整体地一下子转移到“接收数据寄存器RDR”中。然后就准备继续读取下一帧数据。同样，RDR和“接收移位寄存器”也组成了双重缓存结构，可以保证连续读取数据。
• 读取数据的时机：接收数据从“接收移位寄存器”转移到RDR的过程中，标志位RXNE置位（RX Not Empty，接收数据寄存器非空）。所以当检测到标志位RXNE置位时，就可以将数据读走。

下面来看看其他的硬件电路功能：

• 发送器控制：控制“发送移位寄存器”工作。
• 接收器控制：控制“接收移位寄存器”工作。
• 硬件数据流控：也就是“硬件流控制”，简称“流控”。如果主设备连续发送，导致从设备内部无法及时处理接收数据，就会出现数据丢弃或覆盖的现象（注意不是UART没接收到，而是从设备没有及时将数据从RDR取走），此时“流控”就可以帮助从设备向主设备发信号，指明自己还没有准备好接收数据，主设备也就不会发送数据了。本教程不涉及。

• nRTS（Request To Send）：输出脚，请求发送。也就是告诉主设备，当前是否已经准备好接收。前方“n”表示低电平有效。
• nCTS（Clear To Send）：输入脚，清除发送。用于接收从设备的nRTS信号。前方“n”表示低电平有效。

• SCLK：用于产生“同步功能”的时钟信号，配合“发送移位寄存器”输出，用于给从设备提供时钟。注意没有同步时钟输入，所以两个USART之间不能同步通信。
• 唤醒单元：实现串口挂载多设备。前面提到串口一般是点对点通信，但是这个模块通过给串口分配地址“USART地址”，就可以决定是否唤醒USART工作，进而实现了总线通信。
• 状态寄存器SR：存储着串口通信的各种标志位，其中比较重要的有发送寄存器空TXE、接收数据寄存器非空RXNE。
• USART中断控制：中断输出控制，配置中断是否可以通向NVIC。其中断申请位就是状态寄存器SR中的各种标志位。
• 波特率发生器部分：其实就是分频器，APB时钟进行分频，得到发送和接收移位的时钟。

• f_PCLKx(x=1,2)：时钟输入。由于UASRT1挂载在APB2上，所以 时钟输入f_PCLKx(x=1,2) 就是PCLK2的时钟，一般为72MHz。而UASRT2、USART3都挂载在APB1上，所以 时钟输入f_PCLKx(x=1,2) 就是PCLK1的时钟，一般为36MHz。
• /UASRTDIV：时钟分频系数。内部结构也就是虚线框中的“传统的波特率发生器”。
• /16：再进行16分频，得到最终的“发送器时钟”、“接收器时钟”。

注：发送时添加开始位、停止位；接收时去除开始位、停止位，这些工作由内部硬件电路自动完成。
注：更多关于控制寄存器CR、状态寄存器SR的描述可以查阅参考手册“25.6 USART寄存器描述”。

图9-6 USART基本结构

上图给出USART最主要、最基本的结构：

• 波特率发生器：用于产生约定的通信速率。时钟来源是PCLK2/PCLK1，经过波特率发生器分频后，产生的时钟通向发送控制器、接收控制器。
• 发送控制器、接收控制器：用于控制发送移位、接收移位。
• GPIO：发送端配置成复用推挽输出、接收端配置成上拉输入。
• 标志位：TXE置位时写入数据、RXNE置位时接收数据。
• 开关控制：用于开启整个USART外设。

下面来看几个细节的问题：
细节1：数据帧

图9-7 字长的配置

上图给出了8位字长（无校验位）、9位字长（有校验位）的波形：

• 时钟上升沿：可以看到每个数据中间都有一个时钟上升沿，所以接收端采样时刻就是时钟上升沿。时钟的极性、相位等都可以通过配置寄存器配置。
• 空闲帧、断开帧：用于局域网协议。
• 尽量选择9位字长有校验、8位字长无校验。

图9-8 停止位的配置

stm32串口外设的停止位长度可以配置成0.5/1/1.5/1位，共四种选择，区别就是停止位的时长不一样。

• 一般就选择停止位长度为1位。

细节2：USART输入数据采样规则
串口的输出TX只需要保持相应时长的电平即可，电路简单；但是串口输入RX则需要判断电平持续时间，所以电路会更加复杂，所以下面来详细介绍stm32串口外设对于输入数据的采样。

