根本学不够

STM32F103VET6之串口实验(详细版）

一. 引言

STM32结合串口通信可以实现数据的传输和控制，是嵌入式系统中的重要技术之一。本实验旨在通过STM32的串口通信接口进行数据的传输和控制，实现串口通信的基本功能和使用方法。通过本实验，可以掌握STM32串口通信的基本原理和实现方法，理解串口通信协议和同步/异步通信方式的特点和应用场景，加深对STM32串口通信的理解和应用能力，为后续嵌入式系统开发中的串口通信应用打下基础。

二. 串口通信基础知识

2.1、串口基本原理简介

串口通信是一种通过串行接口进行数据传输的通信方式，它基于串行通信原理，将数据以位的形式逐个发送和接收。在串口通信中，数据被组织成数据帧的形式进行传输，包括起始位、数据位、校验位和停止位等部分，波特率决定了数据传输的速度，发送方和接收方必须以相同的波特率进行通信，为了使通信顺利进行，需要定义一套串口协议，规定数据的传输格式、起始和结束方式以及校验方法等。

2.2、串口通信协议（如RS-232, RS-485）

原生串口协议：原生串口通信通常使用TTL电平（Transistor-Transistor Logic，晶体管—晶体管逻辑电平），其中逻辑1通常表示高电平（3.3V或5V），逻辑0通常表示低电平（0V），使用异步串行通信方式，定义了数据的格式、起始位、停止位、数据位数以及波特率等。

RS-232：RS-232是一种较为常见的串口通信协议，用于在数据通信设备之间进行数据传输，RS-232通信使用负逻辑电平表示逻辑1，正逻辑电平表示逻辑0。典型的电压范围是+12V至-12V，但实际上可以容忍更大的波动范围，RS-232定义了一个点对点的串行通信接口，并且通常使用异步通信方式，也规定了数据的格式、起始位、停止位、数据位数以及校验方式等。

RS-485：RS-485适用于多点和远距离通信，使用差分信号传输，即使用两根信号线进行数据传输，一条线传输正信号，另一条线传输负信号。典型的电压范围是-7V至+12V，支持多主机和多从机的半双工或全双工通信方式。在定义了数据的格式和校验方式的基础上，还规定了总线上设备的驱动方式、数据冲突检测和解决机制等。

三. 串口功能框图

这里将串口功能框图分成四个部分进行解释。

首先是引脚部分，我们最常用的就是RX和TX 引脚，分别是接收和发送引脚；SCLK是时钟引脚，通常在同步通信时使用；nCTS和nRTS引脚会在硬件流控模式中需要，nCTS是允许发送，nRTS是请求发送，均为低电平有效；IRDA_OUT和IRDA_IN分别是IrDA模式下的数据输出和输入。

其次是数据寄存器部分，发送和接收的数据都由这里进行解析。

发送过程：当发送数据寄存器从CPU或者DMA读取数据之后，将其转移到发送移位寄存器中，数据转移完之后，TXE标志位被置位，代表数据已经转移完毕，可以接收下一组数据了，当发送移位寄存器将数据一位一位的通过串口的TX引脚传输到外部设备后，TC标志位被置位，表示数据发送完成；

接收过程：当外部设备向串口发数据时，会先经过RX引脚进入，传到接收移位寄存器，然后传给RDR寄存器，当RDR寄存器将数据完全转到DR寄存器时RXNE被置位，表示收到数据，可以读出数据。

这整个过程中串口使能UE、发送使能TE以及接收使能RE都应该被置位。

紧接着我们来看控制部分，主要通过控制寄存器CR1、CR2、CR3来进行控制，通过CR1寄存器来配置串口的字长、校验位、唤醒方式、发送使能和接收使能等；通过CR2寄存器来控制串口的数据停止位、LIN模式、时钟极性和时钟相位等；CR3寄存器来控制硬件流控制模式、智能卡模式以及DMA使能发送和DMA使能接收，这部分内容需要通读数据手册，了解这些寄存器的每个位配置的功能就能够实现想要的控制效果。

最后时波特率部分，串口的波特率是由波特比率寄存器(USART_BRR)来进行计算和设置的，通过写入波特率参数，这个寄存器会自动计算整数部分和小数部分写入寄存器，并同时同步给接收器和发送器，波特率的计算公式如图

$f_{ck}$ 是时钟频率，波特率是我们设定的参数（如9600、115200等），USART_BRR寄存器会算出USARTDIV，然后分整数部分和小数部分写入寄存器。

四.源码分析

首先依旧按照惯例，在本地文件夹内创建USART.c和USART.h文件，然后到keil5里面将文件添加到对应的组里，切记要将头文件路径设置，不然找不到头文件报错，以下程序部分代码来自野火的例程。

USART.c

#include "USART.h"

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);	
	
