STM-32：USART串口协议、串口外设—数据发送/数据发送+接收

一、串口通信

1.1通信接口

通信的目的：将一个设备的数据传送到另一个设备，扩展硬件系统。比如STM32芯片里面集成了很多功能模块，如定时器计数、PWM输出、AD采集等等，这些都是芯片内部的电路，它们的配置寄存器、数据寄存器都在芯片里面，操作简单，直接读写就行。但是有些功能STM32内部没有，如想要蓝牙无线遥控的功能、想要陀螺仪加速度计测量姿态的功能，只能外挂芯片完成，数据都在STM32外面，这就需要通信线路发送或者接收数据完成数据交换。

通信协议：制定通信的规则，通信双方按照协议规则进行数据收发。STM32里的通信协议有如下表：（引脚列出的只是最简单最常用的值得注意的）

全双工为输入输出可同时进行，半双工为既可以输入也可以输出但不能同时进行，单工指只能输出或输入。

I2C和SPI有时钟线SCL为同步通信，没时钟线的为异步通信，需要双方约定一个采样频率，且需要加一些帧头帧尾等进行采样位置的对齐。

电平特性，单端就是它们引脚的高低电平都是对GND的电压差，所以单端信号通信的双方必须要共地，就是把GND接在一起。CAN和USB为差分数据通信，靠两个差分引脚的电压差来传输信号的，在通信时可以不用GND，不过USB协议里有些地方要单端信号，它还是需要共地的。差分信号有好的抗干扰特性，所以一般它的传输速度和距离都会比较高性能也不错。

USART和USB属于点对点通信，中间三个可挂载多个设备，需要一个寻址过程（设备编号）。

1.2串口通信

1.2.1简介

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。主要特点就是用在单片机和电脑之间，其他如I2C、SPI等较复杂的通信协议多用在芯片与芯片之间，陀螺仪加速度计测量姿态芯片与STM32、MPU6050与STM32。

1.2.2硬件电路

简单双向串口通信有两根通信线（发送端TX和接收端RX）
TX与RX要交叉连接
当只需单向的数据传输时，可以只接一根通信线。

当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片。串口有很多电平标准，像我们这种直接从控制器里面出来的信号一般都是TTL电平，相同的电平才能互相通信，几种点评标准如下介绍。

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：+3.3V或+5V表示1，0V表示0。低压小型设备，如单片机。
（2）RS232电平：-3到-15V表示1，+3到+15V表示0。一般在大型机器使用，由于环境比较恶劣静电干扰比较大，所以电压较大且允许波动的范围较广。
（3）RS485电平：两线压差+2到+6V表示1，-2到-6V表示0（差分信号）。通信距离可达上千米，上面两种最远几十米。

1.2.3串口参数及时序

串口中，每个字节都装载在一个数据帧（10或11位）里，每个数据帧都由起始位、数据位和停止位加粗样式组成，数据位有8个代表一个字节的8位。右图数据位9位多了一个奇偶校验位，跟在有效载荷（字节）后面。参数如下：

①波特率：串口通信的速率。波特率本来的意思是每秒传输码元的个数，单位是码元/s，或者直接叫波特（Baud），还有个速率叫比特率，每秒传输的比特数，单位是bit/s，或者是bps。在二进制调制下，一个码元就是一个bit，此时波特率等于比特率，单片机的串口通信基本都是二进制调制（高电平表示1，低电平表示0，一位就是1bit），所以串口的波特率经常会和比特率混用。

②起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平。空闲状态为高电平，起始位产生下降沿，来告诉设备要开始发送数据了

③数据位：数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平，低位先行。

④校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来。这里串口用的是奇偶校验的数据验证方法，可以判断数据传输是否出错，如果出错可选择丢弃或者重传。
可选择三种方式，无校验、奇校验、偶校验。
奇校验，包括校验位在内的9个数据位会出现奇数个1，根据8位数据情况奇校验位补0或1，保证1的个数位奇数，接收方接收数据时，会验证数据位和校验位，检出率不高比如有两位同时出错，只校验奇偶特性是检验不出的。
偶校验同理，只能保证一定检出率。如果要更高检出率可以使用CRC校验。