图9-9 对于起始位的采样

注意到采样时钟是波特率的16倍，即会对某一位采样16次。

• 检测下降沿：若突然检测到下降沿，则开始进行检测。
• 检测3、5、7位：在第3、5、7间隔采样，采样判断原则为若三位全为0，则正常进入后续；若有2个0，则还是会接着检测，但噪声标志位NE(Noise Error)置位（告诉用户，我这儿接收的信号有噪声，你悠着点用）；若低于2个0，则认为之前检测到的下降沿为噪声，忽略已经捕获的数据，重新回到空闲状态开始捕捉下降沿。
• 检测8、9、10位：连续采样。采样判断原则与上述相同。

图9-10 对于数据位的采样

由于起始位采样已经对齐了数据时钟，所以数据采样就直接在8、9、10位采样。

• 数据采样的判断原则：三个数据中，0/1哪个数据多就判断为接收到哪个。但是如果三个数据有不一致的情况，噪声标志位NE(Noise Error)置位。

细节3：计算分频系数DIV

图9-11 波特比率寄存器示意图

发送器和接收器的波特率由波特率寄存器BRR里的分频系数DIV确定：
$$波特率=\frac{f_{PCLK2/1}}{16\ast DIV}$$

例如：若输入时钟为$f_{PCLK2/1}=72MHz$，希望配置波特率为9600，则分频系数为：$DIV=\frac{72M}{16\ast 9600}=468.75$，转换成二进制为111010100.11，于是USART_BRR的值为0001_1101_0100_1100(高位补零、低位补零)。

比较方便的是，上述过程都可以使用USART的外设库函数实现，调用时只需输入波特率，库函数会自动计算出DIV，并按照格式配置好BRR寄存器。

注：十进制转二进制工具为菜鸟工具的 “在线进制转换器”。

细节4：USB转串口模块

图9-12 USB转串口模块-原理图

主要关注的是该模块的供电情况。

• USB插座：直接插在电脑USB端口上，注意整个模块的供电来自于USB的VCC+5V。
• CON6插针座：

• 引脚2、引脚3：用于连接到stm32上进行串口通信。
• 引脚5【CH340_VCC】：通过跳线帽可以选择 接入+3.3V（stm32） 或者+5V。CH340芯片的供电引脚，同时决定了TTL，所以也就是串口通信的TTL电平。神奇的是，即使不接跳线帽CH340也可以正常工作，TTL为3.3V，但是显然接上电路以后更加稳定。
• 通信和供电的选择：CON6插针座选择引脚4/6进行通信后，剩下的引脚可以用于给从设备供电，但是剩下的这个脚显然与TTL电平不匹配。此时需要注意 优先保证供电电平的正确，通信TTL电平不一致问题不大。当然，若从设备自己有电源，那么就不存在这个问题了。

• TXD指示灯、RXD指示灯：若相应总线上有数据传输，那么指示灯就会闪烁。

细节5：数据模式
显然计算机在通信过程中只能传输二进制数据，那么如何发送文本呢？就需要制定一个规则，来约定字符和接收数据的映射关系，即字符编码表。不同的编码格式有不同的映射，具体可以在网上随便搜搜“字符编码格式”，如知乎文章“字符常见的编码方式”。

HEX模式/十六进制模式/二进制模式：以原始数据的形式显示；
文本模式/字符模式：以原始数据编码后的形式显示。

图9-13 ASCII码表-UP自己做的高清版

9.3 USART收发相关实验

9.3.1 实验1：串口发送

需求：在软件代码中定义要发送的信息，然后通过串口发送到电脑端，使用“串口助手”小工具查看。要求依次发送单字节数据、数组、字符串、数据的每一位。
注：串口助手可以切换“文本模式”/“HEX模式”。
注：数字和字符的对应关系可以参考ASCII码表。

