STM32学习笔记（十三）丨USART通用同步/异步收发器（串口外设的基本使用丨串口发送数据、串口发送+接收数据）
本篇文章包含的内容
- 一、STM32的USART外设
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- 1.1 STM32的USAER外设简介
- 1.2 USART外设的结构和工作原理
- 1.3 串口通信数据帧
- 1.4 起始位侦测和USART的噪声判断机制
- 1.5 波特率发生器
- 二、串口发送和接收数据包
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- 2.1 HEX数据包
- 2.2 文本数据包
- 2.3 固定包长HEX数据包接收
- 2.4 可变包长文本数据包接收
- 三、代码实现
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- 3.1 常用库函数
- 3.2 使用串口发送数据
- 3.3 使用串口接收数据
- 3.4 串口收发HEX数据包
- 3.5 串口发送文本数据包实现简单的人机交互
本次课程采用单片机型号为STM32F103C8T6。
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往期笔记链接：
STM32学习笔记（一）丨建立工程丨GPIO 通用输入输出
STM32学习笔记（二）丨STM32程序调试丨OLED的使用
STM32学习笔记（三）丨中断系统丨EXTI外部中断
STM32学习笔记（四）丨TIM定时器及其应用（定时中断、内外时钟源选择）
STM32学习笔记（五）丨TIM定时器及其应用（输出比较丨PWM驱动呼吸灯、舵机、直流电机）
STM32学习笔记（六）丨TIM定时器及其应用（输入捕获丨测量PWM波形的频率和占空比）
STM32学习笔记（七）丨TIM定时器及其应用（编码器接口丨用定时器实现编码器测速）
STM32学习笔记（八）丨ADC模数转换器（ADC单、双通道转换）
STM32学习笔记（九）丨DMA直接存储器存取（DMA数据转运、DMA+AD多通道转换）
STM32学习笔记（十）丨I2C通信（使用I2C实现MPU6050和STM32之间通信）
STM32学习笔记（十一）丨SPI通信（W25Q64芯片简介，使用SPI读写W25Q64存储器芯片）
STM32学习笔记（十二）丨RTC实时时钟
一、STM32的USART外设
1.1 STM32的USAER外设简介
USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）通用同步/异步收发器。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。
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自带波特率发生器，最高达4.5Mbits/s
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可配置数据位长度（8/9）（包含校验位的长度）、停止位长度（0.5/1/1.5/2）
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可选校验位（无校验/奇校验/偶校验）
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支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN
- 同步模式：STM32的同步模式只有时钟输出，没有时钟输入，所以并不是完全的同步通信模式。
- 硬件流控制：由一根专用的状态线来接收数据流控制信号，接收的一方会将准备好信号通过状态线反馈给发送方，发送方只在接收方准备好后才开始发送数据，可以解决由于接收方处理速度慢而导致的数据丢失的问题。
- DMA：串口支持DMA转运数据。
- 智能卡、IrDA、LIN：这些通信协议和串口非常相似，在串口的基础上稍作配置即可实现这些协议的通信。
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STM32F103C8T6 USART资源： USART1（APB2）、 USART2、 USART3（APB1）
1.2 USART外设的结构和工作原理
在USART外设中，发送数据寄存器（TDR，只写）和接收数据寄存器（RDR，只读）公用同一个地址。发送数据寄存器（TDR）将数据转运到发送移位寄存器后，会置TxE标志位为1，我们检测这个标志位就可以写入下一个数据了，这样可以保证数据的连续不间断的传输，提高了串口传输数据的工作效率；同理，当接收移位寄存器接收到一个完整的数据后，就会把一个字节的数据整体转移到接收数据寄存器（RDR）中，同时置RxNE标志位为1，读取并判断这个标志位就可以及时读走数据。
关于硬件流控制，nRTS（Request To Send）是请求发送引脚，它是一个输出引脚，用于告诉对方当前我是否能够接收；nCTS（Clear To Send）是清除发送引脚（清除发送数据寄存器，意思即将数据发送出来），是一个输入硬件，用来接收对方的nRTS信号。
STM32的时钟输出功能主要有以下用途：可以用来兼容别的协议（例如SPI），还可以实现自适应波特率的传输，如果接收方无法确定发送过来的数据是什么波特率，就可以计算这个时钟的周期，来确定波特率，不过这就需要额外的代码来完成功能。
图中的唤醒单元可以实现串口多设备。在开始通信前，主机给每个从机设定一个地址，当通信地址和从机地址相同时，唤醒单元开始工作，没有收到地址时就保持沉默，这样就可以实现一条总线上挂载多设备的通信。
1.3 串口通信数据帧
