代码收藏家 STM32 USART串口通信详解
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通信接口
通信接口是指连接中央处理器（CPU）和标准通信子系统之间的接口，用于实现数据和控制信息在不同设备之间的传输和交换。通信接口可以是硬件或软件实现，其目的是使不同设备之间能够进行有效地通信。
上图是常见的通用通信类型。
双工指的是接口能够实现双向数据传输，即可以同时进行发送和接收数据的功能。
半双工：数据在同一个通信信道上交替地进行双向传输，但不能同时进行发送和接收。发送方和接收方需要在不同时间段进行数据传输。
全双工：数据可以同时进行双向数据传输，发送方和接收方可以在同一时间段进行数据发送和接收。通信双方可以独立地进行发送和接收工作。
时钟是指在传输数据是否能达到同步传输。
同步传输：发送方和接收方之间使用一个共同的时钟信号来同步数据的传输。发送方根据时钟信号将数据按照固定的速率发送，接收方也按照相同的时钟信号来接收数据。
异步传输：数据的传输不依赖于共同的时钟信号，而是使用起始位、停止位和数据位之间的固定时间间隔进行同步。发送方会在发送数据之前先发送一个起始位作为同步信号，接收方通过检测起始位来确定数据的开始和结束。
电平是指传输信号时的电压信号形式。
单端传输：信号传输使用单个导线进行，信号的电压相对于某个参考电平变化来表示。这意味着信号只有一个极性，数据通过高低电平表示。在单端传输中，由于信号线未与其他导线耦合，容易受到电磁干扰的影响，可能导致信号质量的下降。
差分传输：信号的传输使用两个导线进行，信号通过两个相互补充的电压信号的差异来表示。差分传输具有很强的抗干扰能力，可以减少电磁干扰对信号的影响。
串口通信
串口是一种应用十分广泛的通讯接口，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；适用于近距离的通信。
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与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
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：
TTL电平：+3.3V或+5V表示1，0V表示0
RS232电平：-3~ -15V表示1，+3~ +15V表示0
RS485电平：两线压差+2~+6V表示1，-2 ~-6V表示0（差分信号）
参数
波特率：串口通信的速率，可以指定每秒传输的位数
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
常用奇偶校验位：通过在数据中添加一个附加位（校验位），以确保接收端可以检测到传输过程中的错误。
奇校验：如果数据位中1的个数为偶数，则校验位设置为1，使得数据位和校验位中的1的总和保持奇数。如果数据位中1的个数为奇数，那么校验位置0。
偶校验：如果数据位中1的个数为偶数，则校验位置0，使得数据位和校验位的总个数为偶数。如果数据位中1的个数为奇数，校验位置1 。
停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平
时序
输入不同的数据，显示不同的时序。
USART
通用同步异步收发器(USART)提供了一种灵活的方法与使用工业标准NRZ异步串行数据格式的外部设备之间进行全双工数据交换。 USART利用分数波特率发生器提供宽范围的波特率选择。
主要特性
1.全双工的，异步通信
2.分数波特率发生器系统
─ 发送和接收共用的可编程波特率，最高达4.5Mbits/s
3.可编程数据字长度(8位或9位)
4.可配置的停止位-支持1或2个停止位
5.校验控制
─ 发送校验位
─ 对接收数据进行校验
6.支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN
框图
先看左上角的接口处，TX与RX就是发送和接收的引脚，下面的三个接口是智能卡和IrDA通信的引脚。
发送脚就是通过发送移位寄存器送出去的，接收脚就是将接收数据送到接收移位寄存器的。
灰色部分就是串口的数据寄存器。有两个数据寄存器，一个用来发送数据，一个用来接收数据；在程序上，只表现为一个寄存器，它们寄存器共用地址进行存储。
当你进行写入操作时，数据就写到TDR，当你进行读取操作时，数据就从RDR进行读出。
下面是移位寄存器，作用是把一个字节的数据一位一位进行位移。
假设你在某时刻给TDR写入数据0x66，在二进制存储就是01100110，此时硬件会检测到你写入的数据，就会检查移位寄存器是否有数据正在移位，如果没有01100110就会立刻放入移位寄存器中，此时也会置出一个标志位TXE，发送寄存器为空；有了这个标志我们就可以在TDR再写入一个数据了。移位寄存器在发送器控制的情况下，将数据一位一位进行传输到TX引脚进行输出（低位先出），当数据全部移位后，新的数据就会再次从TDR转移到移位寄存器中来，如果移位寄存器还没有完成，那么TDR会等移位寄存器完成移位之后才将数据转移。有了TDR和移位寄存器双重缓存，可以保证数据发送时，数据帧之间没有空闲。
而接收部分也是同样的道理，接收移位寄存器由接收器控制，低位先放到移位寄存器的高位，随着数据的增加而右移，当移位寄存器数据达到一个字节后，传输给接收寄存器RDR,此时也会有一个标志位RXNE置1，意味着接收寄存器有数据了，我们可以对DR寄存器的数据进行读走。
接着看到下面，有一个硬件数据流控，如果发送设备发送太快，接收设备来不及处理，可以通过流控来控制传输的速度。
它有两个引脚，一个是nRTS，另一个是nCTS。
nRTS是请求发送，是输出脚，就是告诉别人，我当前能不能接收；
nCTS是清除发送，是输入脚，用于接收别人nRTS的信号；
接着看右边的SCLK，这是一个产生同步的时钟信号，它是配合发送移位寄存器输出的，发送移位寄存器每发送一次，同步时钟电平就跳变一个周期，时钟会告诉对方我已经移出去一个数据了，你看要不要让我这个时钟信号来指导你接收一下？当然这个时钟只支持输出，不支持输入，所以两个SWART不能实现同步的串口通信。
主要用途是兼容别的协议或者做自适应波特率。
接着看到中间的唤醒单元，这部分的作用是实现串口挂载多个设备。
中断控制，支持对标志位标志的地方进行中断。
最下面的波特率发生器部分，其实就是分频器，对APB时钟进行分频，得到发送和接收移位的时钟。
数据帧
字长可以通过编程USART_CR1寄存器中的M位，选择成8或9位(见图249)。在起始位期间， TX脚处于低电平，在停止位期间处于高电平。
发送器
发送器根据M位的状态发送8位或9位的数据字。当发送使能位(TE)被设置时，发送移位寄存器中的数据在TX脚上输出，相应的时钟脉冲在CK脚上输出。
USART支持多种停止位的配置： 0.5、 1、 1.5和2个停止位。
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 = fPCLK2/1 / (16 * DIV)
假设我们要输出波特率为9600，那么通过计算DIV=72M/16/9600=468.75
所以置于波特率寄存器中的值为468.75.
SWART串口发送与接收工程
OLED代码链接入口
接线方式：
发送时需要一个串口助手在电脑来显示内容，我们将实现STM32与电脑之间的数据传输。以STM32为主机。
Serial.h
#ifndef __SERIAL_H__
#define __SERIAL_H__
