STM32入门教程---USART串口协议

通信接口

• 通信的目的：将一个设备的数据传送到另一个设备，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；
  
• TX是数据发送脚，RX是数据接收脚；
• SCL是时钟，SDA是数据；
• SCLK是时钟，MOSI是主机输出数据脚，MISO是主机输入数据脚，CS是片选，用于指定通信的对象；
• CAN_H和CAN_L是差分数据脚，用两个引脚表示一个差分数据；
• DP和DM也是一对差分数据脚；

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• 全双工：指的是通信双方可以同时进行双向通信，一般全双工的通信都有两根通信线，发送线路和接收线路互不影响；
• 半双工：一般只有一根通信线，通信双方不能同时双向通信；
• 单工：数据只能从一个设备到另一个设备，不能反着来；

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• 单端电平：就是它们的引脚的高低电平都是对GND的电压差，所以单端信号通信的双方必须要共地，把GND连在一起；
• 差分电平：靠两个差分引脚的电压差来传输信号，在通信时可以不需要GND，可以极大提高抗干扰特性；

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• 多设备：相当于老师在教室里对所有同学讲话，需要有一个寻址的过程，以确定通信的对象；
• 点对点：相当于老师在办公室找你谈话，直接传输数据就可以；

串口通信

简介

• 串口是一种应用十分广泛的通信接口，串口成本低，容易使用，通信线路简单，可实现两个设备的互相通信；
• 单片机的串口可以使单片机与单片机、单片机与电脑、单片机与各式各样的模块互相通信，极大地扩展了单片机的应用范围，增强了单片机系统的硬件实力；

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）；
• TX和RX要交叉连接；
• 当只需单向的数据传输时，可以只接一根通信线；（变成单工的通信模式）
• 当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片；
  

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，串口常用的电平标准有如下三种：

1. TTL电平：+3.3V或+5V表示1,0V表示0；
2. RS232电平：-3~-15V表示1，+3 ~+15V表示0；
3. RS485电平：两线压差+2 ~ +6V表示1，-2 ~ -6V表示0（差分信号，抗干扰能力强）

【如果在做设备时需要其他电平，加电平转换芯片就可以了，在软件层面程序没有多大变化】

串口参数及时序

• 波特率：串口通信的速率，每秒传输码元的个数，规定了每隔多久发送一位；
• 比特率：每秒传输的比特数；

在二进制调制下，一个码元=一个比特，此时波特率=比特率；如果是多进制调制，波特率≠比特率；

• 起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平；
• 数据位：数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平，低位先行；
• 校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来；
  （奇校验和偶校验检出率只有一定程度，如果想要更高检出率，可以选择CRC校验）
• 停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平；

串口时序

USART外设

简介

• USART通用同步/异步收发器；
• USART是STM32内部集成的硬件外设，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；
• 自波特率发生器，其实就是个分频器，最高达4.5Mbits/s
• 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（无校验/奇校验/偶校验）
• 支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA（红外通信）、LIN（局域网的通信协议）
• STM32F103C8T6 USART资源：USART1、USART2、USART3；

USART框图

• TDR和RDR占用同一个地址，在程序上只表现为一个寄存器DR，TDR是只写的，RDR是只读的，进行写操作时，数据写入TDR，进行读操作时，数据从RDR读出；
• 发送移位寄存器：把一个字节的数据一位一位的移出去，当数据从TDR移动到发送移位寄存器时，会置一个标志位TXE（当TXE标志位置1时，说明数据从TDR移动到发送移位寄存器了，我们可以写入新的数据）
• 接收移位寄存器同理，在转移过程中，会置一个标志位RXNE，接收数据寄存器非空，当RXNE置1时，就可以把数据读取；
• 硬件数据流控：如果发送设备太快，接收设备来不及处理，就会出现丢弃或覆盖数据的现象；nRTS是请求发送，为输出脚，用于输出能不能接收的反馈信号；nCTS是清除发送，为输入脚，用于接收别人nRTS的信号；（n的意思是低电平有效，nRTS和nCTS也是交叉连接）
• SCLK：用于兼容别的协议和做自适应波特率；
• 唤醒单元：实现串口挂载多设备；
• TXE发送寄存器空，RXNE接收寄存器非空，是判断发送状态和接收状态的必要标志位；
• USARTDIV是一个数值，分有整数部分和小数部分，再除以16得到发送器时钟和接收器时钟，通向控制部分；若TE为1，即发送器使能，发送部分的波特率有效；若RE为1，即接收器使能，接收部分的波特率有效；

