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STM32F103 串口通信Uart、Usart基础+代码练习

STM32F103 Uart和Usart（串口通信）

一、串行通信的通信方式

  1. 同步通信：带时钟同步信号传输，有一根线是同步时钟。例如SPI（全双功）、IIC（半双工）通信接口
  2. 异步通信：不带时钟同步信号，必须约定好波特率。例如UART（全双功）

二、STM32的串口通信接口

USART：通用同步异步收发器（Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter）可以灵活地与外部设备进行全双工数据交换。USART 支持使用 DMA，可实现高速数据通信

UART：通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter）。是在 USART 基础上裁剪掉了同步通信功能，只有异步通信。

USART功能框图

功能引脚：

  1. TX：发送数据输出引脚。
  2. RX：接收数据输入引脚。
  3. SW_RX：数据接收引脚，只用于单线和智能卡模式，属于内部引脚，没有具体外部引脚。
  4. nRTS：请求以发送(Request To Send)，n 表示低电平有效。如果使能 RTS 流控制，当USART 接收器准备好接收新数据时就会将 nRTS 变成低电平；当接收寄存器已满时，nRTS 将被设置为高电平。该引脚只适用于硬件流控制。
  5. nCTS：清除以发送(Clear To Send)，n 表示低电平有效。如果使能 CTS 流控制，发送器在发送下一帧数据之前会检测 nCTS 引脚，如果为低电平，表示可以发送数据，如果为高电平则在发送完当前数据帧之后停止发送。该引脚只适用于硬件流控制。
  6. SCLK：发送器时钟输出引脚。这个引脚仅适用于同步模式。

三、STM32F10x系列包含3个USART和2个UART。

  1. USART1 和时钟来源于 APB2 总线时钟，其最大频率为 72MHz。
  2. 其他四个的时钟来源于 APB1 总线时钟，其最大频率为 36MHz，UART 只是异步传输功能，所以没有 SCLK、nCTS 和 nRTS 功能引脚。

四、常用串口相关寄存器

1.USART_SR状态寄存器：里面一些相关位可以用来判断是否发送接收完成等。

2.USART_DR数据寄存器：通过读写这个寄存器来发送接收数据

  1. USART 数据寄存器(USART_DR)只有低 9 位有效，并且第 9 位数据是否有效要取决于USART 控制寄存器 1(USART_CR1)的 M 位设置，当 M 位为 0 时表示 8 位数据字长，当 M位为 1 表示 9 位数据字长，我们一般使用 8 位数据字长。

  2. USART_DR 包含了已发送的数据或者接收到的数,USART_DR 实际是包含了两个寄存器，一个专门用于发送的可写 TDR，一个专门用于接收的可读 RDR。当进行发送操作时，往 USART_DR 写入数据会自动存储在 TDR 内；当进行读取操作时，向 USART_DR读取数据会自动提取 RDR 数据。

  3. TDR 和 RDR 都是介于系统总线和移位寄存器之间。串行通信是一个位一个位传输的，发送时把 TDR 内容转移到发送移位寄存器，然后把移位寄存器数据每一位发送出去，接收
    时把接收到的每一位顺序保存在接收移位寄存器内然后才转移到 RDR。

  4. USART_BRR波特率寄存器：

    波特率指数据信号对载波的调制速率，它用单位时间内载波调制状态改变次数来表示，单位为波特。比特率指单位时间内传输的比特数，单位 bit/s(bps)。对于 USART 波特率与比特率相等，以后不区分这两个概念。波特率越大，传输速率越快

