逃与桃

串口 --- 数据通信模式

一.数据通信的基础概念

<1>按数据通信方式分类

串行通信：数据逐位按顺序依次传输；
并行通信：数据各位通过多条线同时传输。

特点	传输速率	抗干扰能力	通信距离	IO资源占用	成本
串行通信	较低	较强	较长	较少	较低
并行通信	较高	较弱	较短	较多	较高

<2>按数据传输方向分类

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。

<3>按数据同步方向分类

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。

<4>波特率

1.比特率

每秒钟传送的比特数，单位bit/s.

2.波特率

每秒钟传送的码元数，单位Baud.

码元：信号经过调制之后并且进行了编码。

3.波特率和波特率的关系

比特率=波特率*log2M，M表示每个码元承载的信息量；

二进系统中，波特率数值上等于比特率。

4.常见的串行通信接口

通信接口	接口引脚	数据同步方式	数据传输方向
UART (通用异步收发器)	TXD:发送端 RXD:接收端	异步通信	全双工
1-wire	DQ:发送/接收端	异步通信	半双工
IIC	SCL:同步时钟 SDA:数据输入/输出端	同步信号	半双工
SPI	SCK:同步时钟 MISO:主机输入，从机输出 MOSI:主机输出，从机输入 CS:片选信号	同步通信	全双工

二.串口（RS-232）

<1>串口

1.串口的概念

串行通信接口：指按位发送和接收的接口。如：RS-232/422/485等。

2.RS-232接口（DB9）

数据线：

TXD(pin3):串口数据输出；
RXD(pin2):串口数据输入。

握手（同步信号）：

RTS(pin7):请求发送；
CTS(pin8):清除发送；
DSR(pin6):数据发送就绪；
DCD(pin1):数据载波检测；
DTR(pin4):数据终端就绪。

地线：

GND(pin5)：信号地，与两根数据线可组成异步通信。

其他：

RI(pin9):振铃指示。

<2>RS-232电平与CMOS/TTL电平对比

1.RS-232电平

逻辑1：-15V ~ -3V

逻辑0：+3V ~ +15V

2.CMOS电平（3.3V）--- STM32

逻辑1：3.3V

逻辑0：0V

3.TTL电平（5V） --- 51

逻辑1：5V

逻辑0：0V

注意：CMOS/TTL电平不能与RS-232电平直接交换信息。

<3>设备间的RS-232通信示意图

电平转换芯片：MAX3232、SP3232等

注意：两个设备之间的TXD和RXD，必须交叉连接，方可正常通信。

<4>STM32串口与电脑USB口通信示意图

PC还需要安装CH340 USB虚拟串口驱动。

注意：两个设备之间的TXD和RXD，必须交叉连接，方可正常通信。

<5>RS-232异步通信协议

由于是异步通信，所以SCLK线并不使用

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（最低有效位）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。

三.STM32的USART

<1>USART简介

Universal synchronous asynchronous receiver transmitter,通用同步异步收发器；

Universal asynchronous receiver transmitter,通用异步收发器。

USART/UART都可以与外部设备进行全双工异步通信；

USART,我们常用的也是异步通信。

<2>USART主要特征

1.全双工异步通信；

2.单线半双工通信；

3.单独的发送器和接收器使能位；

4.可配置使用DMA的多缓冲器通信；

5.多个带标志的中断源。

<3>USART框图

<4>设置USART/UART波特率（F1）

1.计算公式

波特率计算公式：baud = f(ck) / 16 * USARTDIV;

其中f(ck)是串口的时钟，如：USART1的时钟是PCLK2，其他串口都是PCLK1;

USARTDIV = DIV_Mantissa + (DIV_Fraction / 16)。

2.波特比率寄存器（BRR）

把USARTDIV的整数部分写入[15:4]，USARTDIV的小数部分写入[3:0]。

fraction加上0.5是进行四舍五入。

<5>USART寄存器简介（F1）

设置好控制和波特率寄存器后，往该寄存器（DR）写入数据即可发送，接收数据则读该寄存器。

四.HAL库外设初始化MSP回调机制

五.HAL库中断回调机制

六.USART/UART异步通信配置步骤

配置串口工作参数：HAL_UART_Init()
串口底层初始化：HAL_UART_MspInit() --- 配置GPIO、NVIC、CLOCK等
开启串口异步接收中断：HAL_UART_Receive_IT()
设置优先级、使能中断：HAL_NVIC_SetPriority()、HAL_NVIC_EnableIRQ()
编写中断服务函数：USARTx_IRQHandler()、UARTx_IRQHandler()
串口数据发送：USART_DR、HAL_UART_Transmit()

HAL库相关函数：

七.IO引脚的复用功能

<1>复用的概念

通用：IO端口的输入或输出是由GPIO外设控制；
复用：IO端口的输入或输出是由其它非GPIO外设控制。

<2>F1的IO引脚复用

可查数据手册引脚定义来看各IO支持什么复用功能；
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。

<3>F4/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。

复用器特点：

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。

注意：复位完成后，所有IO都会连接到系统的复用功能0（AF0）。

八.通过串口接收或者发送一个字符

uart.c

#include "uart.h"


/******************************************************************************************/
/* 加入以下代码, 支持printf函数, 而不需要选择use MicroLIB */

#if 1

#if (__ARMCC_VERSION >= 6010050)            /* 使用AC6编译器时 */
__asm(".global __use_no_semihosting\n\t");  /* 声明不使用半主机模式 */
__asm(".global __ARM_use_no_argv \n\t");    /* AC6下需要声明main函数为无参数格式，否则部分例程可能出现半主机模式 */

