STM32F4-UART(串行通信)

通信

通信目的：的将一个设备数据传送到另一个设备，扩展硬件系统。

通信协议：制定通信规则，通信双方按照协议规则进行数据收发。

处理器与外部设备通信的两种方式：并行通信，串行通信。

并行通信（传输原理：数据各个位同时传输；优点：速度快；缺点：占用引脚资源多；）

串行通信（传输原理：数据按位顺序传输；优点：占用引脚资源少；缺点：速度相对较慢；）

串行通信

串行通信是指外设和计算机间，通过数据信号线 、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式，如SPI、USART、EEPROM通信等。串口通信实现了上位机（一般就是我们的电脑）与下位机（也就是我们的嵌入式设备，如51单片机，STM32）之间的信息交互。上位机可通过串口调试助手等实现数据的发送接收。

串行通信按照数据传送方向分为：

(a)单工：数据传输只支持数据在一个方向上传输，发送端->接收端。（只收不发和只发不收）

(b)半双工：允许数据在两个方向上传输，但是在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输。实际上是一种能切换方向的单工通信。（能发能收，但不能同时进行）

(c)全双工：允许数据同时在两个方向上传输。全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送和接受设备都有独立的接收和发送能力。（能发能收，且能同时进行）

按照是否带有时钟同步信号分为：

同步通信：带时钟同步信号(SCK，SCL....)。传输信息发送设备与信息接收设备需要时钟同步，两者间除数据线互连外,还需要有额外的时钟线进行互连，比如：SPI，IIC通信接口。

异步通信：不带时钟同步信号。信息发送设备与接收设备之间只需要数据线连接，无需额外的时钟线互联。虽然双方没有时钟线互联，但是通信双方是需要有约定的，比如说波特率(波特率确定了，每个位传输的时间就确定了)，起始位，停止位，奇偶校验位等。接收设备根据约定利用自己的本地时钟对数据进行采样。比如：UART(通用异步收发器)，单总线(1-wire)。

常见的串行通信接口：

STM32的串行通信接口：UART：通用异步收发器 ; USART：通用同步异步收发器

STM32F4XX目前最多支持8个UART,STM32F103支持5个UART。

UART异步通信方式的引脚连接：

TXD：数据输出脚，数据发送。RXD:数据输入脚，数据接收。

串口中常用的电平标准：

TTL电平标准：输出 L：<0.8V；H：>2.4V；输入 L：<1.2V ；H：>2.0V。

RS232电平标准：逻辑1的电平为-3～-15V，逻辑0的电平为+3～+15V。

RS485电平标准：两线的压差+2~+6V表示逻辑1，-2~-6V表示逻辑0（差分信号）。

485的这种差分信号抗干扰能力比较强。485通信距离可达上千米，TTL和232也就几十米。

MCU和一些应用模块通常都是TTL电平。电脑，工业设备或者一些模块通常都是232电平。

TTL电平相同可以相互通讯；232电平相同时可以进行通讯。但是TTL和232之间是不能直接进行通讯，必须进行电平转换，通过转换芯片。

UART异步通信方式引脚（STM32F407ZGT6的6个串口）：芯片数据手册查。

UART异步通信方式特点：

全双工异步通信。

支持小数波特率发生器系统，提供精确的波特率。

可配置8倍或者1倍过采样，为速度容差和时钟容差的灵活配置提供可能。

可编程的数据字长（8或9位），是否带奇偶校验位。

可配置的停止位（1或2位）。

可配置使用DMA多缓冲器通信（支持DMA）。

单独的发送器和接收器使能位。

可触发中断。

校验控制，四个错误检测标志。

STM32串口通信过程：

数据发送过程：

 数据接收过程：

STM32串口异步通信需要定义的参数：

起始位：比如下面范例，一开始电平为高，到起始位电平拉低告诉接收方要接收有用的数据了。

数据位：（8位或9位，9位是带奇偶校验位）低位先行。要发送0011，就要1100这样顺序。

奇偶校验位（第9位）：奇校验：包括校验位在内的9个数据会出现奇数个1。偶校验同理。

停止位：与起始位差不多。

波特率设置：决定了每隔多长时间发送一位 / 接收一位。

例如：发送一个字节数据0x55，波特率为9600，1起始位，8数据位，1停止位，无校验。遵循低位先行。TX引脚输出的波形。

起始位侦测：

当输入电路侦测到一个数据帧的起始位后，以波特率的16倍频率进行采样：在1位的时间里可以进行16次采样。

比如：一开始一直采样结果为1，突然采样到0，说明两次采样间出现了下降沿，进入到起始位，在起始位会进行连续16次采样，没噪声干扰的话，16次采样都是低电平。实际电路会存在一些噪声。在3，5，7这三个位里至少有2个0， 8，9，10这三个位里也至少有2个0，才说明是起始位。否则重新侦测。因为8，9，10次侦测在一位信号的正中间，因此后面接收数据位时，也都在8，9，10次侦测位置进行采样。8，9，10位全为1或者全为0分别代表收到1或0。

STM32串口框图：

硬件流控制

比如设备A向设备B发送数据，若发送过快，设备B处理不过来。在无硬件流控制的情况下，设备B只能抛弃新数据或者覆盖原数据。若有硬件流控制：在硬件电路上会多出一根硬件流控制的连线，如果B没准备好接收，就置高电平，如果准备好了，就置低电平。这样的话，A接收到B的反馈信号，就只在B设备准备好的情况下才发数据。硬件流控制可以防止因为B设备处理慢而导致数据丢失的问题。