  5. USART 的发送器和接收器使用相同的波特率。

    波特率计算公式：

<aside>
🔥 fPLCK/(16**USARTDIV);
USARTDIV=72000000/(115200*16)=39.0625。

fPLCK 为 USART 时钟， USARTDIV 是一个存放在波特率寄存器(USART_BRR)。的一个无符号定点数。

DIV_Fraction=16*0.0625=1=0X01；（小数部分）

DIV_Mantissa=39=0X27；（整数部分）

从而得到USART_BRR波特率寄存器的值为0X0271，这就是115200的波特率对应的寄存器值。

</aside>

五、USART 初始化结构体详解

初始化结构体定义在 stm32f10x_usart.h 文件中，初始化库函数定义在 stm32f10x_usart.c 文件中，编程时我们可以结合这两个文件内注释使用。

USART 初始化结构体（异步）

1 typedef struct {
2 uint32_t USART_BaudRate; // 波特率
3 uint16_t USART_WordLength; // 字长
4 uint16_t USART_StopBits; // 停止位
5 uint16_t USART_Parity; // 校验位
6 uint16_t USART_Mode; // USART 模式
7 uint16_t USART_HardwareFlowControl; // 硬件流控制
8 } USART_InitTypeDef;
  1. USART_BaudRate：波特率设置。一般设置为 2400、9600、19200、115200。标准库函数会根据设定值计算得到 USARTDIV 值，从而设置 USART_BRR 寄存器值。
  2. USART_WordLength：数据帧字长，可选 8 位或 9 位。它设定 USART_CR1 寄存器的 M 位的值。如果没有使能奇偶校验控制，一般使用 8 数据位；如果使能了奇偶校验则一般设置为 9 数据位
  3. USART_StopBits：停止位设置，可选 0.5 个、1 个、1.5 个和 2 个停止位，它设定USART_CR2 寄存器的 STOP[1:0]位的值，一般我们选择 1 个停止位。
  4. USART_Parity :奇偶校验控制选择 ,可 选 USART_Parity_No( 无校验 ) 、USART_Parity_Even( 偶校验 ) 以 及 USART_Parity_Odd( 奇 校 验 ) ， 它 设 定USART_CR1 寄存器的 PCE 位和 PS 位的值。
  5. USART_Mode：USART 模式选择，有 USART_Mode_Rx 和 USART_Mode_Tx，允许使用逻辑或运算选择两个，它设定 USART_CR1 寄存器的 RE 位和 TE 位
  6. USART_HardwareFlowControl：硬件流控制选择，只有在硬件流控制模式才有效，
    可选有⑴使能 RTS、⑵使能 CTS、⑶同时使能 RTS 和 CTS、⑷不使能硬件流。

USART 时钟初始化结构体（同步情况）

当使用同步模式时需要配置 SCLK 引脚输出脉冲的属性，标准库使用一个时钟初始化结构体 USART_ClockInitTypeDef 来设置，该结构体内容也只有在同步模式才需要设置。

USART 时钟初始化结构体

1 typedef struct {
2 uint16_t USART_Clock; // 时钟使能控制
3 uint16_t USART_CPOL; // 时钟极性
4 uint16_t USART_CPHA; // 时钟相位
5 uint16_t USART_LastBit; // 最尾位时钟脉冲
6 } USART_ClockInitTypeDef;

  1. USART_Clock：同步模式下 SCLK 引脚上时钟输出使能控制，可选禁止时钟输出(USART_Clock_Disable)或开启时钟输出(USART_Clock_Enable)；如果使用同步模式发送，一般都需要开启时钟。它设定 USART_CR2 寄存器的 CLKEN 位的值。

  2. USART_CPOL：同步模式下 SCLK 引脚上输出时钟极性设置，可设置在空闲时SCLK 引脚为低电平(USART_CPOL_Low)或高电平(USART_CPOL_High)。它设定USART_CR2 寄存器的 CPOL 位的值。

  3. USART_CPHA：同步模式下 SCLK 引脚上输出时钟相位设置，可设置在时钟第一个变化沿捕获数据(USART_CPHA_1Edge)或在时钟第二个变化沿捕获数据。它设定USART_CR2 寄存器的 CPHA 位的值。USART_CPHA 与 USART_CPOL 配合使用可以获得多种模式时钟关系。

