stm32串口通信 —— USART通信实践
文章目录
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- 一、通讯的基本概念
- 二、USART串口通信（简单介绍）
- 三、USART串口通信实践
- 四、效果演示
- 五、参考资料
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一、通讯的基本概念
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数据传输的方式
① 串行通讯
指设备之间通过少 量数据信号线(一般是 8根以下)，地线以及控制信号线，按数据位形式一位一位地传输数据的通讯方式。就像是单车道的公路，同一时刻只能传输一个数据为的数据。
② 并行通讯
指使用 8、16、32 及 64 根或更多的数据线进行传输的通讯方式，就像多个车道的公路，可以同时传输多个数据位的数据。
③ 两者对比
特性 串行通讯 并行通信讯 通讯距离 较远 较近 抗干扰能力 较强 较弱 传输速率 较慢 较快 成本 较低 较高 不过由于并行传输对同步要求较高，且随着通讯速率的提高，信号干扰的问题会显著 影响通讯性能，现在随着技术的发展，越来越多的应用场合采用高速率的串行差分传输。
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数据通讯的方向
① 全双工
在同一时间，两个设备之间可以同时收发数据，如：手机等。
② 半双工
两个设备之间可以收发数据，但不能在同一时刻进行，如：对讲机等。
③ 单工
在任何时刻都只能进行一个方向的通讯，即一个固定为发送设备，另一个固定为接收设备，如：饭卡和读卡器之间，收音机等。
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通讯的数据同步方式
① 同步通讯
收发设备双方会使用一根信号线表示时钟信号，在时钟信号的驱动下双方进行协调，同步数据，即：发送方发出数据后，等接收方发回响应以后才发下一个数据包的通讯方式。
② 异步通讯
不使用时钟信号进行数据同步，它们直接在数据信号中穿插一些同步用的信号位，或者把主体数据进行打包，以数据帧的格式传输数据，即：发送方发出数据后，不等接收方发回响应，接着发送下个数据包的通讯方式。
二、USART串口通信（简单介绍）
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串口通讯协议简介
① 物理层规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性，确保原始数据在物理媒体的传输
② 协议层主要规定通讯逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准
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STM32 的 USART 简介
通用同步异步收发器(Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter)是一 个串行通信设备，可以灵活地与外部设备进行全双工数据交换。有别于 USART 还有一个 UART(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)，它是在 USART基础上裁剪掉了同步通信功能，只有异步通信。
USART 在 STM32 应用最多莫过于“打印”程序信息，一般在硬件设计时都会预留一 个USART通信接口连接电脑，用于在调试程序是可以把一些调试信息“打印”在电脑端的 串口调试助手工具上，从而了解程序运行是否正确、如果出错哪具体哪里出错等等
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USART 功能框图
具体说明请参考野火的 《零死角玩转STM32—F103指南者》，上面的原理和功能部分的概述已经讲得十分详细。或者也可参考这篇文章：STM32系统学习——USART（串口通信）
三、USART串口通信实践
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实验环境
① 野火指南者(STM32F103VE)
② IDE：KEIL5 MDK
③ 实验所用串口：USART1
硬件原理图：
这里 CH340G芯片 的作用是将电脑的USB电平转换为串口的TTL电平。
因此在实验前，确保自己的电脑已经安装了CH340的驱动。
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实验要求
STM32不断的给电脑发送 “hello windows!”；只有当输入 “Stop,stm32!” 后，STM32才终止向电脑发送消息。
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在已建好的工程文件(已经引用了STM32的固件库)中，新建一个main.c，bsp_usart.h、bsp_usart.c文件
注意需要把新建头文件的路径引入到工程中，不然编译时将找不到该头文件 (固件库的头文件已默认引入好了)
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在 bsp_usart.h 中添加如下代码
#ifndef __BSP_USART_H__ #define __BSP_USART_H__ #include "stm32f10x.h" #include#include /****************************************************** 串口的宏定义：总线时钟宏和GPIO的宏 *******************************************************/ // 串口USART1 #define DEBUG_USARTx USART1 #define DEBUG_USART_CLK RCC_APB2Periph_USART1 #define DEBUG_USART_APBxClkCmd RCC_APB2PeriphClockCmd #define DEBUG_USART_BAUDRATE 115200 // USART GPIO 引脚宏定义 #define DEBUG_USART_GPIO_CLK (RCC_APB2Periph_GPIOA) #define DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd RCC_APB2PeriphClockCmd #define DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT GPIOA #define DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN GPIO_Pin_9 #define DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT GPIOA #define DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN GPIO_Pin_10 #define DEBUG_USART_IRQ USART1_IRQn #define DEBUG_USART_IRQHandler USART1_IRQHandler // 函数 void USART_Config(void); void Usart_SendByte(USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t ch); void Usart_SendString(USART_TypeDef * pUSARTx, char *str); void delay_ms(uint16_t delay_ms); #endif /*__BSP_USART_H__*/ -
在 bsp_usart.c 中添加如下代码：