硬件流控制的两个脚：nRTS，nCTS。当A设备要给B设备发送数据时候。A设备的CTS接B设备的RTS。此时B设备反馈给A设备是否能接收。

唤醒单元：多设备时使用，被CS片选的设备就会被唤醒。

STM32收发数据包的流程：

数据包作用：把单独数据打包，方便进行多字节通信。

比如：陀螺仪传感器的数据，X,Y,Z三个坐标数据。不知道接收从哪一时刻哪一位置开始接收，因此将三个数据进行一次打包，每次发送一包数据，就可以防止传输出现数据错位的问题。

打包数据的方法可自行设计，这就属于设计编码方法。如下方法：

HEX数据包：传输直接，适合一些模块发送原始的数据，比如串口通信的陀螺仪，温湿度传感器之类的。

固定包长，含包头包尾。如下：一批数据四个字节数据加上包头包尾2个字节数据打包。

可变包长，含包头包尾。如下：可变字节的一批数据加上包头包尾2个字节数据打包。

避免数据和包头包尾重复：限制数据可变范围；规定固定数据包长；增加包头包尾的长度。

文本数据包：相比HEX数据包，每个数据经过一层编码和译码，最终表现出来的就是文本格式。实际上每个文本字符背后都还是1个字节的HEX数据。

数据直观，适合一些输入指令，人机交互的场合，比如蓝牙模块的AT指令，CNC和3D打印机常用的G代码。

固定包长，含包头包尾。

可变包长，含包头包尾。

大量字符可以作为包头包尾，有效避免载荷和包头包尾重复的问题。

接收数据包：

状态机设计：多标志位状态的方式。

三个状态：等待包头，接收数据，等待包尾。每个状态用一个变量标记。S=1,2,3。类似于标志位等待包头状态持续，直到收到包头0xFF,才在下次进入中断时候置S=1进入下个状态接受数据。在接收数据状态，再用一个变量记录接收到了多少数据，收够了在下次中断时置S=2进入等待包尾的状态。收到包尾0xFE后再转到S=1状态等待下个数据包包头。

可变包长的接收情况：在S=1的状态还要兼具等待包尾的功能，因为可变包长，包尾随时会发来。在S=1状态，收到一个数据，判断是否是\r，如果不是则正常接收，如果是则不接收，跳到S=2状态等待包尾\n。（这是两个包尾\r\n的情况，若只有一个包尾，则状态改为2给就行，在S=1状态直接跳到S=0状态即可。）

STM32串口常用寄存器：

USART_SR：状态寄存器->记录一些串口发送过程中的状态

位 8 LBD： LIN 断路检测标志 (LIN break detection flag)
位 7 TXE：发送数据寄存器为空 (Transmit data register empty)
位 6 TC：发送完成 (Transmission complete)
位 5 RXNE：读取数据寄存器不为空 (Read data register not empty)
位 4 IDLE：检测到空闲线路 (IDLE line detected)
位 3 ORE：上溢错误 (Overrun error)
位 2 NF：检测到噪声标志 (Noise detected flag)
位 1 FE：帧错误 (Framing error)
位 0 PE：奇偶校验错误 (Parity error)

USART_DR：数据寄存器->CPU读写此寄存器

USART_BRR：波特率寄存器

STM32串口常用库函数：

读取状态寄存器USART_SR的值，返回一个状态值（SET or RESET）：

FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);

读写数据寄存器USART_DR的函数：

void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);

控制波特率寄存器USART_BRR的函数：

void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);

USART_InitTypeDef的成员变量：

typedef struct
{
  uint32_t USART_BaudRate;              //设置串口波特率
  uint16_t USART_WordLength;            //字长8或9位
  uint16_t USART_StopBits;              //停止位
  uint16_t USART_Parity;                //极性（奇偶校验）
  uint16_t USART_Mode;                  //使能发送/接收，或者都使能
  uint16_t USART_HardwareFlowControl;   //硬件流控制
} USART_InitTypeDef;

串口波特率计算公式：（OVER8=0，串口框图最下面部分）

串口配置的一般步骤：

串口时钟使能：RCC_APBxPeriphClockCmd();

GPIO 时钟使能RCC_AHB1PeriphClockCmd();

引脚复用映射：GPIO_PinAFConfig（）；

GPIO端口模式设置：GPIO_Init（）；模式设置为：GPIO_Mode_AF

串口参数初始化：USART_Init（）；

开启中断并且初始化NVIC(如果需要开启中断才需要这个步骤)：

NVIC_Init（）； USART_ITConfig（）；//使能相关中断

使能串口：USART_Cmd（）；

编写中断处理函数：USARTx_IRQHandler（）；

串口数据收发：void USART_SendData();//发送数据到DR
uint16_t USART_ReceiveData()//从DR读取接收到的数据

串口传输状态获取：FlagStatus USART_GetFlagStatus();

void USART_ClearITPendingBit（）；

常用串口转换模块：

USB转串口模块，（用的CH340芯片）

 陀螺仪传感器模块，左边引脚是串口的引脚，右边是I2C的引脚。

 蓝牙串口模块：芯片是蓝牙芯片，可以通过蓝牙控制，脚是串口的引脚。