基于STM32标准库的USART串口通信

一、USART串口通信简介

• 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

• USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）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具有以下的参数：

  1. 自带波特率发生器，最高达4.5Mbits/s

  2. 可配置数据位长度（8/9）、停止位长度（0.5/1/1.5/2）

  3. 可选校验位（无校验/奇校验/偶校验）

  4. 支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN

  以下是USART串口通信在单片机内部的流程图

  
  USART主要通过GPIO的TX和RX引脚收发数据。当单片机作为发送端时，系统通过波特率发生器规定发送速度，发送控制器根据波特率将要发送的数据放入发送数据寄存器TDR，TDR再将数据压入发送移位寄存器中，通过TX引脚从低位到高位逐一发送。每次移位发送的数据流有以下特征：

  

  空闲位一直置1，当有数据进入后，起始位置0，随后开始读取数据，数据位共8位或9位，含奇偶校验位或不校验，最后停止位置1，结束该数据流，等待下一个数据流

当单片机作为接收端时也是具有相似的原理，系统将收到的数据先放在接收移位寄存器，再逐一放入接收数据寄存器RDR，接收的速率也是由接受控制器进行配置的，所以串口通信双方必须要保持严格的同步性，才能保证数据无误。

二、标准库封装配置USART1相关函数

我们首先进行标准库中USART1的函数配置

在以前的博客中，我曾详细介绍了新建模板工程的步骤，请不会的友友们去看这篇博客，这次我就不再做过多介绍了，直接开始使用工程开始配置。

链接：利用STM32实现流水灯程序_stm32流水灯程序代码_Constellation_zZ的博客-CSDN博客

我们打开工程模板，在Hardware组里新建“Serial.c"和”Serial.h"两个文件

注意，新建时请在路径后加上“\Hardware"，方便封装与调用

随后我们按照之前的方式一样，在头文件上给出以下格式

#ifndef __SERIAL_H
#define __SERIAL_H
#include "stm32f10x.h"                 // Device header



#endif

在”Serial.c"函数中写入以下

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "Stdio.h"

写入一个“Serial_Init”函数，用于配置基本的USART和GPIO

首先是打开APB使能时钟，

//打开USART1时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
	//打开GPIOA时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

接下来配置GPIO口，打开GPIOA的PA9引脚，作为数据发送。模式设置为复用推挽输出模式

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;//复用推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 ;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

接下来是配置USART串口通信，我们选择USART1作为串口，同样建立结构体，设置波特率为9600，模式为仅发送，0校验位，1停止位，8数据位。编写如下：

USART_InitTypeDef USART_InitStruture;
	USART_InitStruture.USART_BaudRate=9600;//波特率设置为9600
	USART_InitStruture.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None ;//设置无硬件流
	USART_InitStruture.USART_Mode=USART_Mode_Tx;//模式设置为仅发送
	USART_InitStruture.USART_Parity=USART_Parity_No ;///不需要校验
	USART_InitStruture.USART_StopBits=USART_StopBits_1 ;//停止位选择1位
	USART_InitStruture.USART_WordLength=USART_WordLength_8b;//数据位选择8位
	USART_Init(USART1,&USART_InitStruture);
	
	USART_Cmd(USART1,ENABLE);//启用USART外设

这些函数都是配置函数，需要搭建起这样的基本环境才能进行下一步主程序编程，建议在使用这些函数的时候右键看一下定义，自己理解一下。

最后一步，把void Serial_Init(void);放到头文件里声明一下。

至此配置就完成了

三、自动发送字符串

3.1 发送函数编写

我们需要编写一个发送函数，用于单片机对电脑进行数据传输，在标准库中,给出了发送函数为

void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data)

我们通过两种方式实现字符串的发送

3.1.1 利用数组发送

我们将字符串的每个字符放在一个数组的每个元素中，发送时发送数组即可

首先我们先封装发送一个字符的函数，如下

//发送数据
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)//发送一个字符
{
	USART_SendData(USART1,Byte);//调用库函数将数据送至发送数据寄存器
	while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE)==RESET);//等待标志位置一，结束循环

