USART_STM32

一、串口通信

1.1 通信协议简介

• 通信的目的：将一个设备的数据传输到另一个设备，扩展硬件系统
• 通信协议：制定通信的规则，通信双方按照协议规则进行数据收发
• 常用通信协议：
  
• 异步通信和同步通信的区别在于是否有时钟线连接两端

1.2 串口通信协议简介

串口是一种应用广泛的通讯接口，可实现两个设备的互相通信，包括单片机与单片机、单片机与电脑、单片机与各式各样的模块互相通信。

1.2.1 硬件电路

• 简单双向串口通信有两根通信线（发送端TX和接收端RX）
• 通信线TX、RX需要交叉连接
• 设备均有独立供电时，VCC可不接
• 当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片

1.2.2 电平标准

• 电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系。（即多少电压判定为1，多少判定为0）
• 串口常用的电平标准：
  • TTL电平：+3.3V或+5V表示1，0V表示0
  • RS232电平：-3至-15V表示1，+3至+15V表示0；一般用于大型设备
  • RS485电平：两线压差+2至+6V表示1，-2至-6V表示0（差分信号）；抗干扰能力强，一般用于远距离通信

1.2.3 串口参数及时序

• 串口通信可以选择在8位数据位的最后是否加一个校验位
• 波特率：因为串口通信是异步通信，所以需要规定串口通讯的速率
  • tips：波特率为每秒传输码元速率，比特率才是每秒传输比特速率，但在二进制中两者数值相等。
• 起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平。（因为串口通信的空闲状态固定为高电平）
• 数据位：数据帧的有效载荷，存储8位数据，1高0低，低位先行（即从数据的低位开始倒着发）
• 校验位：用于数据验证，判断是否发送错误，根据数据位计算得来。
  • 无校验、奇校验（保证9位数据位中共有奇数个1）、偶校验（…共有偶数个1）、CRC校验（循环冗余校验）
• 停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平。

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二、USART外设

2.1 USART简介

• USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）通用同步/异步收发器
  • USART主要使用异步模式。此处的“S”同步收发，只有时钟输入没有时钟输出，一般用于特殊用途。
• USART是STM32内部集成的硬件外设，其功能作用是：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。（即外设自动完成串口收发的相关流程操作，用户只需要读写数据寄存器即可）
• USART外设自带波特率发生器，最高达4.5Mbits/s
• USART外设可配置数据位长度（8/9）、停止位长度（0.5/1/1.5/2）、可选校验位（无/奇/偶校验）
• 还支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN
  • 硬件流控制：数据接收端会给发送端反馈接收完成信号，防止接收混乱数据丢失。
• STM32F103C8T6 USART资源： USART1、 USART2、 USART3

2.2 USART基本结构

• 写操作时：程序将数据写入发送数据寄存器TDR，USART自动将数据转入发送移位寄存器并一位一位转换为电平信号发送。
  • 关键标志位，TXE空，表示发送数据寄存器空，可以写入下一个数据。
• 读操作时：RX引脚接收到电平信号，接受移位寄存器一位一位的接收信号转换为二进制数据，一个字节完成接收后，USART自动将数据转入接收数据寄存器RDR。
  • 关键标志位：RXNE非空，表示接收寄存器非空，可以读取当前数据。
• 波特率发生器本质上为分频器，用于对时钟分频，得到收发波特率。
• 发送/接收控制器用于控制收发功能的使能/失能。
• 硬件流控制：用于避免丢弃/覆盖数据的现象，具体略。
• 配置流程：开启USART和GPIO的RCC时钟 → 配置GPIO → 配置USART → （如果需要接收的功能）配置USART中断和NVIC → 开关控制

2.3 起始位侦测与数据采样

• 为了每次采样都能够采样到每一帧数据电平的正中间，采样时钟以16倍的波特率对电平采样，即一帧数据采样16次。
• 起始位侦测：在采样出现0后，判断接下来16次的采样结果，每3次采样中至少有2次为0，则该帧为起始位，否则判定为噪声。
• 数据采样：每帧16次的采样时钟，选择位于中间的“8，9，10”次采样的结果作为该帧数据的值，存在噪声时，少数服从多数，并置噪声标志位为1。