图9-14 串口发送-接线图

注：接线图也可以不接OLED显示屏。

图9-15 串口发送-代码调用（非库函数）

下面是代码展示：
- main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "SerialPort.h"
    
int main(void){
    uint8_t send_byte = 0x42;
    uint8_t send_array[6] = {0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35};
    //串口初始化
    SerialPort_Init();
    //发送单个字节
    SerialPort_SendByte('A');//可以直接发送字符
    SerialPort_SendByte(send_byte);
    SerialPort_SendByte('\r');
    SerialPort_SendByte('\n');
    //发送数组
    SerialPort_SendArray(send_array,6);
    SerialPort_SendByte('\r');
    SerialPort_SendByte('\n');
    //发送字符串
    SerialPort_SendString("Hello World!\r\n");
    //发送数字的每一位
    SerialPort_SendNum(65535, 5);
    SerialPort_SendString("\r\n");
    while(1){
//        //循环发送数字
//        SerialPort_SendByte(send_byte);
//        OLED_ShowHexNum(1,9,send_byte,2);
//        send_byte++;
//        Delay_ms(1000);
    };
}

- SerialPort.h

#ifndef __SERIALPORT_H
#define __SERIALPORT_H

void SerialPort_Init(void);
void SerialPort_SendByte(uint8_t send_byte);
void SerialPort_SendArray(uint8_t *send_array, uint16_t size_array);
void SerialPort_SendString(char *send_string);
void SerialPort_SendNum(uint32_t send_num, uint16_t send_len);

#endif

- SerialPort.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

//串口初始化-USART1
void SerialPort_Init(void){
    //1.开启RCC外设时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    //2.初始化GPIO-PA9
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    //3.初始化USART结构体
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
    //4.配置中断，开启NVIC（接收数据使用）
    //5.开启外设
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

//串口发送1字节数据
void SerialPort_SendByte(uint8_t send_byte){
    //向发送数据寄存器TDR中写入数据
    USART_SendData(USART1, send_byte);
    //确认数据被转移到发送移位寄存器（等待标志位TXE置位）
    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE)==RESET);
}

//发送一个数组
void SerialPort_SendArray(uint8_t *send_array, uint16_t size_array){
    uint8_t i=0;
    for(i=0;i<size_array;i++){
        SerialPort_SendByte(send_array[i]);
    }
}

//发送一个字符串
void SerialPort_SendString(char *send_string){
    uint8_t i=0;
    for(i=0; send_string[i]!='\0'; i++){
        SerialPort_SendByte(send_string[i]);
    }
}

//非外部调用函数-幂次函数
uint32_t SerialPort_Pow(uint32_t X, uint32_t Y){
    uint32_t result = 1;
    while(Y--){
        result *= X;
    }
    return result;
}

//发送数字的每一位-先发高位
void SerialPort_SendNum(uint32_t send_num, uint16_t send_len){
    uint16_t i;
    for(i=0;i<send_len;i++){
        SerialPort_SendByte((send_num/SerialPort_Pow(10,send_len-i-1))%10+'0');
    }
}

编程感想：

1. 关于接线。注意串口通信的两个设备是交叉连接的，所以“USB转串口模块”的TX应该接在stm32串口的RX（PA10）、RX应该接在stm32串口的TX（PA9）！
2. 关于sizeof。相信很多人也想到，在封装发送数组的函数时，为什么不直接在函数中使用sizeof函数来计算数组的大小呢？这样能少传递一个参数，更简洁。但实际上，这里面的水很深，这样操作是不能得到正确结果的，具体原理可以参考CSDN博文“数组名不等于指针”。最终结论就是，数组名在传参过程中，会退化成一个指针，此时所表示的大小不是数组的实际大小，而是这个指针的大小，所以要想在函数中使用到数组大小，最好还是多传递一个参数。

9.3.2 实验2：移植printf函数

需求：将C语言自带函数printf进行封装，默认成将需要打印的数据发送到串口，进而可以显示在电脑端串口助手上。

接线图、函数调用（非库函数） 与上一小节实验“串口发送”相同。本节本人目前也不懂原理，所以下面直接给出 代码展示：

方法一：

1. 首先点击“魔术棒”，在Target界面的“Code Generation”方框中勾选“USE MicroLIB”。MicroLIB是Keil为嵌入式平台优化的一个精简库，要使用printf函数就会用到这个MicroLIB精简库。
2. 对printf函数重定向，将printf函数打印的东西输出到串口。于是在 SerialPort.c 模块中添加下列代码：

#include 

//对printf函数重定向-将fputc函数原型重定向到串口
//注：ptintf函数本质上就是循环调用fputc，将字符一个一个输出
int fputc(int ch, FILE *f){
    SerialPort_SendByte(ch);
    return ch;
}