#include <stdio.h>
void Serial_Init();
void Serial_SendByte(uint8_t Byte);
void Serial_SendArray(uint8_t* Arr,uint8_t Lenth);
void Serial_SendString(char* String);
void Serial_SendNumber(uint32_t Number,uint8_t Lenth);
uint8_t Serial_GetRxFlag();
uint8_t Serial_GetRxData();
#endif
Serial.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
uint8_t Serial_RxData;
uint8_t Serial_RxFlag;
void Serial_Init()
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;//复用推挽
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; //上拉输入
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; //配置波特率
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None; //配置硬件流控模式
USART_InitStructure.USART_Mode=USART_Mode_Tx|USART_Mode_Rx; //串口模式
USART_InitStructure.USART_Parity=USART_Parity_No; //配置奇偶效验位
USART_InitStructure.USART_StopBits=USART_StopBits_1; //指定停止位数
USART_InitStructure.USART_WordLength=USART_WordLength_8b; //指定数据帧位数
USART_Init(USART1,&USART_InitStructure);
//配置usart开启中断
USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE);//中断源RXNE
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);
}
//发送字节
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
USART_SendData(USART1,Byte);
while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE)==RESET);
}
//发送数组
void Serial_SendArray(uint8_t* Arr,uint8_t Lenth)
{
uint8_t i;
for(i=0;i<Lenth;i++)
{
Serial_SendByte(Arr[i]);
}
}
//发送字符串
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 Lenth)
{
uint8_t i;
for(i=0;i<Lenth;i++)
{
Serial_SendByte(Number/Serial_Pow(10,Lenth-1-i)%10+'0');
}
}
//获取接收状态
uint8_t Serial_GetRxFlag()
{
if(Serial_RxFlag==1)
{
Serial_RxFlag=0;
return 1;
}
return 0;
}
//获取接收数据
uint8_t Serial_GetRxData()
{
return Serial_RxData;
}
void USART1_IRQHandler()
{
if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_RXNE)==SET)
{
Serial_RxData=USART_ReceiveData(USART1);
Serial_RxFlag=1;
USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE);
}
}
初始化输出需要配置复用功能，因为SWART为片上外设。
发送字节需要用TXE标志位来表示已经从DR寄存器发送到移位寄存器中。所以用到while来进行等待；
接收时，利用RNXE产生的标志位来产生中断，在中断函数中获取DR寄存器的数据。
main.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "Buzzer.h"
#include "Serial.h"
#include "OLED.h"
int main()
{
uint8_t Rxdata;
OLED_Init();
Serial_Init();
OLED_ShowString(1,1,"RxData:");
while(1)
{
if(Serial_GetRxFlag()==1)
{
Rxdata=Serial_GetRxData();
Serial_SendByte(Rxdata);
OLED_ShowHexNum(1,8,Rxdata,2);
}
}
}
串口收发数据包
连接方式：
利用连续的数据序列来对LED灯的亮灭进行控制；
Serial.h
#ifndef __SERIAL_H__
#define __SERIAL_H__
#include <stdio.h>
#include <string.h>
extern uint8_t Serial_RxFlag;
extern char Serial_RxPacket[];
void Serial_Init();
void Serial_SendByte(uint8_t Byte);
void Serial_SendArray(uint8_t* Arr,uint8_t Lenth);
void Serial_SendString(char* String);
void Serial_SendNumber(uint32_t Number,uint8_t Lenth);
void Serial_Printf(char* format,...);
#endif
Serial.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
char Serial_RxPacket[100];
uint8_t Serial_RxFlag;
void Serial_Init()
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;//复用推挽
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; //上拉输入
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; //配置波特率
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None; //配置硬件流控模式
USART_InitStructure.USART_Mode=USART_Mode_Tx|USART_Mode_Rx; //串口模式