}

之后的所有发送方式都是基于发送一个字符来实现的。然后我们封装一个发送数组的函数

void Serial_SendArray(uint8_t *Array,uint16_t Length)//发送数组
{
	uint16_t i;
	for(i=0;i<Length;i++)
	{
		Serial_SendByte(Array[i]);
		Delay_ms(10);
	}
}

至此，函数就写完了。接下来只需要在主函数中定义一个数组，把字符串中的每个字符填到数组里面，再调用上面写的发送数组函数即可。这个主函数就交给读者自己完成了。本次主要利用下面的方法实现发送。

3.1.2 直接发送字符串

我们也可以直接发送一个字符串，原理其实跟发送数组差不多，只不过在发送函数中把字符串逐个拆开放在数组里在发送出来，这样就不需要在主函数里再定义数组了，发送函数如下：

void Serial_SendString(char *String)//发送字符串
{
	uint16_t i;
	for(i=0;i<String[i]!=0;i++)
	{
		Serial_SendByte(String[i]);
		Delay_ms(10);
	}
}

int fputc(int ch, FILE *f)//printf重定向到串口，这是后面使用printf的必要函数，把字符打印到串口
{
	Serial_SendByte(ch);
	return ch;
}
	

与上一种方式相比，这样显得更简洁一些，主函数也写的更少了

一定记住，要把上述所编写的函数放到头文件里进行声明！！头函数最终为

#ifndef __SERIAL_H
#define __SERIAL_H
#include "stm32f10x.h"                  // Device header

void Serial_Init(void);
void Serial_SendByte(uint8_t Byte);
void Serial_SendArray(uint8_t *Array,uint16_t Length);
void Serial_SendString(char *String);
#endif

3.2 主函数编写

基于利用发送字符串的方式发送数据，我们将主函数编写如下：

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "Serial.h"
#include "Stdio.h"
int main(void)
{
	Serial_Init();
//	uint8_t Array[]={'H','e','l','l','o',',','W','i','n','d','o','w','s','!','!'};//感兴趣可自行完成数组方式

	while (1)
	{
		Serial_SendString("Hello,Windows!!");
		Serial_SendString("\r\n");
		Delay_ms(1000);
		printf("你好，世界！\r\n");
		Delay_ms(1000);
	}
}

3.3 烧录测试结果

我们将程序烧录到开发板上后，打开我们手上的串口调试助手（野火，ISP那些都可以，这里我用的是自己的串口助手）。

但不管是什么软件，打开助手后，一定要注意调好参数，如下所示

设置好后，打开串口，结果如下：

3.4 波形测试观察

keil MDK自带的调试模式可以通过输出波形来观察串口的电平变化情况，关于调试方面的配置之前已经讲过了，这里就把图列出来：

在设置观察端口时，我们观察USART1的电平变化情况。

波形测试结果如下：

颜色较深宽度较宽的部分是英文数据，另一个是中文数据。

放大来看，波形为0时是正在发送的一个码元。从图中可以看出传输一个码元需要耗费0.001s

四、基于中断的可控发送

现在基于原有的串口功能进行深度优化。要求打开串口后，输入一个“*”开始发送字符串，当输入一个“#”，串口停止发送，输入其他符号时，显示命令异常。

我们使用中断函数来实现上述功能，利用所要求的字符触发中断函数，调用中断函数执行发送和停止命令。

4.1 配置NVIC控制USART1触发中断

在原有“Serial.c"中Serial_Init()代码的基础上，我们需要进行以下修改

首先开启GPIOA的PA10端口。

//配置GPIO口
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;//复用推挽输出
	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);

然后加上打开USART中断，配置NVIC

//开启USART中断
	USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE);
	
	//配置NVIC
  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//选择分组2
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel= USART1_IRQn;//USART1在NVIC中的通道
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE ;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=1;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
	