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三、配置USART

'1. 开启USART/GPIO的RCC时钟'
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
'2. 配置GPIO'
// 需要配置TX引脚为复用推挽输出模式，RX引脚为输入模式（浮空/上拉）
// GPIO功能表中，GPIOA的PA9口为USART1_TX脚，PA10为USAR1T_RX脚
'3. 配置USART'
// 一般使用“8位数据位长度，无校验”或“9位数据位长度，奇/偶校验”的组合
USART_InitTypeDef* USART_InitStructure;				// 定义结构体变量
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;			// 配置波特率
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;// 硬件流控制
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;		// 串口模式，如果Tx/Rx都需要使用，则写入USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;	// 校验位选择，选择无/奇/偶校验
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;		// 停止位长度选择，可选0.5/1/1.5/2位的停止位
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;	// 数据位长度，可选8/9位
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
'4. （如果需要Rx接收的功能）配置USART中断和NVIC'
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);		// 开启RXNE标志位中断控制 
// NVIC配置略，见EXTI
'5. 开关控制'
USART_Cmd(USART1, ENABLE);
'补充1：典型发送数据函数编写'
void SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendByte(USART1, Byte);		
			// 写入数据寄存器以发送数据
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);		
			// 等待TXE发送数据寄存器空标志位置1，表示数据发送完成，该标志位会自动清零
}
'补充2：典型接收数据函数编写'
// 接收数据有两种方法：查询和中断
// 查询即一直判断RXNE标志位是否置1，置1后读取DR寄存器。
// 但一直判断标志位的过程程序无法进行其他工作，因此不常用，一般使用中断方法。
// 中断方法：配置好中断和NVIC后，在编写中断函数读取数据寄存器即可
uint8_t RxData;
void USART1_IRQHandler(viod)
{
	if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)	// 判断中断标志位是否置1
	{
		RxData = USART_ReceiveData(USART1);
		USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);		
			// 清除中断标志位，此处其实读取DR后会自动清除，但手动再清一下也没事 
	}
}

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四、USART常用库函数

void USART_DeInit(USART_TypeDef* USARTx);
		// 复位函数
void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);
		// USART初始化函数
void USART_StructInit(USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);
		// 结构体初始化函数
void USART_Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);
		// 开关控制函数
void USART_ITConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT, FunctionalState NewState);
		// 中断控制函数
void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);
		// 写入数据寄存器
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);
		// 读取数据寄存器
FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
		// 获取标志位
void USART_ClearFlag(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
		// 清除标志位
ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);
		// 获取中断标志位
void USART_ClearITPendingBit(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);
		// 清除中断标志位
'其他函数都用于USART的其他各种功能模式，用的不多'
void USART_ClockInit(USART_TypeDef* USARTx, USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct);
void USART_ClockStructInit(USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct);
		// 以上两个函数用于配置同步模式时的时钟
void USART_DMACmd(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_DMAReq, FunctionalState NewState);
		// 用于开启USART到DMA的通道
'略'

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五、数据包

• 在传输多字节数据时，将数据分组，并以规定一定的格式“打包”，以“数据包”为单位进行收发数据可以防止出现数据错位现象。
• 通常，可以设置固定的数据作为“包头”/“包尾”，可以设置每个数据包的长度为固定/不固定。不同形式排列组合使用有不同效果。
• 发送数据：把数据按照规定的格式“打包”成数组/结构体，指针依次指向每个成员发送即可。
• 接收数据：接收到数据后需要根据不同的状态判断该数据为“包头”/“包尾”/“内容”
  • 状态机：在不同状态执行不同的操作，并且能够进行状态的转移。
    

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六、补充

printf函数的移植方法

• MDK5中，魔术棒→Target→勾选Use MicroLIB
• 重定向，因为printf默认是输出至屏幕，需要改为输出至串口
  • 头文件加上#include
  • 编写函数：

    int fputc(int ch, FILE *f)
    {
    	SendByte(ch);
    	return ch;
    } 
    

• 此时直接使用printf打印，就会输出至串口

也可以使用sprintf函数打印

• sprintf函数可以指定打印位置，将数据打印至一个字符串中，然后通过编写的串口发送函数发送该字符串即可。
• 封装sprintf，略（sprintf为可变参数函数）

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Reference
STM32入门教程-2023版(江科大)

数据包代码实例：视频[9-5]
FlyMcu使用介绍：视频[9-6]