⑤停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平。也是为下一个起始位做准备（切换到高电平空闲状态）

二、STM32的USART外设

2.1USART简介

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）通用同步/异步收发器。同步模式只是多了个时钟输出，只支持时钟输出不支持时钟输入，一般很少用，所以USART和UART基本相同。同步模式更多的是为了兼容别的协议或者特殊用途而设计的。

USART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。
自带波特率发生器，最高达4.5Mbits/s。
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/奇校验/偶校验）。
支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN。

STM32F103C8T6 USART资源： USART1、 USART2、 USART3。

2.2USART框图

左上角TX、RX为发送和接收引脚，SW_RX、IRDA_OUT/IN是智能卡和IrDA通信的引脚（暂时不用）。TX由发送移位寄存器发出，RX通向接收移位寄存器。
灰色部分，TDR和RDR就是串口的数据寄存器了，发送和接收的字节存在这里，两个寄存器占用同一个地址（与51单片机串口的SBUF寄存器一样），所以在程序上只表现为一个寄存器DR。发送数据寄存器只写，接收数据寄存器只读。
比如某时刻在TXD里写入0x55，二进制为01010101，此时硬件检测到写入数据了，就会检查当前发送移位寄存器是否有数据在移位，如果没有那么01010101就会全部移动到寄存器准备发送，这时会置一个标志位TXE（TX Empty）发送寄存器空，检查这个标志位如果置1了，就可在TDR写入下一个数据（注意TXE置1时数据其实还没发送出去），然后发送移位寄存器在下面发送器控制的驱动下开始向右移位，一位一位地把数据送到TX引脚（向右移位与串口规定的低位先行是一致的）。

图下半部分主要是控制部分和增强功能。硬件数据流控，也叫硬件流控制，简称流控，之前介绍过，引脚nRTS（request to send）是请求发送，为输出脚，接到外部设备的CTS用于告诉外部设备现在自己是否可以接收；引脚nCTS（clear to send）是清除发送，是输入脚，接到外部设备的RTS用于接收别人nRTS的信号，查看别人是否可以接收（也就是要求对方也要有流控引脚）。”n“的意思是低电平有效。（一般不用，了解一下）
SCLK控制和SCLK这部分用于产生同步的时钟信号，配合发送移位寄存器输出的，发送寄存器每移位一次，同步时钟电平就跳变一个周期，时钟告诉对方我移出一位数据了，只支持输出不支持输入，所以两个USART之间不能实现同步串口通信。它的第一个用途是，兼容别的协议，比如串口加上时钟后跟SPI协议很像，有了时钟输出的串口就可兼容SPI；这个时钟也可做自适应波特率，比如接收设备不确定发送设备给的什么波特率，就可测量下此时钟周期计算得到波特率（一般不用，了解一下）
唤醒单元，作用是实现串口挂载多设备。之前说过串口一般为点对点通信（只支持两个设备，直接发收数据就行），而多设备通信在一条总线可接多个从设备，每个设备分配一个地址，通信要先进行寻址确定通信对象，再进行数据收发。唤醒单元可使其获得这种功能，在USART地址处给串口分配一个地址，当发送指定地址时此设备唤醒开始工作，当发送别的设备地址时别的设备工作，没收到地址的设备不唤醒保持沉默。

中断（输出）控制，申请中断位就是状态寄存器SR的各种标志位，其中TXE发送寄存器空和RXNE接收寄存器非空比较重要，是必要的。中断控制就是配置中断是否可以通向NVIC。
最下面为波特率发生器部分，波特率发生器其实就是分频器，APB时钟进行分频，得到发送和接收移位的时钟。时钟输入是fPCLKx（x=1或2），USART1挂载在APB2上所以为PCLK2时钟，一般72MHz；其他的USART都挂载在APB1，为PCLK1的时钟，一般为36MHz。时钟除以一个USARTDIV分频系数进行分频，USARTDIV为虚线框内为一个数值，分为DIV_Mantissa整数部分和DIV_Fractior小数部分，分频更加精准。
分频完还要再除以16，得到发送器时钟和接收器时钟，通向发送器和接收器控制部分。如果TE（TX Enable）为1，即发送器使能，发送部分的波特率有效，如果RE（RX Enable）为1，就是接收器使能，接收部分的波特率有效。

