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USART串口协议

L1ve. • • 1年前 • 编程日记 • 阅读(24) • 违法举报

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

 

 全双工：指通信双方能够同时进行双向通信，一般来说，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：数据传输指数据可以在一个信号载体的两个方向上传输，但是不能同时传输；

单工：指数据只能从一个设备到另一个设备，不可以反着来；

时钟的作用：如果输出了一段高电平的波形，就是依靠时钟来判断波形是两个高电平信号还是一个高电平信号，即告诉接收方什么时候需要采集数据，I2C和SPI都有单独的时钟线，接收方可以在时钟信号的指引下进行采样，其他的没有时钟线，所以需要双方约定一个采样频率，为异步通信；

电平：单端：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都必须要共地，即把GND接在一起；差分：靠两个差分引脚的电压差来传输信号的，在通信时可以不需要GND，差分信号可以极大地提高抗干扰特性，所以差分信号的传输速度和距离都会非常高。

设备特性：多设备：可以在总线上挂载多个设备，还需要寻址的操作 ；点对点：两个设备直接传输数据；

串口

• 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
• 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）

 串口参数及时序

• 波特率：串口通信的速率（决定了每隔几秒发送一位数据）
• 起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平（产生下降沿，表示开始）
• 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
（即先发送数据的低位，由低位到高位输出）
• 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，效果不如CRC校验）
• 停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平（产生上升沿，表示结束，方便下一次的下降沿开始）

 

 USART简介

• USART （ Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter ）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
• 自带波特率发生器，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 、 LIN
•
• STM32F103C8T6 USART 资源： USART1 、 USART2 、 USART3

USART框图

引脚处只需要注意TX（发送）和RX（接收）引脚即可

 发送数据寄存器和接收数据寄存器共用一个地址DR的，TDR是只写的，RDR是只读的，当我们想要写入DR时，写入的是TDR，读出DR时，读出的是RDR。

发送移位寄存器工作方式：当我们给TDR写入一个数据时，此时硬件检测到写入数据了，就会检查当前移位寄存器是否有数据正在移位，如果没有，那么我们输入的数据就会立刻全部移动到发送移位寄存器中，准备发送，在数据从TDR移动到移位寄存器时，会置一个标志位TXE，发送寄存器空，我们就可以检查这个标志位，如果置1了，我们就可以给TDR写入下一个数据了。然后发送移位寄存器就会在发生器控制的驱动下，向右一位一位地把数据输出到TX引脚（低位先行），当移位完成后，新的数据就会再次自动地从TDR转移到发送移位寄存器中来；如果移位寄存器中的数据还未移位完成，那么TDR就会进行等待，一旦移位完成就会立马把数据转移过来。（双重缓存）

 接收移位寄存器同理。置的标志位位RXNE

SCLK：作用1可以兼容别的协议，作用2可以做自适应波特率

硬件数据流控制：用得少，不解释

唤醒单元：可以用来实现多设备通信的功能

波特率发生器部分：实际上就是分频器，USART1挂载在APB2，所以就是PCLK2的时钟，一般是72M，其他的USART都挂载在APB1，所以是PCLK1的时钟，一般是36M，之后这个时钟进行一个分频，除一个USARTDIV的分频系数，之后分频完之后再除个16，的带发送器时钟和接收器时钟，通向控制部分。如果TE为1，则发送部分的波特率有效，RE为1，则接收部分的波特率有效。

USART基本结构

数据帧

字长设置

停止位 

起始位侦测（排除噪声）（P26-25:36）

数据采样

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)

 

 DIV分为整数部分和小数部分，可以实现更细腻的分频

代码实操

串口发送

根据引脚定义，我们计划使用USART1的TX和RX引脚，所以要接到PA9和PA10上，注意接收脚和发送脚要交替相接；

介绍相关函数

老朋友

void USART_DeInit(USART_TypeDef* USARTx);
void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);
void USART_StructInit(USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);
void USART_Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);
void USART_ITConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT, FunctionalState NewState);

 配置同步时钟输出（时钟是否需要输出，时钟的极性相位等）

void USART_ClockInit(USART_TypeDef* USARTx, USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct);
void USART_ClockStructInit(USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct);

 开启USART到DMA的触发通道

void USART_DMACmd(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_DMAReq, FunctionalState NewState);

 发送数据和接收数据（即写DR寄存器和读DR寄存器）

void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);

 四个标志位函数（完成和中断）

FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
void USART_ClearFlag(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);
void USART_ClearITPendingBit(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);

按照下图流程编写初始化函数

1、开启时钟，把需要用到的USART和GPIO的时钟打开

	//开启时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

2、GPIO初始化，把TX配置成复用输出，RT配置成输入

	//GPIO
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	//TX是USART外设控制的输出脚，使用复用推挽输出
	//RX是USART外设数据输入表，使用输入模式
	//因为串口波形空闲状态时高电平，所以一般使用浮空输入或者上拉输入
	//此代码只需要发送
	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);

