STM32速成笔记(5)—串口通信

一、什么是串口通信

串口通信是指外部设备与主控芯片之间，通过数据信号线、地线等，按位进行数据传输的一种通信方式，属于串行通信方式。串行通信是指使用一条数据线依次逐位传输数据，每一位数据占据固定长度的时间。可以看一下简单的串行通信示意图。

串口通信示意图

二、串口通信有什么用

这里简单列举一下串口通信的用途

• • 下载程序

• • 外设与单片机通信 单片机给外设发送一些指令或者配置信息，外设给单片机回传一些信息。

• • 打印信息 比如将ADC采集到的电压发送给上位机的串口调试助手，或者实时监测某一个变量的变化。

  三、STM32的串口通信

  普中核心板上使用的STM32F103ZET6有三个USART，两个UART，他们都支持串口通信功能。USART（通用同步异步收发器）与UART（通用异步收发器）相比，多了一个同步功能，可以认为USART是UART的增强型。

  四、串口通信相关概念

  44.1 波特率

  引用专业的说法，波特率表示单位时间内传送的码元符号的个数，它是对符号传输速率的一种度量。其实意思就是波特率表示1s内传输码元的个数。在单片机中数字都是二进制的01表示的，所以波特率可以说是1s内传输01的个数。常见的波特率有38400、9600和115200等。

波特率通常由波特率发生器产生，串口要想实现收发首先要有波特率发生器，网上介绍波特率发生器的作用是输入时钟转换出需要的波特率CLK。个人理解，波特率发生器就是提供一个时钟，这样才能发送出正确波特率的信息，比如1和0需要多久的高/低电平表示。

在串口通信时如果收发双方波特率不相同会导致通信失败，要么是接收不到，要么是接收到的是乱码。

4.2 全双工和半双工

• • 全双工可以简单解释为，我在接收消息的同时，你也可以发送消息。
• • 半双工可以简单解释为，我在接收消息时，没办法发送消息。类似于对讲机，你说话时占用了信道，对方无法跟你讲话，只有当你说完了，他才可以对你讲话。

4.3 同步通信和异步通信

同步通信和异步通信的区别在于通信双方是否需要时钟同步。同步通信的接收双方之间除了需要数据线之外，还需要一根时钟线，而异步通信不需要。关于二者的详细定义与区别，请大家自行搜索。

五、硬件连接

串口通信只需几条线即可在两个系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的通信，常用的串口通信接口标准有很多，比如RS-232C、RS-232、RS-485等。但是放在单片机开发里，最简单的串口通信就是用四根线VCC、GND、TXD和RXD实现通信。

串口通信硬件连接示意图

普中核心板上常用的是USART1，其引脚对应如下

• • TXD——PA9

• • RXD——PA10

  六、串口通信程序配置

  下面以配置USART1为例，来简单展示一下USART的配置方法。

  66.1 使能串口时钟和GPIO时钟

// 使能USART1，GPIOA时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd (RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

6.2 初始化GPIO

初始化USART1用到的GPIO。TXD引脚设置为复用推挽式输出，RXD引脚设置为输入浮空。

// USART1_TX   GPIOA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;   // PA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;   // 复用推挽输出
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);   // 初始化GPIOA.9

    // USART1_RX   GPIOA.10初始化
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;   // PA10
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;   // 输入浮空
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);   // 初始化GPIOA.10

6.3 初始化串口参数

库函数提供了一个结构体，用于初始化串口。其中包括

USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    
    // USART 初始化设置
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;   // 串口波特率
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;   // 字长为8位数据格式
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;   // 一个停止位
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;   // 无奇偶校验位
    // 无硬件数据流控制
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;   // 收发模式
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);   // 初始化串口1

6.4 使能串口

USART_Cmd(USART1, ENABLE);   // 使能串口1

6.5 串口接收中断

平时开发过程中经常需要开启串口接收中断，配置串口接收中断的方法与上一篇的外部中断有些类似，主要包括以下步骤

• • 配置中断分组（通常在main函数中初始化中配置）
• • 设置中断优先级
• • 使能中断

配置中断优先级

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    // Usart1 NVIC 配置
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;   // 抢占优先级3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;   // 子优先级3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   // IRQ通道使能
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);   // 根据指定的参数初始化VIC寄存器

