2021年10月13日 | STM32系统学习——USART（串口通信）

串口通信是一种设备间非常常用的串行通行方式，其简单便捷，大部分电子设备都支持。

一、物理层

常用RS-232标准，主要规定了信号的用途、通信接口以及信号的电平标准。

“DB9接口”之间通过串口信号线建立起连接，串口信号线使用”RS-232标准“传输数据信号，这些信号通过记过电平转换芯片转换成控制器能识别的TLL标准的电平信号，才能实现通信。

1.电平标准

可分为TTL标准以及RS-232标准。

常见的电子电路中常见TTL的电平标准，理想状态使用5V表示二进制逻辑1，0V表示逻辑0；而为了增加串口通信的远距离传输以及抗干扰能力，RS-232使用-15V表示逻辑1，+15V表示逻辑0。

因为控制器一般使用TTL电平标准，所以常常使用MA3232芯片将TTL以及RS-232电平的信号进行互相转换。

2.RS-232信号线

最初RS-232串口标准常用于计算机、路由与调制调节器（“猫”）之间通信，设备被分为数据终端设备DTE（计算机、路由）和数据通信设备DCE（调制调节器）。旧台式计算机，一般都有RS-232标准的COM口，也称DB9接口。

DB9信号线说明

公头标准接法，只要使用直通型串口线连接起来即可。

二、协议层

协议层中，规定了数据包的内容，它由起始位、主体数据、校验位以及停止位组成，通信双方的数据包格式要约定一致才能正常收发数据 。

1、波特率

异步通信中由于没有时钟信号，所以2个通信设备需约定好波特率，常见的有4800、9600、115200等。

2、通信的起始和停止信号

串口通信的一个数据包从起始信号开始，知道停止信号结束。数据包的起始信号由一个逻辑0的数据位表示，而数据包的停止信号可由0.5、1、1.5或2个逻辑1的数据位表示，只要双方约定一致即可。

3、有效数据

在数据包的起始位之后紧接着的就是要传输的主体数据内容，也称为有效数据，有效

数据的长度常被约定为 5、6、7或 8位长

4、数据校验

在有效数据之后，有一个可选的数据校验位。由于数据通信相对容易受到外部干扰导致传输数据出现偏差，可以在传输过程加上校验位来解决这个问题。校验方法有奇校验(odd)、偶校验(even)、0校验(space)、1校验(mark)以及无校验(noparity)。

奇校验要求有效数据和校验位中“1”的个数为奇数，比如一个 8 位长的有效数据为：01101001，此时总共有 4 个“1”，为达到奇校验效果，校验位为“1”，最后传输的数据将是 8 位的有效数据加上 1 位的校验位总共 9 位。

偶校验与奇校验要求刚好相反，要求帧数据和校验位中“1”的个数为偶数，比如数据帧：11001010，此时数据帧“1”的个数为 4 个，所以偶校验位为“0”。

0 校验是不管有效数据中的内容是什么，校验位总为“0”，1 校验是校验位总为“1”。

三、STM32的USART简介

通用同步异步收发器是一个串行通信设备，可以灵活的与外部设备进行全双工数据交换。

有别与USART，还有一个UART，它在USART基础上裁剪掉了同步通信功能，只有异步通信。简单区分同步和异步就是看通信时需不需要对外提供时钟输出，我们平时用的串口通信基本都是 UART。

串口通信一般是以帧格式传输数据，即一帧一帧传输，每帧包含有起始信号、数据信息、停止信息，可能还有校验信息。

USART 满足外部设备对工业标准 NRZ 异步串行数据格式的要求，并且使用了小数波特率发生器，可以提供多种波特率，使得它的应用更加广泛。USART 支持同步单向通信和半双工单线通信；还支持局域互连网络 LIN、智能卡(SmartCard)协议与 lrDA(红外线数据协会) SIR ENDEC规范。

USART支持使用 DMA，可实现高速数据通信。

四、USART功能框图剖析

下文结合图片看加深理解。

1、功能引脚

TX:发送数据输出引脚。

RX:接收。

SW_RX:数据接收引脚，属于内部引脚。

nRTS:请求以发送，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。

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。

SCLK:发送器时钟输出引脚。这个引脚仅适用于同步模式。

USART：下图是STM32F103VET6芯片的USART引脚

USART1的时钟来源于APB2总线时钟，最大频率为72MHZ，其他4个时钟来源于APB1总线时钟，最大频率36MHZ。UART只有异步传输功能，没有SCLK、nCTS和nRTS功能引脚。