	// 使能串口
	USART_Cmd(DEBUG_USARTx, ENABLE);	

}

/*****************  发送一个字符 **********************/
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)
{
	unsigned int k=0;
  do 
  {
      Usart_SendByte( pUSARTx, *(str + k) );
      k++;
  } while(*(str + k)!='\0');
  
  /* 等待发送完成 */
  while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx,USART_FLAG_TC)==RESET)
  {
	}

}

/*****************  发送一个16位数 **********************/
void Usart_SendHalfWord( USART_TypeDef * pUSARTx, uint16_t ch)
{
	uint8_t temp_h, temp_l;
	
	/* 取出高八位 */
	temp_h = (ch&0XFF00)>>8;
	/* 取出低八位 */
	temp_l = ch&0XFF;
	
	/* 发送高八位 */
	USART_SendData(pUSARTx,temp_h);	
	while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
	
	/* 发送低八位 */
	USART_SendData(pUSARTx,temp_l);	
	while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);	
}

///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，重写向后可使用scanf、getchar等函数
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);
}

首先分析函数USART_Config()，它的功能是配置并初始化一个USART，先定义了两个结构体，GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; 和 USART_InitTypeDef USART_InitStructure;分别用于GPIO的初始化和USART的初始化。紧接着打开串口外设和GPIO的时钟，分别向两个结构体中写参数，GPIO结构体中将USART Tx的GPIO配置为推挽复用模式，速度为50MHz，USART Rx的GPIO配置为浮空输入模式，速度为50MHz，然后调用GPIO初始化函数。串口结构体中将串口配置波特率、数据字长、停止位、校验位、硬件流控制和工作模式等内容，然后调用函数进行串口初始化，最后使能串口，为数据传输做准备。

接下来具体来分析串口是如何进行初始化的，选中串口初始化函数，按F12或右键点击跳转到定义处，USART_Init()函数首先进行参数合法性检查，传入参数都在有效范围内再进行下一步操作，否则会终止运行。

参数合法性检查完毕之后进行串口配置，首先配置的是USART的停止位参数，从CR2寄存器中读取原有设置，清除特定的位（STOP[13:12]），然后根据初始化结构体的值重新设置这些位，最后将最终的设置写回到CR2寄存器中。

/*---------------------------- USART CR2 Configuration -----------------------*/
  tmpreg = USARTx->CR2;
  /* Clear STOP[13:12] bits */
  tmpreg &= CR2_STOP_CLEAR_Mask;
  /* Configure the USART Stop Bits, Clock, CPOL, CPHA and LastBit ------------*/
  /* Set STOP[13:12] bits according to USART_StopBits value */
  tmpreg |= (uint32_t)USART_InitStruct->USART_StopBits;
  
  /* Write to USART CR2 */
  USARTx->CR2 = (uint16_t)tmpreg;

然后配置USART的字长度、校验位和模式，同上述操作一样，首先从CR1寄存器中读取原有设置，清除特定的位（M, PCE, PS, TE和RE），然后根据初始化结构体的值重新设置这些位，最后将最终的设置写回到CR1寄存器中。

M	定义了数据字的长度 0：一个起始位，8个数据位，n个停止位； 1：一个起始位，9个数据位，n个停止位。
PCE	检验控制使能 0：禁止校验控制； 1：使能校验控制。
PS	校验选择 0：偶校验； 1：奇校验。
TE	发送使能 0：禁止发送； 1：使能发送。
RE	接收使能 0：禁止接收； 1：使能接收，并开始搜寻RX引脚上的起始位

之后来到控制寄存器CR3的配置，这主要用于配置USART的硬件流控制，STM32的硬件流控制（Hardware Flow Control）主要适用于USART1、USART2和USART3。那什么是硬件流控制呢？硬件流控制是用来解决数据拥塞和丢失问题的一种方法。当接收方不能接收更多的数据时，发送方就会停止发送数据，这就是所谓的流控制（Flow Control）。而硬件流控制是一种通过硬件设备进行流控制的方法。在硬件流控制中，通常使用专门的硬件设备来监测数据的传输状态。当数据的传输速度过快，以至于接收方无法处理时，硬件设备就会通知发送方暂停发送数据。反之，当接收方能够接收更多的数据时，硬件设备就会通知发送方继续发送数据。

/*---------------------------- USART CR3 Configuration -----------------------*/  
  tmpreg = USARTx->CR3;
  /* Clear CTSE and RTSE bits */
  tmpreg &= CR3_CLEAR_Mask;
  /* Configure the USART HFC -------------------------------------------------*/
  /* Set CTSE and RTSE bits according to USART_HardwareFlowControl value */
  tmpreg |= USART_InitStruct->USART_HardwareFlowControl;
  /* Write to USART CR3 */
  USARTx->CR3 = (uint16_t)tmpreg;