三、数据传输

3.1数据帧

数据帧下的时钟波就是之前说过的同步时钟输出的功能，在每个数据位的中间都有一个时钟上升沿，时钟频率与数据速率一样，接收端可以在时钟上升沿处进行采样，这样可以精准定位每一位数据，时钟的最后一位（虚线）可通过LBCL位控制要不要输出，时钟的极性、相位等也可通过配置寄存器配置。

空闲帧从头到尾都是1，断开帧从头到尾都是0，它们用于局域网协议，串口用不到，可了解下。

8位字长也可以设置有无校验位，一般为了发送完整字节都选择无校验。9位字长常选择有校验。

以上为不同停止位的波形变化。STM32的串口可配置停止位长度为0.5，1，1.5，2四种，本质是时长不同。一般选择1位。

3.2输入数据策略

串口的输出TX比输入RX简单很多，输出就定时翻转TX引脚高低电平；但是输入要保证采样频率和波特率一致，还要保证每次输入采样的位置，要正好处于每一位正中间，这样读进来的电平最可靠，另外输入要对噪声有一定判断能力，如果是噪声最好能置个标志位提醒一下。

3.2.1起始位侦测

当输入电路侦测到一个数据帧的起始位后，就会以波特率的频率连续采样一帧数据，同时从起始位开始，采样位置就要对齐到位的正中间，只要第一位对齐后面就肯定对齐了。

首先输入电路对采样时钟进行了细分，会以波特率的16倍频率进行采样，即在1位的时间里进行16次采样。策略是最开始空闲状态高电平，那采样就一直是1，在某个位置突然采到0就说明在两次采样之间出现了下降沿，如果没有任何噪声那么之后应该就是起始位了，在起始位会进行连续16次采样，没有噪声的话16次都是0。
实际上会有噪声，所以即使出现下降沿后续也要再采样几次，以防万一，根据手册接收电路还会在下降沿出现之后的第3次、5次、7次进行一批采样，在第8次、9次、10次再进行一批采样，且这两批采样都要要求每三位里面至少有2个0（如图），才算检测到起始位。如果三位都是0那就无噪声，检测到起始位；如果有两个0，也算检测到起始位但会在状态寄存器里会置一个NE（Noise Error）噪声标志位，用于提醒数据是收到了但是有噪声，用的时候注意下；如果三位只有一个0，就不算检测到起始位，重新捕捉下降沿。
如果通过了起始位侦测，接收状态就由空闲变为接收起始位，同时第8、9、10次采样的位置正好是起始位的正中间，之后接收数据位时就都在第8、9、10次进行采样，保证再正中间。

3.2.2数据采样

从1到16是一个数据位的时间长度，即一个数据位有16个采样时钟，由于起始位侦测已经对齐了采样时钟，所以这里就直接在第8、9、10次采样数据位。为了保证数据可靠性连续采样3次（8、9、10），如果没有噪声时，3次都为1或0，那么就认为采样的为1或0；如果有噪声造成3次中既有0也有1，按照2：1规则来，按出现2次的，这种情况NE噪声标志位也会置1。

3.3波特率发生器

比如要配置USART为9600的波特率，那么BRR寄存器的配置为：代入公式9600=72M/（16xDIV），解得DIV=468.75，二进制数为111010100.11，所以写入DIV整数部分的是111010100（前面未满的位补零），DIV小数部分写入的是11（后面未满的位补零）。不过用库函数就很方便。