上图展示了9位和8位发送/接收一个字节的时序。对于9位数据帧模式，可以配置为8位有效载荷+1位校验位，也可以配置为9位有效载荷，前者更加常用；对于8位的数据帧可以配置为7位有效载荷+1位校验位，也可以配置为8位有效载荷，后者更常用。可以通过配置选择最后一个数据位是否输出时钟。空闲帧和断开帧是和局域网协议相关的函数，这里仅作了解即可。
上图展示了不同停止位的时序波形，
1.4 起始位侦测和USART的噪声判断机制
STM32会以波特率的16倍频对输入信号进行采样。它会在第一次侦测到0后，开启起始位侦测，如果在第3、5、7次采样中至少有2个0，就认为收到了起始位，否则认为收到的是噪声。如果检测到了两个0和一个1，认为收到了起始位，但是会置NE（Noise Error）标志位为1来提醒用户可能存在噪声。如果通过了起始位侦测，外设会开始采样起始位，在第8、9、10次采样，并且要求3位中至少有两个0，之后的位也都在第8、9、10次进行采样，保证采样尽量在一位数据的正中间。如果三次检测不是全部相同，则NE会置1来提醒用户可能存在噪声。
1.5 波特率发生器
- 发送器和接收器的波特率由波特率寄存器BRR里的DIV确定
- 计算公式：波特率 = f_PCLK2/1 / (16 * DIV)，可以通过这个公式计算对应波特率的DIV。用库函数配置可以省去这个过程。
二、串口发送和接收数据包
在实际应用中，我们常常需要连续发送或接收数据，有时需要对连续的数据进行分割和打包，我们才可以正确处理数据；使用数据包发送和接收数据还可以实现简单的人机交互设计。
打包和分割数据的方法可以自行设计，串口的数据包采用添加包头和包尾的方式实现。
2.1 HEX数据包
HEX数据包适合发送最原始的数据，例如一些使用串口通信的陀螺仪、温湿度传感器等。
如果载荷数据可能存在与包头包尾重复的情况，可以采用以下的方法解决：
- 规定有效载荷数据的范围
- 增加包头包尾的数量，尽量使其产生载荷数据中不会出现的格式
- 尽量采用固定包长发送数据包，在接收数据时，我们不关心有效数据是否和包头包尾重复，我们只关心应该是包头包尾的位置是否是包头包尾。
在实际使用时，如果载荷数据不会和包头包尾重复，可以二者留其一，例如只添加包头或者只添加包尾。
2.2 文本数据包
在字符模式下，由于有大量的字符可以使用，就可以很好地避免数据和包头包尾重复的问题。使用文本数据包直观易理解，非常灵活，可以很方便的实现一些人机交互的需求，例如蓝牙模块常用的AT指令，CNC和3D打印机常用的G代码等；但是解析效率低。所以需要根据实际场景来选择数据包格式。
2.3 固定包长HEX数据包接收
如果采用一个一个字节的接收方法，每接收一个数据需要进入中断，接收结束之后需要退出中断， 但是对于数据包来说，很显然包头包尾和有效载荷数据之间存在前后的关联性。对于包头、数据和包尾这三种状态，我们需要有不同的处理逻辑，在程序中就需要设计一个能记住不同状态的机制，在不同状态执行不同的操作，同时还要进行数据的合理转移。这种程序设计思维，就称为“状态机”。
2.4 可变包长文本数据包接收
由于文本传输有两个包尾，所以在S1状态下，接收数据和等待包尾需要同时进行，在S2状态需要等待第二个包尾。
三、代码实现
3.1 常用库函数
// 缺省结构体配置
void USART_DeInit(USART_TypeDef* USARTx);
// 初始化函数
void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);
// 结构体初始化
void USART_StructInit(USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);
// 同步时钟输出配置
void USART_ClockInit(USART_TypeDef* USARTx, USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct);
void USART_ClockStructInit(USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct);
// 开启USART
void USART_Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);
// 中断配置，接收时使用
void USART_ITConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT, FunctionalState NewState);
// DMA通道配置
void USART_DMACmd(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_DMAReq, FunctionalState NewState);
// 发送数据
void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);
// 接收数据
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);
// 中断标志位相关
FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
void USART_ClearFlag(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);
void USART_ClearITPendingBit(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);
3.2 使用串口发送数据
Setial.h
#ifndef __Serial_H_
#define __Serial_H_
#include Serial.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include main.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"
