代码收藏家技术教程 2024-02-24

STM32 USART入门指南：学习USART通信的基础知识

对于刚开始涉足STM32微控制器编程的初学者来说，掌握其通用同步/异步接收/发送器（USART）功能是一项基本且必要的技能。USART在嵌入式系统中广泛用于串行通信。本指南旨在简明扼要地介绍USART的基础概念和基本步骤，并提供一个简单的示例来帮助初学者快速入门。

USART简介

USART是一种串行通讯接口，它支持同步和异步通信。在STM32微控制器中，USART是一个非常灵活的功能模块，可以在多种通信标准下工作，如RS232、RS485、LIN和IrDA。

串口通信过程简介

想象一下，有两个设备要通过串口线进行通信。我们称它们为设备A（发送方）和设备B（接收方）。
设备准备：开始时，设备A和设备B都设置了相同的波特率。这就像是它们同意按相同的节奏跳舞，确保彼此步调一致。
开始传输：设备A想要发送一个字符，比如字母“A”。在ASCII码中，“A”对应的二进制是01000001。
打包数据：设备A将这个字符打包成一系列的信号。首先，它添加一个起始位（通常是一个0），然后是字母“A”的二进制表示，然后可能还有一个校验位，最后是停止位（通常是一个1）。
这个打包好的数据包看起来可能是这样的：
0 01000001 [校验位] 1
逐位发送：设备A通过串口线开始发信号，每次发送一位。按照先前设置的波特率，它准确地控制发送每个位的时间间隔。
信号传输：信号顺着串口线一路传到设备B。设备B按照相同的波特率接收这些信号。
接收数据：设备B首先检测到起始位，然后逐个接收数据位，并在最后读取停止位。如果启用了校验，它还会检查数据是否完好。
完成传输：一旦设备B读取了完整的信号，并且确认无误，它就知道它成功接收了一个字符。然后它就准备好接收下一个字符了。
在此过程中，如果波特率设置错误，或数据中有干扰导致错误，设备B可能会得到错误的字符。这就是波特率和准确的通信设置为何极其重要的原因。

配置USART

配置STM32上的USART（通用同步/异步接收/发送器）功能需遵循以下步骤：
时钟配置：
首先，需要为相关的USART和GPIO时钟使能。通过RCC（Reset and Clock Control）可以配置这些时钟。例如，如果使用的是USART1，通常需要使能它的时钟以及连接到它的GPIO端口时钟。

GPIO配置：
接下来配置GPIO，将涉及到的针脚设置为USART TX（发送）和RX（接收）功能。在STM32中，大多数GPIO针脚可被配置为多种模式，包含USART复用功能。

USART配置：
设置USART的基本通信参数，包括：
        波特率（Baud rate）：例如9600、115200等。
        字长（Word length）：数据位长度，如8位、9位。
        停止位（Stop bits）：常见有1位停止位或2位停止位。
        校验位（Parity）：可选无校验、奇校验或偶校验。
        流控（Flow control）：可选无、硬件（RTS/CTS）或软件（XON/XOFF）流控。
这些参数可以通过USART_Init函数设置在STM32标准固件库或HAL库中。

中断配置（可选）：
如果计划使用中断来管理USART通信，需要配置USART中断并在NVIC中使能它们。这涉及到编写ISR（Interrupt Service Routine中断服务程序）以及在NVIC中设置优先级和使能中断。

使能USART：
最后，初始化过程中，在配置完所有必要的参数后，使能USART模块。

数据发送和接收

发送数据：要发送数据，可以将数据写入USART的数据寄存器，然后等待发送缓冲区(USART_FLAG_TXE)为空，即可发送下一个数据。
接收数据：接收数据时，要检查接收数据寄存器(USART_FLAG_RXNE )非空标志位，当接收到数据时，从数据寄存器读取数据即可。

// 如果收到数据
    if(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) != RESET)
    {
      // 从USART1读取数据并回显
      char data = USART_ReceiveData(USART1);
      USART_SendData(USART1, data);
      while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    }

USART_FLAG_RXNE（接收缓冲区非空标志）和USART_FLAG_TXE（发送缓冲区空标志）是USART通信中两个很重要的状态标志，它们存在于USART的状态寄存器中，用于指示USART某些事件的状态。

USART_FLAG_RXNE (Read data register not empty):

当接收到数据，接收数据寄存器非空时，该标志位被置1。
这意味着至少有一个数据可以被读取。
在轮询模式下可以检查这个标志位，如果置位，则可以通过USART_ReceiveData()函数读取数据。
如果启用了接收中断（通过USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE)），当USART_FLAG_RXNE置位时将触发中断。

USART_FLAG_TXE (Transmit data register empty):

发送数据寄存器为空时，该标志位被置1。
这表示可以将新数据写入发送数据寄存器。
在发送数据时，可以检查这个标志位，确保发送数据寄存器为空，然后通过USART_SendData()函数发送下一个数据。
如果启用了发送中断（通过USART_ITConfig(USART1, USART_IT_TXE, ENABLE)），当USART_FLAG_TXE置位时将触发中断。
在实际应用中，这两个标志位常常用于轮询方式或中断方式的数据发送和接收，以保证USART通信的正确性和效率。

实际操作示例

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_usart.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"
void USART1_Init(void);
int main(void)
{
  // 系统时钟初始化
  SystemInit();
  // 初始化USART1
  USART1_Init();
  // 主循环
  while(1)
  {
    // 如果收到数据
    if(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) != RESET)
    {
      // 从USART1读取数据并回显
      char data = USART_ReceiveData(USART1);
      USART_SendData(USART1, data);
      while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    }
  }
}
void USART1_Init(void)
{
  // 各种外设时钟使能
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
  // GPIOA 9和10为TX和RX初始化
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; // PA9作为USART1的TX
  GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽输出
  GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10; // PA10作为USART1的RX
  GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  // USART1初始化设置
  USART_InitTypeDef USART_InitStruct; 
  USART_InitStruct.USART_BaudRate = 9600;
  USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
  USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
  USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;
  USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
  USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
  USART_Init(USART1, &USART_InitStruct);
  // 使能USART1
  USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}