  4. USART_LastBit：选择在发送最后一个数据位的时候时钟脉冲是否在 SCLK 引脚输出 ,可以是不输出脉冲(USART_LastBit_Disable) ,输出脉冲(USART_LastBit_Enable)。它设定 USART_CR2 寄存器的LBCL 位的值。

  5. 下面是必要配置

    //使能串口
void USART_Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);
//使能相关中断
void USART_ITConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT, FunctionalState NewState);
//发送数据串口
void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);
//从串口接收数据
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);
//获取状态标志位
FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
//清除状态标志位
void USART_ClearFlag(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
//获取中断状态标志位
ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);
//清除中断状态标志位
void USART_ClearITPendingBit(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);

六、USART 实现开发板与电脑通信

要用到一个 USB 转USART 的 IC，我们选择 CH340G 芯片来实现这个功能，CH340G是一个USB总线的转接芯片，实现 USB 转
USART、USB 转 lrDA 红外或者 USB 转打印机接口，我们使用其 USB 转 USART 功能。

将 CH340G 的 TXD 引脚与 USART1 的 RX 引脚连接，CH340G 的 RXD 引脚与USART1 的 TX 引脚连接。CH340G 芯片集成在开发板上，其地线(GND)已与控制器的GND 连通。

USB 转串口硬件设计

编程分析：

  1. 使能 RX 和 TX 引脚 GPIO 时钟和 USART 时钟；
  2. 初始化 GPIO，并将 GPIO 复用到 USART 上；
  3. 配置 USART 参数；
  4. 配置中断控制器并使能 USART 接收中断；
  5. 使能 USART；
  6. 在 USART 接收中断服务函数实现数据接收和发送。

串口配置步骤：

  1. 串口时钟使能 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

  2. 串口复位（无需求可以不写）
    USART_DeInit（）;

  3. GPIO模式设置
    对GPIO口输入输出的设置

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;//复用推挽输入（相应引脚）

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输出（相应引脚）

  4. 串口初始化设置

    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

  5. 开启中断并且初始化NVIC

    NVIC_Init（）；

    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);

  6. 使能串口

    USART_Cmd(USART1, ENABLE);

  7. 编写中断处理函数

    void USART1_IRQHandler(void)

  8. 串口数据收发

    void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);

    uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);

  9. 串口传输状态获取

    ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);

    void USART_ClearITPendingBit(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);

代码分析

  1. GPIO 和 USART 宏定义

    1 /**
2 * 串口宏定义，不同的串口挂载的总线和 IO 不一样，移植时需要修改这几个宏
3 */
4 
5 // 串口 1-USART1
6 #define DEBUG_USARTx USART1
7 #define DEBUG_USART_CLK RCC_APB2Periph_USART1
8 #define DEBUG_USART_APBxClkCmd RCC_APB2PeriphClockCmd
9 #define DEBUG_USART_BAUDRATE 115200
10 
11 // USART GPIO 引脚宏定义
12 #define DEBUG_USART_GPIO_CLK (RCC_APB2Periph_GPIOA)
13 #define DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd RCC_APB2PeriphClockCmd
14 
15 #define DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT GPIOA
16 #define DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN GPIO_Pin_9
17 #define DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT GPIOA
18 #define DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN GPIO_Pin_10
19 
20 #define DEBUG_USART_IRQ USART1_IRQn
21 #define DEBUG_USART_IRQHandler USART1_IRQHandler

    开发板中的 CH340G 的收发引脚默认通过跳帽连接到USART1，如果想使用其他串口，可以把 CH340G 跟 USART1 直接的连接跳帽拔掉，然后再把其他串口的 IO 用杜邦线接到 CH340G 的收发引脚即可.