在 SerialPort.h 模块中添加下列代码：

#include 

3. 于是就可以在 main.c 中调用printf函数，将数据输出到串口了。

//使用重定向的printf函数
    printf("%d\r\n",666);

但注意这个方法直接将printf函数重定向到了USART1，别的USART外设（USART2、USART3等）想用就没办法了。所以有如下的改进方法。

方法二：
若多个串口都想使用printf函数，那么就可以使用sprintf函数。sprintf函数可以将格式化字符输出到一个字符串里，然后再调用相应的“串口发送字符串”函数发送这个字符串，整个过程不涉及重定向，于是就实现了所有USART外设都可以打印信息到串口了。所以下面可以直接在 main.c 中定义：

char String[100];//定义一个足够长的字符串数组
sprintf(String, "Num=%d\r\n", 666);//将格式化字符串存储在String中
SerialPort_SendString(String);//串口发送字符串

方法三：
方法二的sprintf函数很方便，但是直接在主函数中写比较麻烦，于是本方法就是来封装“方法二”。具体方法如下：

1. C语言可变参数。在串口模块SerialPort.c中添加下面代码：

#include 

//对sprintf函数进行封装
void SerialPort_Printf(char *format,...){
    char String[100];//定义输出的字符串
    va_list arg;//定义参数列表变量
    va_start(arg, format);//从format位置开始接收参数表，放在arg里面
    vsprintf(String, format, arg);//sprintf只接收直接写的参数，对于封装格式改用vsprintf
    va_end(arg);//释放参数表
    SerialPort_SendString(String);  
}
//注意上述函数要在头文件中声明，但头文件就不需要再添加了。

2. 直接在主函数中调用：

SerialPort_Printf("Num=%d\r\n", 888);

特殊说明：显示汉字
使用上面几种printf函数时，有可能会出现乱码，要解决这个问题，关键是要保持Keil编译器（“扳手”图标Editor界面的Encoding下拉菜单）和“串口助手”的文本编码一致。可以选择以下两种情况：

1. 两者都选择UTF-8编码。但是直接在字符串写汉字，编译器有可能报错，解决方法是点击“魔术棒”–>C/C+±->最下面的Controls输入 --no-multibyte-chars即可。
2. 有些串口助手软件可能不兼容UTF-8，所以两者都需要选择GB2312编码。

注：更改编译器文本编码格式后，需要将文件全部关闭，重新打开，否则编码方式不会改变。

9.3.3 实验3：串口发送+接收

需求：电脑端发送数据，stm32接收到数据后，将数据在OLED显示屏上显示出来、并且回传到电脑。

程序整体思路：

1. 查询。主函数不断查询RXNE标志位，但是会占用很多的CPU资源，所以不推荐。
2. 中断。推荐方法，下面的演示也是基于此方法。

本实验的 接线图 与前两小节的实验均相同，下面给出 代码调用：

图9-16 串口发送+接收-代码调用（非库函数）

下面是 代码展示，仅给出在串口模块中增添的函数：
- main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "OLED.h"
#include "SerialPort.h"

int main(void){    
    uint8_t Rx_byte = 0;//串口接收的单比特数据
    
    //设置中断分组
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    
    //OLED初始化
    OLED_Init();
    OLED_ShowString(1,1,"Rx_byte:");
    
    //串口初始化
    SerialPort_Init();

    while(1){
        if(SerialPort_GetRxFlag()==1){
            Rx_byte = SerialPort_GetRxData();
            OLED_ShowHexNum(1,9,Rx_byte,2);
            SerialPort_SendByte(Rx_byte);
        }
    };
}

- SerialPort.c

uint8_t SerialPort_RxData = 0;
uint8_t SerialPort_RxFlag = 0;

//获取接收的状态
uint8_t SerialPort_GetRxFlag(void){
    if(SerialPort_RxFlag==1){
        SerialPort_RxFlag = 0;
        return 1;
    }else{
        return 0;
    }
}

//获取接收的数据
uint8_t SerialPort_GetRxData(void){
    return SerialPort_RxData;
}

//USART1_RXNE中断函数
void USART1_IRQHandler(void){
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE)==SET){
        SerialPort_RxFlag = 1;
        SerialPort_RxData = USART_ReceiveData(USART1);
        //读操作可以自动清零标志位，但加上也没事
        USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);
    }
}
//不要忘了将前两个函数在头文件中声明