引脚定义表

USART基本结构

• 波特率发生器用于产生约定的通信速率，时钟来源PCLK2/1，经过波特率发生器分频后，产生的时钟通向发送控制器和接收控制器；
• 发送控制器和接收控制器用来控制发送移位和接收移位；
• 右移符号代表移位寄存器是往右移的，低位先行；
• 数据从数据寄存器转移到移位寄存器时，会置一个TXE标志位，通过判断该标志位就可以知道是不是可以写下一个数据；
• 接收寄存器类似；

数据帧

字长设置

配置停止位

起始位侦测

当输入电路侦测到一个数据帧的起始位之后，就会以一个波特率的频率，连续采样一帧数据，同时从起始位开始，采样位置就要对齐到位的正中间；

在起始位进行16次采样，其中第3、4、5、6、7次采样中每3位里面至少有2个0，8、9、10位里面每3位至少有2个0成立的话，就算检测到了标志位，然后后续数据的采样都是在第8,、9、10位进行采样，也就是数据的中间位置进行采样；

数据采样

如果8,9,10位的3位里面有1位是0/1，2位是1/0，就会在噪声标志位置1，表示有噪声；

波特率发生器

• 发送器和接收器的波特率由波特率寄存器BRR里的DIV确定；
• 计算公式：波特率=f_PCLK2/1/（16×DIV）；

数据模式

• HEX模式/十六进制模式/二进制模式：以原始数据的形式显示；
• 文本模式/字符模式：以原始数据编码后的形式显示

代码

串口发送

接线图

代码思路

1. 开启RCC时钟，把需要用的USART和GPIO的时钟打开；
2. GPIO初始化，把TX配置成复用输出，RX配置成输入；
3. 配置USART；
4. 开关控制，开启USART；
5. 如果还需要中断，配置NVIC；

库函数

• USART_DMACmd可以开启USART到DMA的触发通道；
• USART_SendData发送数据，写DR寄存器；
• USART_ReceiveData接收数据，读DR寄存器；
• 最后是四个与标志位相关的函数；

代码

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include 
#include 

void Serial_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
	
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendData(USART1, Byte);
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length)
{
	uint16_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Array[i]);
	}
}

void Serial_SendString(char *String)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; String[i] != '\0'; i ++)
	{
		Serial_SendByte(String[i]);
	}
}

uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{
	uint32_t Result = 1;
	while (Y --)
	{
		Result *= X;
	}
	return Result;
}

void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');
	}
}

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

void Serial_Printf(char *format, ...)
{
	char String[100];
	va_list arg;
	va_start(arg, format);
	vsprintf(String, format, arg);
	va_end(arg);
	Serial_SendString(String);
}

使用printf函数的移植方法：在工程选项中勾选Use MicroLIB，然后对printf进行重定向，即在头文件中加上 #include ，然后重写fputc函数，fputc函数是printf的底层；

打印中文，需要在工程选项的C/C++的杂项控制栏中写上--no-multibyte-chars，串口助手中译码方式选择UTF-8，就可以输出中文；

串口发送+接收

接线图

代码

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include 
#include 

uint8_t Serial_RxData;
uint8_t Serial_RxFlag;

void Serial_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
	
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
	
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
	
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendData(USART1, Byte);
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length)
{
	uint16_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Array[i]);
	}
}

void Serial_SendString(char *String)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; String[i] != '\0'; i ++)
	{
		Serial_SendByte(String[i]);
	}
}

uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{
	uint32_t Result = 1;
	while (Y --)
	{
		Result *= X;
	}
	return Result;
}

void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');
	}
}

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

void Serial_Printf(char *format, ...)
{
	char String[100];
	va_list arg;
	va_start(arg, format);
	vsprintf(String, format, arg);
	va_end(arg);
	Serial_SendString(String);
}

uint8_t Serial_GetRxFlag(void)
{
	if (Serial_RxFlag == 1)
	{
		Serial_RxFlag = 0;
		return 1;
	}
	return 0;
}

uint8_t Serial_GetRxData(void)
{
	return Serial_RxData;
}

void USART1_IRQHandler(void)
{
	if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)
	{
		Serial_RxData = USART_ReceiveData(USART1);
		Serial_RxFlag = 1;
		USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);
	}
}

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"

uint8_t RxData;

int main(void)
{
	OLED_Init();
	OLED_ShowString(1, 1, "RxData:");
	
	Serial_Init();
	
	while (1)
	{
		if (Serial_GetRxFlag() == 1)
		{
			RxData = Serial_GetRxData();
			Serial_SendByte(RxData);
			OLED_ShowHexNum(1, 8, RxData, 2);
		}
	}
}

总结

本节内容对应手册里的第25章USART