int main()
{
OLED_Init();
Serial_Init();
Serial_SendByte('A');
uint8_t MyArray[] = {0x42, 0x43, 0x44, 0x45};
Serial_SendArray(MyArray, 4);
Serial_SendString("\r\nHello world!\r\n");
Serial_SendNumber(12345, 5);
printf("\r\nNUM = %d\r\n", 666);
char String[100];
// sprintf()函数可以把格式化字符之后的内容转移到对应的字符串中，解决了多个串口无法都重定向printf的问题
sprintf(String, "Num = %d\r\n", 333);
Serial_SendString(String);
Serial_Printf("\r\n你好，世界"); // UTF-8，需要在编译器中添加--no-multibyte-chars指令
while(1)
{
}
}
3.3 使用串口接收数据
当接受的数据比较简单时，在主循环中可以采用这样的方法来查询标志位以接收数据：
while(1)
{
if (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == SET)
{
RxData = USART_ReceiveData(USART1);
OLED_ShowHexNum(1, 1, RxData, 2);
}
}
下面展示利用中断接收数据的方法：
Serial.h
#ifndef __Serial_H_
#define __Serial_H_
#include Serial.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include main.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"
uint8_t RxData;
int main()
{
OLED_Init();
OLED_ShowString(1, 1, "RxData:");
Serial_Init();
while(1)
{
if (Serial_GetRxFlag() == 1)
{
RxData = Setial_GetRxData();
Serial_SendByte(RxData);
OLED_ShowHexNum(1, 8, RxData, 2);
}
}
}
3.4 串口收发HEX数据包
Serial.h
#ifndef __Serial_H_
#define __Serial_H_
#include Serial.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include main.c（Key.c/.h文件略）
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"
#include "Key.h"
uint8_t RxData, KeyNum;
int main()
{
OLED_Init();
Key_Init();
Serial_Init();
OLED_ShowString(1, 1, "TxData:");
OLED_ShowString(3, 1, "RxData:");
Serial_TxPacket[0] = 0x01;
Serial_TxPacket[1] = 0x02;
Serial_TxPacket[2] = 0x03;
Serial_TxPacket[3] = 0x04;
Serial_SendPacket();
while(1)
{
KeyNum = Key_GetNum();
if (KeyNum == 1)
{
Serial_TxPacket[0] ++;
Serial_TxPacket[1] ++;
Serial_TxPacket[2] ++;
Serial_TxPacket[3] ++;
Serial_SendPacket();
}
OLED_ShowHexNum(2, 1, Serial_TxPacket[0], 2);
OLED_ShowHexNum(2, 4, Serial_TxPacket[1], 2);
OLED_ShowHexNum(2, 7, Serial_TxPacket[2], 2);
OLED_ShowHexNum(2, 10, Serial_TxPacket[3], 2);
if (Serial_GetRxFlag() == 1)
{
OLED_ShowHexNum(4, 1, Serial_RxPacket[0], 2);
OLED_ShowHexNum(4, 4, Serial_RxPacket[1], 2);
OLED_ShowHexNum(4, 7, Serial_RxPacket[2], 2);
OLED_ShowHexNum(4, 10, Serial_RxPacket[3], 2);
}
}
}
3.5 串口发送文本数据包实现简单的人机交互
Serial.h
#ifndef __Serial_H_
#define __Serial_H_
#include Serial.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include main.c（LED.c/.h略，执行电灯操作即可）
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"
#include "LED.h"
#include 课程链接：江协科技 STM32入门教程，欢迎大家一起交流学习。
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