9.4 USART串口数据包

数据包的作用是将一个个单独的数据打包，方便进行多字节的数据通信。因为实际应用中，经常需要进行数据打包。比如陀螺仪传感器需要将数据发送到stm32，其中包括X轴、Y轴、Z轴三个字节，循环不断的发送；若采用一个一个进行发送的方式，接收方就有可能分不清对应的顺序，进而出现数据错位现象。此时，若能将同一批数据进行分割和打包，就可以方便接收方识别。

1. 数据包格式的定义：

图9-17 HEX数据包示意图

若载荷数据与包头、包尾一样怎么办呢？有三种解决思路：

1. 限制载荷数据的范围。使其不会与包头、包尾重复。
2. 尽量使用固定长度的数据包。只要数据长度固定，那么就可以通过包头、包尾定位数据。
3. 增加包头包尾的数量，使其尽量呈现出载荷数据不会出现的状态。

注：包尾可以去除。但是这样会使得载荷数据和包头重复的问题更加严重。

若想发送16位整型数据、32位整型数据、float、double、结构体等，只需使用 uint8_t型指针 指向这些数据，就可以进行发送(将各种数据转换成字节流)。

图9-18 文本数据包示意图

文本数据包中，每个数据都经过了一层编码和译码。
由于包头包尾非常容易唯一确定，文本数据包基本不用担心载荷数据和包头包尾重复的问题。

优缺点比较：

• HEX数据包：

• 优点：传输最直接，解析数据非常简单，比较适合一些模块发送最原始的数据。如使用串口通信的陀螺仪、温湿度传感器。
• 缺点：灵活性不足，载荷容易和包头包尾重复。

• 文本数据包：

• 优点：数据直观易理解，非常灵活，比较适合一些输入指令进行人机交互的场合。如蓝牙模块常用的AT指令、CNC和3D打印机常用的G代码，都是文本数据包的格式。
• 缺点：解析效率低。

2. 数据包格式的收发流程：
数据包发送是非常简单的，直接发就完事儿了。但是接收数据包的过程比较复杂，这是就要考虑使用状态机。

图9-19 接收HEX数据包-状态机

图9-20 接收文本数据包-状态机

9.5 USART数据包相关实验

9.5.1 实验1：串口收发HEX数据包

需求：自定义数据包格式，使用串口完成指定格式的数据包收发，并将收发结果显示在OLED上。另外按键的功能是将发送的当前存储的发送数据全部加1再发送出去。

• 数据包头：0xFF。
• 载荷数据：固定数据段长度为4个字节。
• 数据包尾：0xFE。

图9-21 串口收发HEX数据包-接线图

图9-22 串口收发HEX数据包-代码调用（非库函数）

下面是代码展示：其中将串口的模块的数据接收部分全部删除，重写。
- main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "OLED.h"
#include "SerialPort.h"
#include "Key.h"

int main(void){
    //存储串口接收的HEX数据包
    uint8_t *Rx_Packet = SerialPort_GetRxPacket();
    //存储串口发送的HEX数据包
    uint8_t Tx_Packet[4] = {0x01,0x02,0x03,0x04};
    
    //设置中断分组
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    
    //OLED初始化
    OLED_Init();
    OLED_ShowString(1,1,"Rx_Packet:");
    OLED_ShowString(3,1,"Tx_Packet:");
    //串口初始化
    SerialPort_Init();
    //按键初始化
    Key_Init();
        
    while(1){
        //显示接收到的数据
        if(SerialPort_GetRxFlag()==1){
            OLED_ShowHexNum(2,1,*Rx_Packet,2);
            OLED_ShowHexNum(2,4,*(Rx_Packet+1),2);
            OLED_ShowHexNum(2,7,*(Rx_Packet+2),2);
            OLED_ShowHexNum(2,10,*(Rx_Packet+3),2);
        }
        
        //检测按键，发送数据包到电脑
        if(Key_GetNum()==1){
            Tx_Packet[0]++;
            Tx_Packet[1]++;
            Tx_Packet[2]++;
            Tx_Packet[3]++;
            SerialPort_SendPacket(Tx_Packet);
            OLED_ShowHexNum(4,1,Tx_Packet[0],2);
            OLED_ShowHexNum(4,4,Tx_Packet[1],2);
            OLED_ShowHexNum(4,7,Tx_Packet[2],2);
            OLED_ShowHexNum(4,10,Tx_Packet[3],2);
        }
    };
}