#include "bsp_usart.h" /************************************************** 配置嵌套向量中断控制器NVIC **************************************************/ static void NVIC_Configuration(void) { NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; // 嵌套向量中断控制器组选择 NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); // 配置USART为中断源 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DEBUG_USART_IRQ; // 抢断优先级 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; // 子优先级 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; // 使能中断 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; // 初始化配置NVIC NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); } /************************************************** USART初始化配置 **************************************************/ void USART_Config(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; USART_InitTypeDef USART_InitStructure; // 打开串口GPIO的时钟 DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE); // 打开串口外设的时钟 DEBUG_USART_APBxClkCmd(DEBUG_USART_CLK, ENABLE); // 将USART Tx的GPIO配置为推挽复用模式 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure); // 将USART Rx的GPIO配置为浮空输入模式 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure); // 配置串口的工作参数 // 配置波特率 USART_InitStructure.USART_BaudRate = DEBUG_USART_BAUDRATE; // 配置 针数据字长 USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; // 配置停止位 USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; // 配置校验位 USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ; // 配置硬件流控制 USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; // 配置工作模式，收发一起 USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; // 完成串口的初始化配置 USART_Init(DEBUG_USARTx, &USART_InitStructure); // 串口中断优先级配置 NVIC_Configuration(); // 使能串口接收中断 USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE, ENABLE); // 使能串口 USART_Cmd(DEBUG_USARTx, ENABLE); } /************************************************** 发送一个字节 **************************************************/ void Usart_SendByte(USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t ch) { // 发送一个字节数据到USART USART_SendData(pUSARTx, ch); // 等待发送数据寄存器为空 while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET); } /************************************************** 发送字符串 **************************************************/ void Usart_SendString(USART_TypeDef * pUSARTx, char *str) { do { Usart_SendByte(pUSARTx, *str++); }while(*str != '\0'); // 等待发送完成 while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx,USART_FLAG_TC) == RESET); } /************************************************** 微秒级的延时 **************************************************/ void delay_us(uint32_t delay_us) { volatile unsigned int num; volatile unsigned int t; for (num = 0; num < delay_us; num++) { t = 11; while (t != 0) { t--; } } } /************************************************** 毫秒级的延时 **************************************************/ void delay_ms(uint16_t delay_ms) { volatile unsigned int num; for (num = 0; num < delay_ms; num++) { delay_us(1000); } } /*************************************************** 重定向c库函数printf到串口，重定向后可使用printf函数 ****************************************************/ int fputc(int ch, FILE *f) { // 发送一个字节数据到串口 USART_SendData(DEBUG_USARTx, (uint8_t) ch); // 等待发送完毕 while(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET); return (ch); } /********************************************************* 重定向c库函数scanf到串口，重定向后可使用scanf、getchar函数 **********************************************************/ int fgetc(FILE *f) { // 等待串口输入数据 while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_RXNE) == RESET); return (int)USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx); } -
在 main.c 中添加如下代码