使能串口接收中断

USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);   // 开启串口接收中断

6.6 串口接收中断服务函数

通常接收到的数据会是一帧，很少是一个单独的字符，这里给出一个接收一帧数据的串口中断服务函数。需要注意的是，在初始化串口时，需要使能空闲中断。

使能空闲中断的程序如下

USART_ITConfig(USART1, USART_IT_IDLE, ENABLE);   // 使能空闲中断

/*
 *==============================================================================
 *函数名称：USART1_IRQHandler
 *函数功能：USART1中断服务函数
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
 */
u32 gReceCount = 0;   // 接收计数变量
u32 gClearCount = 0;   // 清空接收数组计数变量
u8 gReceFifo[1500];   // 接收数组
u8 gReceEndFlag = 0;   // 接收完成标志位 

void USART1_IRQHandler(void)  
{
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)   //接收到一个字节  
    {
        gReceFifo[gReceCount++] = USART_ReceiveData(USART1);
    }
    else if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_IDLE) != RESET)   //接收到一帧数据
    {
        USART1- >SR;   // 先读SR
        USART1- >DR;   // 再读DR
        
        gReceEndFlag = 1;   // 接收完成标志置1 
    } 
}

接收完成后，接收完成标志位会置1。此时，对接收到的帧进行解析处理。解析完成后需要清除接收数组，同时，不要忘记清除接收完成标志位。

/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Uart_Rece_Pares
 *函数功能：解析串口接收内容
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
 */
void Uart_Rece_Pares(void)   // 串口接收内容解析函数
{
    if (gReceEndFlag  == 1)   // 如果接收完成
    {
        // 解析接收内容
        
        // 清空接收数组
        for (gClearCount = 0;gClearCount < gReceCount;gClearCount ++)
        {
            gReceFifo[gClearCount] = ' ';
        }
            
        gReceEndFlag = 0;   // 清除接收完成标志位
        gReceCount = 0;   // 清零接收计数变量
    }
}

6.7 串口发送函数

//串口发送函数
void USART1_Send(u8*str)
{
    u8 index=0;
    do
    {
        USART_SendData(USART1,str[index++]);
        while(USART1,str[index++]);
        while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) == RESET);
    }
    while(str[index]!=0);
}

其实这里最根本的USART_SendData()本质就是将数据搬运到串口发送的寄存器。当然除了直接用发送函数发送，也可以直接重定向之后用printf发送，这里就不详细介绍了，有需要的友友可以直接去看普中或者正点的教程视频。

七、拓展

7.1 printf重定向

关于重定向的概念这里就不再做介绍了，重定向之后就可以在程序中使用printf直接打印或者发送字符串，不再需要串口发送函数。重定向的方法就是在串口的.c文件中添加下面的程序

// 加入以下函数可以使用printf
#pragma import(__use_no_semihosting)             
// 标准库需要的支持函数                 
struct __FILE 
{ 
    int handle; 
}; 

FILE __stdout;       
//定义_sys_exit()以避免使用半主机模式    
void _sys_exit(int x) 
{ 
    x = x; 
} 
//重定义fputc函数 
int fputc(int ch, FILE *f)
{      
    while((USART1- >SR&0X40)==0);//循环发送,直到发送完毕   
    USART1- >DR = (u8) ch;      
    return ch;
}

7.2 接收帧解析

这里的接收帧解析比较简单，比如有些项目要求接收到某些特定字符执行某些操作。这时需要根据接收帧的长度和固定位置的字符来解析命令。

比如项目要求上位机（电脑）发送“BEEP ON”时，蜂鸣器响。这时在解析时只要接收到长度为6，第5和第6个字符分别为“O”，“N”时，开启蜂鸣器即可。

// 解析接收内容
if (gReceCount == 6 && gReceFifo[5] == 'O' && gReceFifo[6] == 'N')
{
   // 开启蜂鸣器
}

当然上面的只是粗略的卡命令，也可以写的更详细。

八、实战项目

8.1 前期准备

• • CH340驱动
• • USB转TTL，用于单片机与电脑的通信
• • 串口调试助手

刚买来的普中核心板，不拔短接片的话可以直接通过USB下载程序，或者与电脑进行串口通信，串口为USART1。注意一定要插图中标出来的USB接口，另一个只能用来供电。

串口通信跳线帽连接

8.2 项目要求

• • 单片机上电发送“Sys Ready!”