USART_InitStructure.USART_Parity=USART_Parity_No; //配置奇偶效验位
USART_InitStructure.USART_StopBits=USART_StopBits_1; //指定停止位数
USART_InitStructure.USART_WordLength=USART_WordLength_8b; //指定数据帧位数
USART_Init(USART1,&USART_InitStructure);
//配置usart开启中断
USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE);//中断源RXNE
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);
}
//发送字节
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
USART_SendData(USART1,Byte);
while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE)==RESET);
}
//发送数组
void Serial_SendArray(uint8_t* Arr,uint8_t Lenth)
{
uint8_t i;
for(i=0;i<Lenth;i++)
{
Serial_SendByte(Arr[i]);
}
}
//发送字符串
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;
}
//发送数字
void Serial_SendNumber(uint32_t Number,uint8_t Lenth)
{
uint8_t i;
for(i=0;i<Lenth;i++)
{
Serial_SendByte(Number/Serial_Pow(10,Lenth-1-i)%10+'0');
}
}
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);
}
//串口接收中断（接收一位数据中断一次），接收数据包
void USART1_IRQHandler()
{
static uint8_t RxState=0; //获取当前状态
static uint8_t pRxPacket=0; //数据包有效位下标
if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_RXNE)==SET)
{
uint8_t RxData=USART_ReceiveData(USART1);
if(RxState==0)
{
if(RxData=='&'&& Serial_RxFlag==0)
{
RxState=1;
pRxPacket=0;
}
}
else if(RxState==1)
{
if(RxData=='\r')
{
RxState=2;
}
else
{
Serial_RxPacket[pRxPacket++]=RxData;
}
}
else if(RxState==2)
{
if(RxData=='\n')
{
RxState=0;
Serial_RxPacket[pRxPacket]='\0';
Serial_RxFlag=1;
}
}
USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE);
}
}
对于接收的数据包，利用了一种状态机的方式进行接收
通过包头和包尾对数据有效位进行保护，可以让一连串重复的数据可以找到数据位，避免找不到数据位的头的情况。
main.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "LED.h"
#include "Serial.h"
#include "OLED.h"
int main()
{
OLED_Init();
Serial_Init();
LED_Init();
OLED_ShowString(1, 1, "RxPacket:");
while(1)
{
if(Serial_RxFlag==1)
{
if(strcmp(Serial_RxPacket,"LED_ON")==0)
{
LED1_ON();
OLED_ShowString(2,1,"LED_ON_OK ");
Serial_SendString("LED_ON_OK");
}
else if(strcmp(Serial_RxPacket,"LED_OFF")==0)
{
LED1_OFF();
OLED_ShowString(2,1,"LED_OFF_OK ");
Serial_SendString("LED_OFF_OK");
}
else
{
OLED_ShowString(2,1,"ERROR_COMMAND");
Serial_SendString("ERROR_COMMAND");
}
Serial_RxFlag=0;
}
}
}
LED.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
void LED_Init(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2);
}
void LED1_ON(void)
{
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
}
void LED1_OFF(void)
{
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
}
void LED1_Turn(void)
{
if (GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1) == 0)
{
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
}
else
{
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
}
}
void LED2_ON(void)
{
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
}
void LED2_OFF(void)
{
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
}
void LED2_Turn(void)
{
if (GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_2) == 0)
{
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
}
else
{
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2);
}
}
LED.h
#ifndef __LED_H__
#define __LED_H__
void LED_Init();
void LED1_ON();
void LED1_OFF();
void LED1_Turn();
void LED2_ON();
void LED2_OFF();
void LED2_Turn();
#endif
