【嵌入式学习笔记】嵌入式入门3——串口

1.数据通信的基础概念

1.1.串行/并行通信

数据通信按数据通信方式分类：串行通信、并行通信

1.2.单工/半双工/全双工通信

数据通信按数据传输方向分类：单工通信、半双工通信、全双工通信

• 单工通信：数据只能沿一个方向传输
• 半双工通信：数据可以沿两个方向传输，但需要分时进行
• 全双工通信：数据可以同时进行双向传输
  

1.3.同步/异步通信

数据通信按数据同步方式分类：同步通信、异步通信

• 同步通信：共用同一时钟信号
• 异步通信：没有时钟信号，通过在数据信号中加入起始位和停止位等一些同步信号
  

1.4.比特率与波特率

• 比特率：每秒钟传送的比特数，单位bit/s
• 波特率：每秒钟传送的码元数，单位Baud
• 比特率 = 波特率 * log2 M ，M表示每个码元承载的信息量
• 二进制系统中，波特率数值上等于比特率

1.5.常见的串行通信接口

2.串口(RS-232)

2.1.什么是串口

串口：即串行通信接口，指按位发送和接收的接口，如：RS-232/422/485等。

RS-232接口(DB9)

2.2.RS-232电平与COMS/TTL电平对比

电平标准	逻辑1	逻辑0
RS-232电平	-15V ~ -3V	+3V ~ +15V
COMS电平	3.3V	0V
TTL电平	5V	0V

2.3.设备间的RS-232通信示意图

2.4.STM32串口与电脑USB口通信示意图

2.5.RS-232异步通信协议

• 启动位：必须占1个位长，保持逻辑0电平
• 有效数据位：可选5、6、7、8、9个位长，LSB在前，MSB在后
• 校验位：可选占1个位长，也可以没有该位
• 停止位：必须有，可选占0.5、1、1.5、2个位长，保持逻辑1电平

一般情况下，启动位为1，数据位为8，校验位为0，停止位为1。

3.STM32的USART

3.1.STM32的USART简介

• USART：通用同步异步收发器，Universal synchronous asynchronous receiver transmitter
• UART： 通用异步收发器，Universal asynchronous receiver transmitter，
• USART/UART都可以与外部设备进行全双工异步通信
• 对于USART，既可以作为USART使用，也可以作为UART使用，我们常用USAT的功能

3.2. STM32的USART主要特征

• 全双工异步通信
• 单线半双工通信
• 单独的发送器和接收器使能位
• 可配置使用DMA的多缓冲器通信
• 多个带标志的中断源

3.3. STM32的USART框图

• STM32的USRAT简化框图
  

着重关注：
①发送/接收数据的流程
②相关寄存器作用
③设置波特率

• F1/F4/F7框图
  
• H7框图
  

3.4.设置USART波特率（以F1为例）

把USARTDIV的值写入USART_BRR寄存器

uint16_t mantissa; 
uint16_t fraction; 
mantissa=39; 
fraction=0.0625*16+0.5=0x01;          /* USARTDIV = DIV_Mantissa + (DIV_Fraction/16) 四舍五入*/
USART1->BRR = (mantissa << 4) + fraction;

波特率设置通用公式推演（F1）

设置USART/UART波特率（F4）


设置USART/UART波特率（F7）


设置USART/UART波特率（H7）

3.5.USART寄存器介绍（F1）

• BRR寄存器在上一节已经讲过，不再赘述
• 控制寄存器1（CR1）
  该寄存器需要完成的配置：
  位13：使能USART
  位12：配置8个数据位
  位10：禁止检验控制
  位5：使能接收缓冲区非空中断
  位3：使能发送
  位2：使能接收
  
• 控制寄存器2（CR2）
  该寄存器需要完成的配置：配置1个停止位
  
• 控制寄存器3（CR3）
  该寄存器需要完成的配置：配置不选择半双工模式
  
• 数据寄存器（DR）
  设置好控制和波特率寄存器后，往该寄存器写入数据即可发送，接收数据则读该寄存器
  
• 状态寄存器（SR）
  根据TC位可以知道能否发数据，根据RXNE位知道是否收到数据
  

4.HAL库外设初始化MSP回调机制

• 当多个PPP外设同时使用MSP函数，则可以通过判断外设寄存器基地址区分是哪个外设，再配置PPP外设用到的硬件
• 当多个PPP外设共用该函数，文件不好管理，而且放到一起看着比较乱，这时候就不建议使用该函数
  
  

5.HAL库中断回调机制

• 当多个PPP外设同时使用中断回调函数，则可以通过判断外设寄存器基地址区分是哪个外设进入中断，并执行相应的处理
• 当多个PPP外设共用该函数文件不好管理，这时候就不建议使用该函数
  
  

6.USART/UART异步通信配置步骤

• HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart)关键结构体（F1）.

typedef struct 
{    uint32_t BaudRate; 		/* 波特率 */ 
     uint32_t WordLength; 		/* 字长 */
     uint32_t StopBits; 		/* 停止位 */ 
     uint32_t Parity; 			/* 奇偶校验位 */ 
     uint32_t Mode; 			/* UART 模式 */ 
     uint32_t HwFlowCtl; 		/* 硬件流设置 */ 
     uint32_t OverSampling; 	/* 过采样设置 */ 
}UART_InitTypeDef

• HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size).
  作用：以中断的方式接收指定字节的数据
  形参 1 是 UART_HandleTypeDef 结构体类型指针变量
  形参 2 是指向接收数据缓冲区
  形参 3 是要接收的数据大小，以字节为单位

• HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout).
  作用：以阻塞的方式发送指定字节的数据
  形参 1 ：UART_HandleTypeDef 结构体类型指针变量
  形参 2：指向要发送的数据地址
  形参 3：要发送的数据大小，以字节为单位
  形参 4：设置的超时时间，以ms单位

7.IO引脚复用功能

7.1.STM32F1的IO引脚复用

• 通用：IO端口的输入或输出是由GPIO外设控制，我们称之为通用
• 复用：IO端口的输入或输出是由其它非GPIO外设控制，我们称之为复用
• 各IO支持什么复用功能：可查数据手册引脚定义
• IO复用功能冲突问题：同一时间IO只能用作一种复用功能，否则会发生冲突
• 遇到IO复用功能冲突：可考虑重映射功能

AFIO寄存器的作用就是复用功能IO和调试配置的，STM32F103共有6个AFIO的寄存器：事件控制寄存器AFIO_EVCR、复用重映射和调试IO配置寄存器AFIO_MAPR、外部中断配置寄存器AFIO_EXTICR1-4。可以参考文章http://t.csdn.cn/hJJeL

7.3.STM32F4/F7/H7的IO引脚复用

为了解决F1系列存在的IO复用功能冲突问题，F4往后的系列都加入了复用器，有如下特点：

• 每个 IO 引脚都有一个复用器
• 复用器采用 16 路复用功能输入（AF0 到 AF15）
• 复用器一次仅允许一个外设的复用功能 (AF) 连接到 IO 引脚
• 通过GPIOx_AFRL和GPIOx_AFRH寄存器进行配置

复位完成后，所有 IO 都会连接到系统的复用功能 0 (AF0)。注意，中断的复用使用的是SYSCFG_EXTICR寄存器

8.编程实战：通过串口接收或者发送一个字符

源码暂不贴出

9.解读例程源码：串口实验（接收不定长字符，并发送出去）

【注意】printf也可以实现串口发送，速度其实并不快（115200波特率下1ms大约11字节），调试时可以用，做开发尽量不用