最后进行波特率配置，通过配置USART_BRR寄存器来实现。

/*---------------------------- USART BRR Configuration -----------------------*/
  /* Configure the USART Baud Rate -------------------------------------------*/
  RCC_GetClocksFreq(&RCC_ClocksStatus);
  if (usartxbase == USART1_BASE)
  {
    apbclock = RCC_ClocksStatus.PCLK2_Frequency;
  }
  else
  {
    apbclock = RCC_ClocksStatus.PCLK1_Frequency;
  }
  
  /* Determine the integer part */
  if ((USARTx->CR1 & CR1_OVER8_Set) != 0)
  {
    /* Integer part computing in case Oversampling mode is 8 Samples */
    integerdivider = ((25 * apbclock) / (2 * (USART_InitStruct->USART_BaudRate)));    
  }
  else /* if ((USARTx->CR1 & CR1_OVER8_Set) == 0) */
  {
    /* Integer part computing in case Oversampling mode is 16 Samples */
    integerdivider = ((25 * apbclock) / (4 * (USART_InitStruct->USART_BaudRate)));    
  }
  tmpreg = (integerdivider / 100) << 4;

  /* Determine the fractional part */
  fractionaldivider = integerdivider - (100 * (tmpreg >> 4));

  /* Implement the fractional part in the register */
  if ((USARTx->CR1 & CR1_OVER8_Set) != 0)
  {
    tmpreg |= ((((fractionaldivider * 8) + 50) / 100)) & ((uint8_t)0x07);
  }
  else /* if ((USARTx->CR1 & CR1_OVER8_Set) == 0) */
  {
    tmpreg |= ((((fractionaldivider * 16) + 50) / 100)) & ((uint8_t)0x0F);
  }
  
  /* Write to USART BRR */
  USARTx->BRR = (uint16_t)tmpreg;

可以看到该代码首先获取时钟频率，然后判断使用的USART类型，如果是串口1，就使用PCLK2的时钟频率，最大为72MHz，否则使用PCLK1的时钟频率，最大为36MHz。根据USART的过采样模式计算整数部分。过采样模式有两种，8样本和16样本。在8样本模式下，整数部分是APB时钟频率除以2乘以波特率；在16样本模式下，整数部分是APB时钟频率除以4乘以波特率。整数部分除以100，然后右移4位，得到的是整数部分的100倍。然后从整数部分100倍中减去这个值，就得到了小数部分。根据整数和小数部分，设置USART的BRR（Baud Rate Registers）寄存器，这个寄存器的值决定了USART的波特率。在8样本模式下，(小数部分*8+50)/100，最后取低5位；在16样本模式下，(小数部分*16+50)/100，最后取低12位，到此就完成串口的初始化配置，可以看到整个配置过程中对控制寄存器CR1、CR2、CR3以及波特率寄存器USART_BRR进行了配置，结合上面的串口功能框图更容易理解。

关于数据的传输函数，只需要关注数据寄存器中几个标志位的值的变化，对其进行读取判断数据是否已经发送完成或者接收完成。这里面还用到将C库函数重定向到串口进行数据传输，具体来说，通过重定向，可以将C标准库中的输入输出函数（如printf，scanf等）的数据流重定向到串口，使得我们可以在串口中观察和发送数据，这在调试程序、观察系统运行状态、以及在无文件系统环境中进行数据传输等方面非常有用。

TXE	发送数据寄存器为空被置位
TC	发送完成后置位
RXNE	接收数据寄存器不为空时置位

USART.h

#ifndef __USART_H
#define	__USART_H


#include "stm32f10x.h"
#include 

#define  DEBUG_USARTx                   USART2
#define  DEBUG_USART_CLK                RCC_APB1Periph_USART2 
#define  DEBUG_USART_APBxClkCmd         RCC_APB1PeriphClockCmd
#define  DEBUG_USART_BAUDRATE           115200

#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_2
#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT       GPIOA
#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_3

#define  DEBUG_USART_IRQ                USART2_IRQn
#define  DEBUG_USART_IRQHandler         USART2_IRQHandler

void USART_Config(void);
void Usart_SendByte( USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t ch);
void Usart_SendString( USART_TypeDef * pUSARTx, char *str);
void Usart_SendHalfWord( USART_TypeDef * pUSARTx, uint16_t ch);

#endif

五. 串口通信实验

5.1 串口通信测试

main.c

#include "stm32f10x.h"  
#include "led.h"      
#include "USART.h"
  
int main(void)
{	
    USART_Config();

    Usart_SendByte(DEBUG_USARTx,'A');
	printf("成功接收到字符\n\n\n\");

	Usart_SendString(DEBUG_USARTx,"这是串口1接收实验\n");
	printf("成功接收到字符串\n\n\n\");
	
}

5.2 串口控制LED