- SerialPort.c新增函数

uint8_t SerialPort_RxPacket[4];
uint8_t SerialPort_RxPacketFlag = 0;

//获取接收的状态
uint8_t SerialPort_GetRxFlag(void){
    if(SerialPort_RxPacketFlag==1){
        SerialPort_RxPacketFlag = 0;
        return 1;
    }else{
        return 0;
    }
}

//获取接收的HEX数据包
uint8_t* SerialPort_GetRxPacket(void){
    return SerialPort_RxPacket;
}

//发送HEX数据包
void SerialPort_SendPacket(uint8_t *send_array){
    SerialPort_SendByte(0xFF);
    SerialPort_SendArray(send_array, 4);
    SerialPort_SendByte(0xFE);
}

//USART1_RXNE中断函数
void USART1_IRQHandler(void){
    uint8_t rec_byte;
    static uint8_t rx_state;
    static uint8_t rx_index;
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE)==SET){
        rec_byte = USART_ReceiveData(USART1);
        
        //利用状态机，接收HEX数据包
        if(rx_state==0){
            if(rec_byte==0xFF){
                rx_index = 0;
                rx_state = 1;
            }
        }else if(rx_state==1){
            SerialPort_RxPacket[rx_index] = rec_byte;
            rx_index++;
            if(rx_index>=4){
                rx_state = 2;
            }
        }else if(rx_state==2){
            if(rec_byte==0xFE){
                SerialPort_RxPacketFlag = 1;
                rx_state = 0;
            }
        }
        
        //读操作可以自动清零标志位，但加上也没事
        USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);
    }
}
//除了中断函数，其余函数还要在头文件SerialPort.h中声明

编程感想：

1. 数据混叠。若电脑端连续发送数据包，而stm32处理不及时，会导致数据错位。但是一般像传感器模块等的数据都具有连续性，所以就算数据错位也没关系。
2. 发送数据不匹配。注意发送字节数据一定要写成0x11的形式，而不是直接写一个11进行发送。
3. 收发数据没反应。注意一定要在最开始声明的地方赋初值，否则有可能读不出数据。当然，还有一种可能是串口连接不稳定，可以重新拔插一下串口。

9.5.2 实验2：串口收发文本数据包

需求：使用电脑端发送指定格式的文本数据包，来控制单片机点亮或熄灭LED灯，单片机完成指令后再将接收的状态回传到电脑。

• 数据包头：@。
• 数据包：有效指令为"@LED_ON\r\n"、“@LED_OFF\r\n”。（不定字长）
• 数据包尾：\r\n。

图9-23 串口收发文本数据包-接线图

图9-24 串口收发文本数据包-代码调用（非库函数）

下面是代码展示：
- main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "OLED.h"
#include "SerialPort.h"
#include "LED.h"
#include 

int main(void){
    //存储串口接收的HEX数据包
    char *Rx_Packet = SerialPort_GetRxPacket();
    
    //设置中断分组
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    
    //OLED初始化
    OLED_Init();
    OLED_ShowString(1,1,"Rx_Packet:");
    OLED_ShowString(3,1,"Tx_Packet:");
    //串口初始化
    SerialPort_Init();
    //LED初始化
    LED_Init();
        
    while(1){
        //对接收到的文本进行判断
        if(SerialPort_GetRxFlag()==1){
            //OLED显示接收到的文本
            OLED_ShowString(2,1,"                ");
            OLED_ShowString(2,1,Rx_Packet);
            //根据接收的内容执行相应的动作
            if(strcmp(Rx_Packet, "LED_ON")==0){
                LED1_ON();
                OLED_ShowString(4,1,"                ");
                OLED_ShowString(4,1,"LED_ON_OK");
                SerialPort_SendString("LED_ON_OK\r\n");
            }else if(strcmp(Rx_Packet, "LED_OFF")==0){
                LED1_OFF();
                OLED_ShowString(4,1,"                ");
                OLED_ShowString(4,1,"LED_OFF_OK");
                SerialPort_SendString("LED_OFF_OK\r\n");
            }else{
                OLED_ShowString(4,1,"                ");
                OLED_ShowString(4,1,"ERROR_COMMAND");
                SerialPort_SendString("ERROR_COMMAND\r\n");
            }
        }
    };
}