	USART_Cmd(USART1,ENABLE);//启用USART外设

4.2 中断函数编写

接下来是编写中断函数，标准库给出了控制USART1中断的函数USART1_IRQHandler()

//接下来是中断控制

void USART1_IRQHandler(void)//中断函数
{
	if(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_IT_RXNE)==SET)//判断标志位
	{
		Serial_RxData=USART_ReceiveData(USART1);//读取PC发来的数据
		Serial_RxFlag=1;//标志位置1
		
		USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE);//清除中断函数标志位
	}
}
uint8_t Serial_GetRxFlag(void)//读后自动清除
{
	if(Serial_RxFlag==1)
	{
		Serial_RxFlag=0;
		return 1;
	}
	else return 0;
	
}
uint8_t Serial_GetRxData(void)//将中断读取的值返回到主函数中
{
	return Serial_RxData;
	
}

中断部分分为三个函数，中断函数，清除标志位函数以及读取值返回函数。当单片机接收到电脑发送的数据后，触发中断函数，利用标准库所提供的 USART_ReceiveData(USART1)接收数据，并将中断标志位置1，读后调用清除函数清除标志位，并将数据返回到主函数中。

4.3 主函数代码

我们在头文件中加入我们新编写的函数

#ifndef __SERIAL_H
#define __SERIAL_H
#include "stm32f10x.h"                  // Device header

void Serial_Init(void);
void Serial_SendByte(uint8_t Byte);
void Serial_SendArray(uint8_t *Array,uint16_t Length);
void Serial_SendString(char *String);
uint8_t Serial_GetRxFlag(void);//读后自动清除
uint8_t Serial_GetRxData(void);//将中断读取的值返回到主函数中
#endif

随后在主函数中编写以下代码，附带每行代码的解释

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

int main(void)
{
//	OLED_Init();
	Serial_Init();
  uint8_t RxData1;//定义接收变量，用于接收从PC端发来的数据
  uint16_t flag=0;//定义标志位，用于打断或开启发送
		while (1)
	{
		if (Serial_GetRxFlag() == 1)
		{
			RxData1 = Serial_GetRxData();//接收数据
		if(RxData1=='*')
		{
				flag=1;//标志位置1
			while(flag==1)//开始发送
			{
				Serial_SendString("Hello,Windows!");
				Serial_SendString("\r\n");
//				OLED_ShowString(1, 1, "Hello,Windows!");
				Delay_ms(1000);
				
				RxData1 = Serial_GetRxData();//再读取一次接收端数据
				if(RxData1=='#')//若为’#‘，跳出循环
				{
					flag=0;//标志位变为0
				}
				
			}	
			
		}
		else if(RxData1=='#')//输入#，单片机停止发送
		{
			Serial_SendString("Stop!!! Press '*' to continue!");
//			OLED_ShowString(1, 1, "                  ");
//			OLED_ShowString(1, 1, "Stop!!!");
			Serial_SendString("\r\n");
		}
		else //输入其他字符，显示错误
		{
			Serial_SendString("Wrong!!!");
//			OLED_ShowString(1, 1, "                  ");
//			OLED_ShowString(1, 1, "Wrong!!!");
			Serial_SendString("\r\n");
		}
		}
	}
}

4.4 烧录调试结果

经过烧录，串口输出情况如下：

五、总结

在STM32的串口通信中，USART是使用最普遍的外部串口通信模式，通过CH340上的TXD与RXD与单片机上的PA10与PA9两个引脚相连接，实现单片机与电脑端的实时通信。USART串口通信可以实现延时自动发送，同时也可以利用中断函数对通信进行控制。通过本次程序的编写，让我对串口通信有了基本的了解。对USART配置，标准库相关函数有了很深的认识，拓展了很多很多的方法不断对代码进行优化，让我对嵌入式编程又增加了兴趣

六、参考

[1]. [9-3] 串口发送&串口发送+接收_哔哩哔哩_bilibili