3.4数据模式

四、实际用例

4.1串口发送

4.1.1接线图

4.1.2程序代码

Serial.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
//1、开启时钟，打开USART和GPIO时钟都打开
//2、GPIO初始化，把TX配置成复用输出，RX配置为输入（本代码没用到接收功能）
//3、配置USART，使用一个结构体即可配置所有相关参数
//4、如果只需要发送功能，直接开启USART初始化就结束了
//（5、如果需要接收功能，可能需要配置中断，在开启USART之前加上ITConfig和NVIC的代码就行）
//初始化完成后，如果需要发送数据调用一个发送函数就行，接收数据同理，如果要获取发送和接收标志位也是调用一个函数
void Serial_Init(void){
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);//USART1为APB2总线上的外设
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP ;//复用推挽输出模式
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;//供串口外设TX脚使用
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	USART_InitStructure.USART_BaudRate= 9600;//Init函数内部会自动计算需要的分频系数写入BRR寄存器
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl= USART_HardwareFlowControl_None;//无流控
	USART_InitStructure.USART_Mode= USART_Mode_Tx;//输出发送
	USART_InitStructure.USART_Parity= USART_Parity_No;//Odd奇、Even偶、No无校验
	USART_InitStructure.USART_StopBits= USART_StopBits_1;//停止位长度
	USART_InitStructure.USART_WordLength= USART_WordLength_8b;//字长8位
	USART_Init(USART1,&USART_InitStructure);
	
	USART_Cmd(USART1,ENABLE);
}

void Serial_SendByte(uint8_t Byte){
	USART_SendData(USART1,Byte);
	while (USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE)==RESET);//等待置1
	//该标志位不需要手动清零，下一次SendData这个标志位会自动清零
}

void Serial_SendArray(uint8_t* Array,uint16_t Length){
	//第一个参数为uint8_t*类型指向数组首地址，传递数组需要用到指针
	//第二个参数由于数组无法判断是否结束，用Length
	uint16_t i;
	for(i=0;i<Length;i++){
		Serial_SendByte(Array[i]);
	}
}

void Serial_SendString(char* String){//uint8_t也可以，由于字符串自带结束标志位0，不用Length了
	uint8_t i;
    for(i=0;String[i] != '\0';i++){//可以把字符串当作一个数组
		Serial_SendByte(String[i]);
	}
	
}

uint32_t Serial_Pow(uint32_t X,uint32_t Y){//次方函数X**Y
	uint32_t Result = 1;
	while(Y--){
		Result *= X;
	}
	return Result;
}
void Serial_SendNumer(uint32_t Number,uint8_t Length){
	//首先要把需要发送的Number的个位、十位、百位、千位等每一位以十进制拆分开
	//然后转换为字符数字对应的数据，依次发送出去
	//以十进制拆分：比如一个数字为1234，取千位1：1234/10**3=1.234；1.234%10=1
	uint8_t i;
	for(i=0;i<Length;i++){
		Serial_SendByte(Number/Serial_Pow(10,Length-i-1)%10+0x30);
		//之所以是Length-i-1是因为从高位开始取的（如1234依次取千位、百位、十位、个位依次发送）
		//之所以+0x30是因为要用字符（文本）显示，ASCII码表里字符0对应0x30。其实也可写成+'0'
	}
	
}

main.c

#include "stm32f10x.h"   // Device header
#include "Delay.h"   
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"

int main(void){
	OLED_Init();
	Serial_Init();
	Serial_SendByte(0x22);
	//程序的逻辑是上电后，初始化串口，再利用STM32串口发送一个0x22。
	//调用Serial_SendByte(0x22)后TX引脚会产生一个0x22对应的波形，这个波形可以发送给其他支持串口的模块
	//这里使用USB转串口模块发送给电脑端，需要一个串口助手软件查看
	
	uint8_t MyArray[]={0x42,0x43,0x44,0x45};
	Serial_SendArray(MyArray,4);
	
	Serial_SendString("Hello world!\n");
	