- SerialPort.c新增函数（将上一节HEX数据包部分全部删除）

char SerialPort_RxPacket[100];
uint8_t SerialPort_RxPacketFlag = 0;

//获取接收的状态
uint8_t SerialPort_GetRxFlag(void){
    if(SerialPort_RxPacketFlag==1){
        SerialPort_RxPacketFlag = 0;
        return 1;
    }else{
        return 0;
    }
}

//获取接收的HEX数据包
char* SerialPort_GetRxPacket(void){
    return SerialPort_RxPacket;
}

//USART1_RXNE中断函数
void USART1_IRQHandler(void){
    uint8_t rec_byte;
    static uint8_t rx_state;
    static uint8_t rx_index;
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE)==SET){
        rec_byte = USART_ReceiveData(USART1);
        
        //利用状态机，接收HEX数据包
        if(rx_state==0){
            if(rec_byte== '@'){
                rx_index = 0;
                rx_state = 1;
            }
        }else if(rx_state==1){
            if(rec_byte != '\r'){
                SerialPort_RxPacket[rx_index] = rec_byte;
                rx_index++;
            }else{
                rx_state = 2;
            }
        }else if(rx_state==2){
            if(rec_byte == '\n'){
                SerialPort_RxPacket[rx_index] = '\0';//字符串结束标志符
                SerialPort_RxPacketFlag = 1;
                rx_state = 0;
            }
        }
        
        //读操作可以自动清零标志位，但加上也没事
        USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);
    }
}
//除了中断函数，其他函数还要在头文件SerialPort.h中声明

- LED.c新增函数

/**
  * @brief  LED1亮
  */
void LED1_ON(void){
    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
}

/**
  * @brief  LED1灭
  */
void LED1_OFF(void){
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
}
//注意还要在头文件LED.h中声明

编程感想：

1. 数据混叠。同样的问题，如果电脑端发送指令太快，就有可能导致stm32来不及处理，导致错误。一个解决方法是指令发慢一点；当然另一种方法是增加标志位，当LED的状态没有改变之前，不理会接收数据，这样会破坏当前程序的独立性，并且原理不复杂，我就先不写了。

9.6 软件使用：FlyMcu串口下载 & STLINK Utility

• FlyMcu可以通过串口给stm32下载程序。绿色软件，无需安装。
• STLINK Utility通过STLINK给stm32下载程序。需要安装。

以上两款软件类似于51单片机的程序烧录软件——STC-ISP，可以通过串口给51单片机下载程序。
硬件方面，接线图本章的第一个实验“串口发送”相同，这是因为该芯片的串口下载只适配了USART1，所以引脚都要连接在USART1引脚上。

图9-25 串口下载程序-硬件接线示意图

下面依次介绍FlyMcu、STLINK Utility：

图9-26 FlyMcu界面功能介绍

FlyMcu只能下载HEX文件，Keil生成HEX文件 的方法：

• 点击“魔术棒”–>Output选项卡–>勾选“Create HEX File”。编译过后，就可以在工程目录的“Object文件夹”下找到该工程的HEX文件——“工程名.hex”。

使用FlyMcu下载程序：

1. 配置下载串口：点击菜单栏“搜索串口”，稍等一会，点击紧随其后的“Port:xx”选项，选择对应的串口。接着点击紧随其后的“bps:xx”选择下载的波特率。
2. 选择程序文件。菜单栏下一行，点击“…”按钮，选择HEX文件。
3. 其他功能保持默认。
4. 调整启动位置为BootLoader程序。由于串口下载需要使得stm32的启动位置为BootLoader启动程序，而BootLoader启动程序固定放在“系统存储器”，所以BOOT引脚应调整为 [BOOT1,BOOT0]=[0,1]。注意调整BOOT后，一定要按一下最小系统板上的复位键，调整才会生效。
   
5. 点击FlyMcu的“开始编程”。此时程序就会被下载到主闪存中了，但由于BOOT引脚没有变动，所以程序下载完复位后，还是会停留在BootLoader程序中。
6. 调整启动位置为主闪存。BOOT引脚应调整为 [BOOT1,BOOT0]=[0,0]，然后按下复位键，就可以看到程序正常运行了。

注：关于串口下载的原理，我觉得前面将“存储器映像”时已经说得很清楚了，就不记录了，UP讲解的地方在“P30 [9-6] FlyMcu串口下载&STLINK Utility 中的4:56~8:11”。