    用 USART1，设定波特率为 115200，选定 USART 的 GPIO 为 PA9 和 PA10

  2. 嵌套向量中断控制器 NVIC 配置

    1 static void NVIC_Configuration(void)
2 {
3 NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
4 
5 /* 嵌套向量中断控制器组选择 */
6 NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
7 
8 /* 配置 USART 为中断源 */
9 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DEBUG_USART_IRQ;
10 /* 抢断优先级为 1 */
11 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
12 /* 子优先级为 1 */
13 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
14 /* 使能中断 */
15 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
16 /* 初始化配置 NVIC */
17 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
18 }
19

  3. USART 初始化配置

    1 void USART_Config(void)
2 {
3 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
4 USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
5 
6 // 打开串口 GPIO 的时钟
7 DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE);
8 
9 // 打开串口外设的时钟
10 DEBUG_USART_APBxClkCmd(DEBUG_USART_CLK, ENABLE);
11 
12 // 将 USART Tx 的 GPIO 配置为推挽复用模式
13 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN;
14 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
15 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
16 GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
17 
18 // 将 USART Rx 的 GPIO 配置为浮空输入模式
19 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN;
20 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
21 GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
22 
23 // 配置串口的工作参数
24 // 配置波特率
25 USART_InitStructure.USART_BaudRate = DEBUG_USART_BAUDRATE;
26 // 配置 针数据字长
27 USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
28 // 配置停止位
29 USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
30 // 配置校验位
31 USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;
32 // 配置硬件流控制
33 USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl =
34 USART_HardwareFlowControl_None;
35 // 配置工作模式，收发一起
36 USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
37 // 完成串口的初始化配置
38 USART_Init(DEBUG_USARTx, &USART_InitStructure);
39 
40 // 串口中断优先级配置
41 NVIC_Configuration();
42 
43 // 使能串口接收中断
44 USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE, ENABLE);
45 
46 // 使能串口
47 USART_Cmd(DEBUG_USARTx, ENABLE);
48 }

    程序用到 USART 接收中断，需要配置 NVIC，这里调用 NVIC_Configuration 函数完成配置。配置完 NVIC 之后调用 USART_ITConfig 函数使能 USART 接收中断。

  4. 字符发送

    1 /***************** 发送一个字符 **********************/
2 void Usart_SendByte( USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t ch)
3 {
4 /* 发送一个字节数据到 USART */
5 USART_SendData(pUSARTx,ch);
6 
7 /* 等待发送数据寄存器为空 */
8 while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
9 }
10 
11 /***************** 发送字符串 **********************/
12 void Usart_SendString( USART_TypeDef * pUSARTx, char *str)
13 {
14 unsigned int k=0;
15 do {
16 Usart_SendByte( pUSARTx, *(str + k) );
17 k++;
18 } while (*(str + k)!='\0');
19 
20 /* 等待发送完成 */
21 while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx,USART_FLAG_TC)==RESET) {
22 }
23 }

    通过使用 USART_GetFlagStatus 函数来获取 USART事件标志来实现发送完成功能等待，它接收两个参数，一个是 USART，一个是事件标志。

  5. USART 中断服务函数

    1 void DEBUG_USART_IRQHandler(void)
2 {
3 uint8_t ucTemp;
4 if (USART_GetITStatus(DEBUG_USARTx,USART_IT_RXNE)!=RESET) {
5 ucTemp = USART_ReceiveData( DEBUG_USARTx );
6 USART_SendData(USARTx,ucTemp);
7 }
8 
9 }

    USART_GetITStatus 函数与 USART_GetFlagStatus 函数类似用
    来获取标志位状态，但 USART_GetITStatus 函数是专门用来获取中断事件标志的，并返回该标志位状态。

  6. 主函数

    1 int main(void)
2 {
3 /*初始化 USART 配置模式为 115200 8-N-1，中断接收*/
4 USART_Config();
5 
6 Usart_SendString( DEBUG_USARTx,"这是一个串口中断接收回显实验\n");
7
8 while (1) {
9 
10 }
11 }

    要调用 USART_Config 函数完成 USART 初始化配置，包括 GPIO 配置，USART 配置，接收中断使能等等信息

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