	Serial_SendNumer(1234 , 4);
	
	while(1){
		
	}
}

串口助手软件里接收模式选择HEX模式，就是以原始数据的形式显示，如发送0x41，显示为41；如果想显示字符串可选择文本模式，以字符形式显示，如发送0x41显示为A。
HEX模式也叫做十六进制模式或二进制模式，以原始数据显示，只能显示一个个十六进制数；
文本模式也叫字符模式，通过原始数据查找字符集编码成一个字符，如ASCII码表是最简单的字符集，如果想显示和存储汉字的话需要汉字字符集，如GB2312、GBK、GB18030等。为了标准化不同国家的字符集，出现了Unicode字符集，Unicode最常用的传输形式是UTF8。
0x41到A叫做译码，A到0x41叫做编码。

4.2串口发送+接收

4.2.1接线图

4.2.2程序代码

Serial.c

#include "stm32f10x.h"   

uint8_t Serial_RxData;
uint8_t Serial_RxFlag;

void Serial_Init(void){
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	
	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);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU ;//上拉输入
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	USART_InitStructure.USART_BaudRate= 9600;
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl= USART_HardwareFlowControl_None;
	USART_InitStructure.USART_Mode= USART_Mode_Tx |USART_Mode_Rx;
	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);
	
	//对于串口接收可使用查询和中断两种方法，如果使用查询到此初始化就结束
	//查询流程：在主函数里不断判断RXNE标志位，置1说明收到数据了，
	          //再调用USART_ReceiveData读取DR（与上面的Serial_SendByte类似）
	//下面我们程序中实现下中断的方法：
	USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE);//开启RXNE标志位到NVIC的输出
	
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//NVIC分组
	
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel= USART1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd= ENABLE;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority= 1;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority= 1;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);//初始化NVIC的USART通道
	
	USART_Cmd(USART1,ENABLE);
}

void Serial_SendByte(uint8_t Byte){
	USART_SendData(USART1,Byte);
	while (USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE)==RESET);
	
}

void Serial_SendArray(uint8_t* Array,uint16_t Length){
	uint16_t i;
	for(i=0;i<Length;i++){
		Serial_SendByte(Array[i]);
	}
}

void Serial_SendString(char* String){
	uint8_t i;
    for(i=0;String[i] != '\0';i++){
		Serial_SendByte(String[i]);
	}
	
}

uint32_t Serial_Pow(uint32_t X,uint32_t Y){
	uint32_t Result = 1;
	while(Y--){
		Result *= X;
	}
	return Result;
}
void Serial_SendNumer(uint32_t Number,uint8_t Length){
	uint8_t i;
	for(i=0;i<Length;i++){
		Serial_SendByte(Number/Serial_Pow(10,Length-i-1)%10+0x30);
	}
	
}


//RXNE标志位一但置1，就会向NVIC申请中断，之后就会在中断函数里接收数据
//其实就是在中断里面对数据进行了一次转存，最终还要扫描查询RxFlag来接收数据
//放在这里转运一个字节意义看着不大，但是为下节多字节数据包接收作铺垫
void USART1_IRQHandler(void){//中断函数名是固定的
	if (USART_GetFlagStatus(USART1,USART_IT_RXNE)==SET){
		Serial_RxData= USART_ReceiveData(USART1);
		Serial_RxFlag= 1;
		USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE);
		//标志位，如果读取了DR就会自动清零，如果没读取DR，就需要手动清零。这里清零下也不影响
	}
}

uint8_t Serial_GetRxFlag(void){//实现读后自动清除功能
	if(Serial_RxFlag == 1){
		Serial_RxFlag=0;
		return 1;
	}
	return 0;
}
uint8_t Serial_GetRxData(void){//封装接收数据函数
	return Serial_RxData;
}

main.c

//main.c
#include "stm32f10x.h"   
#include "Delay.h"   
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"

uint8_t RxData;

int main(void){
	OLED_Init();
	OLED_ShowString(1,1,"RxData:");
	
	Serial_Init();
	
	while(1){
		if (Serial_GetRxFlag()==1){
			RxData =Serial_GetRxData();//接收数据
			Serial_SendByte(RxData);//把接受到的这一数据回传到电脑
			OLED_ShowHexNum(1,8,RxData,2);
		}
		
	}
}