#include "stm32f10x.h" #include "bsp_usart.h" // 接收缓冲，最大100个字节 uint8_t USART_RX_BUF[100]; // 接收状态标记位 uint16_t USART_RX_FLAG=0; /********************************************************* 串口中断函数 **********************************************************/ void DEBUG_USART_IRQHandler(void) { uint8_t temp; //接收中断 if(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE) != RESET) { // 读取接收的数据 temp = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx); //接收未完成 if((USART_RX_FLAG & 0x8000)==0) { //接收到了0x0d if(USART_RX_FLAG & 0x4000) { // 接收错误,重新开始 if(temp != 0x0a) USART_RX_FLAG=0; // 接收完成 else USART_RX_FLAG |= 0x8000; } // 还未接收到0x0d else { if(temp == 0x0d) USART_RX_FLAG |= 0x4000; else { USART_RX_BUF[USART_RX_FLAG & 0x3FFF]=temp; USART_RX_FLAG++; //接收数据错误，重新开始接收 if(USART_RX_FLAG > 99) USART_RX_FLAG=0; } } } } } int main(void) { uint8_t len=0; uint8_t i=0; // USART初始化 USART_Config(); while(1) { if(USART_RX_FLAG & 0x8000) { // 获取接收到的数据长度 len = USART_RX_FLAG & 0x3FFF; printf("你发送的消息为："); for(i=0; i<len;i++) { // 向串口发送数据 USART_SendData(DEBUG_USARTx, USART_RX_BUF[i]); //等待发送结束 while(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TC)!=SET); } printf("\n\n"); if(strcmp((char *)USART_RX_BUF,"Stop,stm32!")==0) { printf("stm32已停止发送！"); break; } USART_RX_FLAG=0; memset(USART_RX_BUF,0,sizeof(USART_RX_BUF)); } else { printf("hello windows!\n"); delay_ms(800); } } } -
程序执行流程说明
在while循环中，stm32不断向电脑发送 “hello windows!”；当程序产生接收中断时(USART_IT_RXNE)，主程序停下，然后执行中断函数，当中断程序执行完成后，将继续返回到主程序停下的地方继续执行主程序；然后就是判断接收的数据是否为 “Stop,stm32!”，如果是，则跳出循环，终止程序；如果否，则继续循环。
中断执行流程：
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中断函数 DEBUG_USART_IRQHandler() 代码解析
① 判断接收数据是否为"Stop,stm32!"，因此我们要事先缓存接收数据，用于比较是否相等，即存储在USART_RX_BUF数组中。
② 判断是否接收完成，即判断USART_RX_FLAG的接收状态(规定，发送的字符以回车换行结束(0x0d, 0x0a)，即只接受一行数据，并且最大接收量为100)
我们按上图规定，定义USART_RX_FLAG为一个16位的变量，bit13 - 0用于存储接收数据，实则用不到这么多，因为最大接收量为100；bit14用于存储是否接收到"回车\r(ASCLL：0x0d)"，如果接收到则执行：USART_RX_FLAG |= 0x4000，将bit14置1，否则不变化保持为0；如果接收了"回车\r"，然后在判断下一个接收数据是否为"换行\n(ASCLL：0x0a)"，如果是则执行：USART_RX_FLAG |= 0x8000，将bit15置1，表明数据接收已完成，如果有剩余的接收数据将不再存入缓存USART_RX_BUF中；如果否，则执行USART_RX_FLAG=0，表明接收错误，重新开始接收。
如果还不清楚这里中断函数的执行流程，请参考：原子哥的视频串口通信实验讲解
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代码精简
既然我们规定以接收到(0x0d，0x0a)为接收完成，那么我们再加一个标记位FLAG，即只判断如果接收到0x0d，则执行FLAG=1，表明接收已经完成，如果有剩余的接收数据将不再存入缓存USART_RX_BUF中。
修改后的 main.c 代码如下：
#include "stm32f10x.h" #include "bsp_usart.h" // 接收缓冲，最大100个字节 uint8_t USART_RX_BUF[200]; // 接收状态标记位 uint16_t USART_RX_FLAG=0; // 是否接受完标记位 uint16_t FLAG=0; /********************************************************* 串口中断函数 **********************************************************/ void DEBUG_USART_IRQHandler(void) { uint8_t temp; //接收中断 if(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE) != RESET) { // 读取接收的数据 temp = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx); // 接收到了0xd，即换行符 if(temp == 0x0d) { FLAG = 1; } if(FLAG==0) { USART_RX_BUF[USART_RX_FLAG++]=temp; } } } int main(void) { uint8_t len=0; uint8_t i=0; USART_Config(); while(1) { if(FLAG) { // 获取接收到的数据长度 len = USART_RX_FLAG; printf("你发送的消息为："); for(i=0; i<len;i++) { // 向串口发送数据 USART_SendData(DEBUG_USARTx, USART_RX_BUF[i]); //等待发送结束 while(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TC)!=SET); } printf("\n\n"); if(strcmp((char *)USART_RX_BUF,"Stop,stm32!")==0) { printf("stm32已停止发送！"); break; } USART_RX_FLAG=0; memset(USART_RX_BUF,0,sizeof(USART_RX_BUF)); FLAG=0; } else { printf("hello windows!\n"); delay_ms(800); } } } -
为什么能用 printf 将数据发送到串口
因为执行 printf 函数时，其内部将会调用 fputc 函数，我们只需重新修改 fputc 函数的内容，即把字符指定发送到串口中即可
/*************************************************** 重定向c库函数printf到串口，重定向后可使用printf函数 ****************************************************/ int fputc(int ch, FILE *f) { // 发送一个字节数据到串口 USART_SendData(DEBUG_USARTx, (uint8_t) ch); // 等待发送完毕 while(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET); return (ch); }
四、效果演示
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烧录程序之前需要先勾选Output中的Create HEX File选项
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设置Debug，这里用的时野火官方的DAP仿真器
①
②
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烧录程序，然后打开野火的调试助手，设置如下
注意：这里的端口是自己电脑CH340驱动的端口，每个人可能不一样（可在设备管理器中查看）
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演示效果如下
发送消息前，需先在输入框中按下回车再发送消息，不然程序将无法判断是否接收完成。
五、参考资料
野火官方的 《零死角玩转STM32—F103指南者》
完整源码：
链接：https://pan.baidu.com/s/1h1ItZyTxBTZDVRLJm1RTLw
提取码：uuy4