每次下载程序都要拔插两边跳线帽，太麻烦了，有什么更简单的方法吗？

1. 方法一：设计外围的STM32一键下载电路。利用“USB转串口模块”上CH340的 RTS#、DTR# 两个流控输出引脚分别控制stm32的BOOT0引脚、复位引脚（但是不使用流控功能，而仅仅只是当作一个普通的GPIO口），加上FlyMcu的选项，便可以利用电路自动切换BOOT引脚的高低电平。
2. 方法二：软件设置自动跳转（一次性功能）。勾选FlyMcu的“编程后执行”，去除勾选“编程到FLASH时写选项字节”。然后 [BOOT1,BOOT0]=[0,1]，并按下复位键。然后点击“开始编程”，就可以看到程序正常执行。

方法二评价：该方法原理是下载程序后，软件设置从主闪存（0x08000000）开始执行程序，但是按下复位键后，程序又会回到“系统存储器”执行BootLoader程序。所以可以不断的使用串口调试程序，最后调试成功后再将BOOT引脚切换回来即可。也就是，只需要最开始和最后切换跳线帽而已。

读FLASH： 读取主闪存中的程序数据，以BIN文件格式存储（BIN文件不包含地址信息，HEX文件包含地址信息）。后续可以使用STLINK Utility下载，实现盗取他人软件劳动成果。

清除芯片： 将主程序区域全部擦除（全部变成高电平）。

读器件信息： 读取芯片的信息。但是FLASH容量、SRAM容量等信息可能会出错。

设定选项字节等： 可以设置选项字节的各项参数。点击“STM32F1选项设置”，弹出以下界面：

1. 读保护字节：是否允许读出主闪存数据。注意如果“阻止读出”，那么就无法使用Keil下载程序了。另外，在清除读保护的同时，同时也会清空主闪存的数据。
2. 硬件选项字节：有需求可以使用。
3. 用户数据字节：有需求可以使用。那使用选项字节存储数据有什么好处呢？

1. 选项字节的数据相当于是“世外桃源”，无论如何下载程序，选项字节中的数据都可以不变，可以存储一些不随程序变化的参数；
2. 用上位机（如FlyMcu、STLINK Utility）可以很方便的修改。

4. 写保护字节：可以对Flash的某几页单独写保护。比如在主程序的最后几页写了一些自定的数据，不希望在下载时被擦除，就可以将最后几页设置写保护锁起来。注意，开启“写保护”后，若需要对保护区写入程序就会出错！并且该软件不支持单独写入选项字节，只能在Flash下载时顺便写入选项字节，那也就是说，如果将Flash前几页写保护了，就再也无法使用FlyMcu下载程序了！！（使用STLINK Utility可以补救回来）
   注意配置好选项字节数据后，点击“采用这个设置”，并在FlyMcu主界面勾选“编程到FLASH时写选项字节”。

图9-27 STLINK Utility界面功能介绍

STLINK Utility需要安装，安装完成后，在桌面上存在快捷方式。STLINK Utility可以下载多种文件，包括HEX文件、BIN文件等。下面演示 下载程序的流程：

1. 硬件接线。无需连接“USB转串口模块”，只需连接STLINK即可。BOOT引脚设置为 [BOOT1,BOOT0]=[0,0]，然后按下复位键。点击左起第三个按钮进行连接。
2. 左起第一个按钮：打开程序文件，支持HEX格式、BIN格式。（也可以直接跳到下一步）
3. 左起第六个按钮：下载程序。跳过上一步的，此时选择程序文件。然后点击“Start”下载程序。下载完成后可以发现程序正常运行。

选项字节的配置：菜单栏“Target”–>“Option Byte…”，下面依次介绍：

1. 读保护。
2. 硬件参数。灰色的选项就是本芯片不支持的选项。
3. 用户参数。
4. 写保护。

注：配置好之后点击“Apply”，就可以直接单独更改选项字节的参数。

左起第二个按钮：读芯片数据，格式可以选为HEX格式、BIN格式。
左起第四个按钮：断开连接。
左起第五个按钮：擦除芯片。
STLINK固件更新：菜单栏“ST-LINK”–>Firmware update–>重新拔插STLINK–>点击“Device Connect”–>“Yes>>>>”。