3、配置USART

	//USART
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	//波特率(直接写我们需要的波特率即可，函数可以帮我们算好相对应的分频系数
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
	//硬件流控制(只使用RTX或者CTX、或者不用、或者都用)
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	//USART模式(TX或者RX，当两者都想用时就可以使用|符号，类似GPIO选择两个引脚)
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;
	//校验(Odd奇校验，Even偶校验，No无)
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
	//停止位
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	//字长
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

4、开启开关（如果需要接收信息，还需要配置中，这样就需要再加上ITConfig和NVIC的代码）

	
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);

5、创建一个发送数据的函数

void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendData(USART1, Byte);
	//判断TDR的数据是否转移到移位寄存器
	//第二个参数：传输数据寄存器TDR空标志
	//在数据手册25.6.1中对TXE描述为再次对DR进行写操作时,即再次调用SendData函数时
	//标志位会自动置0，所以我们不用手动清零了
	while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
	
}

再在主函数中调用试一下

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


int main(void)
{
	OLED_Init();
	
	Serial_Init();
	
	Serial_SendByte(0x41);
	while(1)
	{
		
	}
}

得到

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

 当然我们仅有一个串口输出一个字节的数据是远远不够的，我们还可以封装其他用处的函数，例如发送一个数组，发送一个字符串，发送一个数字

发送一个数组

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

 这里调用了之前所定义的发送字节函数

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


int main(void)
{
	OLED_Init();
	
	Serial_Init();

	uint16_t Array1[] = {0x41, 0x42, 0x43, 0x44};
	Serial_SendArray(Array1, 4);
	while(1)
	{
		
	}
}

 发送字符串

void Serial_SendString(char *String)
{
	uint8_t i;
	//每个字符串都是以'\0'结尾的
	//且字符串的长度总比其看起来多一个字节'\0'
	for (i = 0; String[i] != '\0'; i ++)
	{
		Serial_SendByte(String[i]);
	}
}
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"


int main(void)
{
	OLED_Init();
	
	Serial_Init();

	Serial_SendString("Hello World!\r\n");
	while(1)
	{
		
	}
}

发送数字（无符号）

没想象中这么简单

uint32_t Serial_PowNum(uint16_t Num, uint8_t m)
{
	uint32_t Result = 1;
	while(m--)
	{
		Result *= Num;
	}
	return Result;
}

void Serial_SendNum(uint32_t Num, uint8_t Length)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		//这里是以字符的形式输出的
		//所以要加上'0'的一个偏移
		Serial_SendByte(Num / Serial_PowNum(10, Length - i - 1) % 10 + '0');
	}
}
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"


int main(void)
{
	OLED_Init();
	
	Serial_Init();

	Serial_SendNum(1234, 4);
	while(1)
	{
		
	}
}

这些函数的原理与OLED中的相关代码类似 

移植c中的printf函数

首先需要先打开MicroLIB（keil为嵌入式平台优化的一个精简库）

  如此写（在串口的.c文件中）

#include <stdio.h>
//重定向printf
int fputc(int ch, FILE *f)
{
	Serial_SendByte(ch);
	return ch;
}

为什么重定向fputc就可以移植printf函数为我们所用呢？这是因为printf函数是以fputc为底层，调用printf打印的过程就是不断的调用fputc这个函数来实现的，只要重定向了fputc就可以修改printf函数，与我们封装串口打印数组字符串类似，是以Serial_SendByte为底层的。

我们只需再在头文件中声明即可

#ifndef __SERIAL_H__
#define __SERIAL_H__

#include <stdio.h>

void Serial_Init(void);
void Serial_SendByte(uint8_t Byte);
void Serial_SendArray(uint16_t *Array, uint8_t Size);
void Serial_SendString(char *String);
void Serial_SendNum(uint32_t Num, uint8_t Length);

#endif

在主函数中调用

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


int main(void)
{
	OLED_Init();
	
	Serial_Init();
	
	printf("Num=%d\r\n", 666);
	while(1)
	{
		
	}
}

但是这样移植的话只能在串口1中使用，串口2就没法使用了，如何移植可以让多个串口使用移植的printf函数呢？

改善的方法1

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


int main(void)
{
	OLED_Init();
	
	Serial_Init();
	char String[100];
	//sprintf可以指定打印位置
	//这里是通过把内容打印到String中，然后再通过串口字符串输出来输出内容
	sprintf(String, "Num=%d\r\n", 666);
	Serial_SendString(String);
	
	while(1)
	{
		
	}
}

改善的方法2

因为方法1需要每次定义一个字符串，且这个字符串参数是不可变的

我们可以通过定义可变参数或者封装函数来改善移植printf函数的方法

知识盲区.....