#else
/* 使用AC5编译器时, 要在这里定义__FILE 和 不使用半主机模式 */
#pragma import(__use_no_semihosting)

struct __FILE
{
    int handle;
    /* Whatever you require here. If the only file you are using is */
    /* standard output using printf() for debugging, no file handling */
    /* is required. */
};

#endif

/* 不使用半主机模式，至少需要重定义_ttywrch\_sys_exit\_sys_command_string函数,以同时兼容AC6和AC5模式 */
int _ttywrch(int ch)
{
    ch = ch;
    return ch;
}

/* 定义_sys_exit()以避免使用半主机模式 */
void _sys_exit(int x)
{
    x = x;
}

char *_sys_command_string(char *cmd, int len)
{
    return NULL;
}


/* FILE 在 stdio.h里面定义. */
FILE __stdout;

/* MDK下需要重定义fputc函数, printf函数最终会通过调用fputc输出字符串到串口 */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    while ((USART_UX->SR & 0X40) == 0);     /* 等待上一个字符发送完成 */

    USART_UX->DR = (uint8_t)ch;             /* 将要发送的字符 ch 写入到DR寄存器 */
    return ch;
}
#endif
/******************************************************************************************/
uint8_t g_rx_buffer[1];/*HAL库使用到的串口接受数据缓冲区*/
uint8_t g_usart1_rx_flag = 0;/*串口接收到数据标志*/

UART_HandleTypeDef g_uart1_hadle;/*UART句柄*/

/*uart初始化*/
void usart_init(uint32_t baudrate)
{
	g_uart1_hadle.Instance = USART1;
	g_uart1_hadle.Init.BaudRate = baudrate;
	g_uart1_hadle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
	g_uart1_hadle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
	g_uart1_hadle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
	g_uart1_hadle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
	g_uart1_hadle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;

	HAL_UART_Init(&g_uart1_hadle);
	HAL_UART_Receive_IT(&g_uart1_hadle,(uint8_t *)g_rx_buffer,1);
}

/*串口MSP回调函数*/
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{
	GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
	if(huart->Instance == USART1) /*如果是串口1，进行串口1 MSP初始化*/
	{
		__HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();
		__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
		
		gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_9;
		gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
		gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
		HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_init_struct);
		
		gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_10;
		gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT;
		gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP;
		HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_init_struct);
		
		HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn,3,3);
		HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
		/*(1)使能USART1和对应IO时钟，(2)初始化IO,(3)使能USART1中断，设置优先级*/
	}
}

/*串口1中断服务函数*/
void USART1_IRQHandler(void)
{
	HAL_UART_IRQHandler(&g_uart1_hadle);
	HAL_UART_Receive_IT(&g_uart1_hadle,(uint8_t *)g_rx_buffer,1);
}
/*串口数据接收完成回调函数*/
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
	g_usart1_rx_flag = 1;/*如果用到多个串口，要先判断串口寄存器基地址*/
}

uart.h

#ifndef _UART_H
#define _UART_H

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "stdio.h"

/******************************************************************************************/
/* 引脚 和 串口 定义 
 * 默认是针对USART1的.
 * 注意: 通过修改这几个宏定义,可以支持USART1~UART5任意一个串口.
 */
#define USART_TX_GPIO_PORT                  GPIOA
#define USART_TX_GPIO_PIN                   GPIO_PIN_9
#define USART_TX_GPIO_CLK_ENABLE()          do{ __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); }while(0)   /* PA口时钟使能 */

#define USART_RX_GPIO_PORT                  GPIOA
#define USART_RX_GPIO_PIN                   GPIO_PIN_10
#define USART_RX_GPIO_CLK_ENABLE()          do{ __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); }while(0)   /* PA口时钟使能 */

#define USART_UX                            USART1
#define USART_UX_IRQn                       USART1_IRQn
#define USART_UX_IRQHandler                 USART1_IRQHandler
#define USART_UX_CLK_ENABLE()               do{ __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE(); }while(0)  /* USART1 时钟使能 */

/******************************************************************************************/

extern uint8_t g_rx_buffer[1];/*HAL库使用到的串口接受数据缓冲区*/
extern uint8_t g_usart1_rx_flag;/*串口接收到数据标志*/
extern UART_HandleTypeDef g_uart1_hadle;/*UART句柄*/

void usart_init(uint32_t bound);                /* 串口初始化函数 */

#endif

main.c

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "uart.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"

void led_init(void);                       /* LED初始化函数声明 */

int main(void)
{
    HAL_Init();                              /* 初始化HAL库 */
    sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);      /* 设置时钟, 72Mhz */
    delay_init(72);                          /* 延时初始化 */
		usart_init(115200);											 /* 波特率设置为115200 */
    
	printf("请输入一个字符：\r\n\r\n");
    while(1)
    { 
			if(g_usart1_rx_flag == 1)
			{
				printf("您输入的字符为：\r\n");
				HAL_UART_Transmit(&g_uart1_hadle,(uint8_t *)g_rx_buffer,1,1000);
				while(__HAL_UART_GET_FLAG(&g_uart1_hadle,UART_FLAG_TC) != 1)
					printf("\r\n");
				g_usart1_rx_flag = 0;
			}else
			{
				delay_ms(10);
			}			
    
    }
}

九.通过串口接收或者发送一个字符串