• • 电脑串口助手发送“LED1 ON”（带回车换行），LED1点亮，同时单片机回复“OK!”

• • 电脑串口助手发送“LED1 OFF”（带回车换行），LED2熄灭，同时单片机回复“OK!”

  88.3 串口程序

  8.3.1 初始化串口

  首先是串口初始化程序，需要开启接收中断和空闲中断。

/*
 *==============================================================================
 *函数名称：uart_init
 *函数功能：初始化USART1
 *输入参数：bound：波特率
 *返回值：无
 *备  注：可以修改成输入初始化哪个USART
 *==============================================================================
 */
void uart_init(u32 bound)
{
    // 相关结构体定义
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    // 使能USART1，GPIOA时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd (RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); 

    // USART1_TX   GPIOA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;   // PA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;   // 复用推挽输出
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);   // 初始化GPIOA.9

    // USART1_RX   GPIOA.10初始化
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;   // PA10
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;   // 浮空输入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);   // 初始化GPIOA.10  

    // Usart1 NVIC 配置
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;   // 抢占优先级3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;   // 子优先级3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   // IRQ通道使能
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);   // 根据指定的参数初始化VIC寄存器

    // USART 初始化设置
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;   // 串口波特率
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;   // 字长为8位数据格式
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;   // 一个停止位
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;   // 无奇偶校验位
    // 无硬件数据流控制
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;   // 收发模式
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);   // 初始化串口1
  
  USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);   // 开启串口接收中断
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_IDLE, ENABLE);   // 使能空闲中断
    
  USART_Cmd(USART1, ENABLE);   // 使能串口1 
}

其次需要加上重定向函数，直接复制上面的即可。

8.3.2 串口接收中断服务函数

/*
 *==============================================================================
 *函数名称：USART1_IRQHandler
 *函数功能：USART1中断服务函数
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
 */
u32 gReceCount = 0;   // 接收计数变量
u32 gClearCount = 0;   // 清空接收数组计数变量
u8 gReceFifo[1500];   // 接收数组
u8 gReceEndFlag = 0;   // 接收完成标志位 

void USART1_IRQHandler(void)  
{
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)   //接收到一个字节  
    {
        gReceFifo[gReceCount++] = USART_ReceiveData(USART1);
    }
    else if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_IDLE) != RESET)   //接收到一帧数据
    {
        USART1- >SR;   // 先读SR
        USART1- >DR;   // 再读DR
        
        gReceEndFlag = 1;   // 接收完成标志置1 
    } 
}

8.3.3 接收帧解析函数

/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Uart_Rece_Pares
 *函数功能：解析串口接收内容
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
 */
void Uart_Rece_Pares(void)   // 串口接收内容解析函数
{
    if (gReceEndFlag  == 1)   // 如果接收完成
    {
        // 解析接收内容
        if (gReceFifo[6] == 'N')
        {
            Med_Led_StateCtrl (LED1,LED_ON);   // 点亮LED1
            printf ("OK!rn");
        }
        
        if (gReceFifo[6] == 'F' && gReceFifo[7] == 'F')
        {
            Med_Led_StateCtrl (LED1,LED_OFF);   // 熄灭LED1
            printf ("OK!rn");
        }
        
        // 清空接收数组
        for (gClearCount = 0;gClearCount < gReceCount;gClearCount ++)
        {
            gReceFifo[gClearCount] = ' ';
        }
            
        gReceEndFlag = 0;   // 清除接收完成标志位
        gReceCount = 0;   // 清零接收计数变量
    }
}

8.3.3 main函数

int main(void)
{
    Med_Mcu_Iint();   // 系统初始化
    printf ("Sys Ready!rn");
    
    while(1)
  {
        Uart_Rece_Pares ();   // 接收帧解析
    }
}