#include <stdarg.h>
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);
}
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"

int main(void)
{
	OLED_Init();
	
	Serial_Init();
	Serial_Printf("\r\nNum4=%d", 444);
	Serial_Printf("\r\n");
	
	while (1)
	{
		
	}
}

显示汉字的方法

UTF8

先

然后串口助手选择文本编码为UTF8即可实现

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


int main(void)
{
	OLED_Init();
	
	Serial_Init();

	Serial_Printf("你好，世界");
	while(1)
	{
		
	}
}

总体

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>

void Serial_Init(void)
{
	//开启时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	//GPIO
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	//TX是USART外设控制的输出脚，使用复用推挽输出
	//RX是USART外设数据输入表，使用输入模式
	//因为串口波形空闲状态时高电平，所以一般使用浮空输入或者上拉输入
	//此代码只需要发送
	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
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	//波特率(直接写我们需要的波特率即可，函数可以帮我们算好相对应的分频系数
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
	//硬件流控制(只使用RTX或者CTX、或者不用、或者都用)
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	//USART模式(TX或者RX，当两者都想用时就可以使用|符号，类似GPIO选择两个引脚)
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;
	//校验(Odd奇校验，Even偶校验，No无)
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
	//停止位
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	//字长
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
	
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}
//发送一个字节的数据
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendData(USART1, Byte);
	//判断TDR的数据是否转移到移位寄存器
	//第二个参数：传输数据寄存器TDR空标志
	//在数据手册25.6.1中对TXE描述为再次对DR进行写操作时,即再次调用SendData函数时
	//标志位会自动置0，所以我们不用手动清零了
	while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

/**
  * @brief  发送一个数组
  * @param  Array：数组名字；Size：数组长度
  * @retval 无
  */
void Serial_SendArray(uint16_t *Array, uint8_t Size)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < Size; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Array[i]);
	}
}

/**
  * @brief  发送一个字符串
  * @param  String：字符串
  * @retval 无
  */

void Serial_SendString(char *String)
{
	uint8_t i;
	//每个字符串都是以'\0'结尾的
	//且字符串的长度总比其看起来多一个字节'\0'
	for (i = 0; String[i] != '\0'; i ++)
	{
		Serial_SendByte(String[i]);
	}
}

/**
  * @brief  辅助发送数字
  * @param  Num：底数；m：幂
  * @retval Num的m次方
  */

uint32_t Serial_PowNum(uint16_t Num, uint8_t m)
{
	uint32_t Result = 1;
	while(m--)
	{
		Result *= Num;
	}
	return Result;
}

/**
  * @brief  发送数字
  * @param  Num：数字； Length：数字的位数
  * @retval 无
  */

void Serial_SendNum(uint32_t Num, uint8_t Length)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		//这里是以字符的形式输出的
		//所以要加上'0'的一个偏移
		Serial_SendByte(Num / Serial_PowNum(10, Length - i - 1) % 10 + '0');
	}
}

//重定向printf
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);
}

串口输入和输出

在定义GPIO口时把Pin_10加上（上拉输入）

	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);

同时开启输入模式和输出模式

	//USART模式(TX或者RX，当两者都想用时就可以使用|符号，类似GPIO选择两个引脚)
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;

串口接收数据的方法有两种：

1、查询：即循环查询接收数据的标志位RXNE，当查询到标志位时，通过OLED显示出来；

实际工程不推荐使用，因为CPU一直在查询这件事上等着，不能进一步进行其他工作，所以不推荐使用。

2、中断：通过判断标志位RXNE的变化，当查询到标志位时，立即进入中断，通过OLED显示出来，不影响接下来程序的执行。

中断

配置NVIC

	//开启RXNE的标志位中断
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
	
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	//中断通道的选择、使能还是失能
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	//优先级(无所谓)
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

思路：先定义两个变量便于主函数获取串口接收到的数据

其一是存储接收值，其二是标志着接收值已经赋予了前者

通过中断判断RXNE标志位的变化，把串口值赋予RXData，然后再把RXFlag置1，提醒主函数已经把接收置赋予到定义的变量上了（其实可以直接对RXData加一个extern定义在.h文件中，然后就可以在主函数中直接访问这个变量的值即可,这样写可以不用自己写一个标志位，文章中写的方法是为了下一节做铺垫，因为这一节的代码只能接收一个字节的数据）

uint8_t Serial_RXFlag;//标志串口接收值已经赋予了RXData
uint16_t Serial_RXData;//存储串口接收值
//用于获取自建的标志位
uint8_t Serial_GetRXFlag(void)
{
	if (Serial_RXFlag == 1)
	{
		//检测标志位位1后立马清零
		//以便下次获取串口接收值
		Serial_RXFlag = 0;
		return 1;
	}
	return 0;
}

//获取串口接收到的值
uint16_t Serial_GEtRXData(void)
{
	return Serial_RXData;
}

//中断函数
void USART1_IRQHandler(void)
{
	if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)
	{
		//把接收到的值存储到变量中
		Serial_RXData = USART_ReceiveData(USART1);
		//每当串口接收到值，就把标志位置1，提醒主函数串口接收到了值
		Serial_RXFlag = 1;
		USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);
	}
}
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"

uint16_t Data;

int main(void)
{
	OLED_Init();
	
	Serial_Init();
	OLED_ShowString(1, 1, "SerialData:");
	while(1)
	{
		if(Serial_GetRXFlag()==1)
		{
			Data = Serial_GEtRXData();
            //在串口的输入区显示
			Serial_SendByte(Data);
			OLED_ShowHexNum(1, 12, Data, 2);
		}
	}
}

 文章来源地址https://uudwc.com/A/oLoPm

原文地址:https://blog.csdn.net/m0_74460550/article/details/133420251

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