2.数据寄存器

USART说数据寄存器(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。

USART_DR包含了已发送的数据或者接收到的数据。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。

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。

USART 支持 DMA 传输，可以实现高速数据传输。

3.控制器

USART有专门控制发送的发送器、控制接收的接收器，还有唤醒单元、中断控制等。

使用USART之前需要向USART_CR1寄存器的UE位置1使能USART，UE位用于开启供给串口的时钟。发送或者接收数据字长可选8或9位，由USARTT_CR1的M位控制。

1）发送器

当USART_CR1寄存器的发送使能位TE置1时，启动数据发送，发送移位寄存器的数据会在TX引脚输出，低位在前，高位在后。如果是同步模式SCLK也输出时钟信号。

一个字符帧发送需要3部分：起始位、数据帧、停止位。起始位是一个位周期的低电平，位周期就是每一位占用的时间 ；数据帧就是我们要发送的8或9位数据，数据是最低位开始传输的；停止位是一定时间周期的高电平。

停止位的时间长短可以通过USART控制寄存器2（USART_CR2）的STOP[1:0]位控制，可选0.5个、1个、1.5个、2个停止位。默认使用1个停止位。2个停止位适用于正常USART模式、单线模式和调制解调器模式。0.5和1.5个停止位用于智能卡模式。

当发使能位TE置1之后，发送器开始会发送一个空闲帧（一个数据帧长度的高电平），接下来就可以往USART_DR寄存器写入要发送的数据。在写入最后一个数据后，需等待USART状态寄存器（USART_SR）的TC位为1，表示数据传输完成。USART_CR1寄存器的TCIE位置1，则产生中断。

发送数据时，几个重要的标志位如下：

TE:发送使能。

TXE:发送寄存器为空，发送单个字节时使用。

TC:发送完成，发送多个字节数据时候使用。

TXIE:发送完成中断使能。

2）接收器

将CR1寄存器的RE位置1，使能USART接收，使得接收器在RX线开始搜索起始位。在确定起始位后，就根据RX线电平状态把数据存放在接收移位寄存器内。接收完成后就把接收移位寄存器的数据移到PDR内，并把USART_SR寄存器的RXNE位置。如果USART_CR2寄存器的RXNEIE置1可以产生中断。

接收数据时，几个重要的标志位如下：

RE: 接收使能。

RXNE:读数据寄存器非空。

RXNEIE:发送完成中断使能。

4.小数波特率生成

USART 的发送器和接收器使用相同的波特率。计算公式如下：

其中，f PLCK 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。其中 DIV_Mantissa[11:0]位定义 USARTDIV 的整数部分，DIV_Fraction[3:0]位定义 USARTDIV 的小数部分。

例如：DIV_Mantissa=24(0x18)，DIV_Fraction=10(0x0A)，此时 USART_BRR 值为0x18A；那么USARTDIV的小数位10/16=0.625；整数位24，最终USARTDIV的值为24.625。

如果知道 USARTDIV 值为 27.68，那么 DIV_Fraction=16*0.68=10.88，最接近的正整数为 11，所以 DIV_Fraction[3:0]为 0xB；DIV_Mantissa=整数(27.68)=27，即为 0x1B。

波特率的常用值有 2400、9600、19200、115200。下面以实例讲解如何设定寄存器值得到波特率的值。

我们知道 USART1 使用 APB2 总线时钟，最高可达 72MHz，其他 USART 的最高频率为 36MHz。我们选取 USART1 作为实例讲解，即 f PLCK =72MHz。为得到 115200bps 的波特率，此时：

115200 =72000000/(16 ∗ USARTDIV)

解 得 USARTDIV=39.0625 ， 可 算 得 DIV_Fraction=0.0625*16=1=0x01 ，DIV_Mantissa=39=0x27，即应该设置 USART_BRR 的值为 0x171。

5.校验控制

STM32F103系列控制器USART支持奇偶校验。使用校验位时，串口传输的长度将在8位数据帧上加上1位的校验位，总共9位，此时USART_CR1寄存器的M位需要设置位1，即9数据位。将USART_CR1寄存器的PCE位置1就可以启动奇偶校验控制，奇偶校验由硬件自动完成。启动了奇偶校验控制之后，发送数据帧时会自动添加校验位，接收数据自动验证校验位。接收数据时如果出现奇偶校验位验证失败，会将USART_SR寄存器的PE置1，并可以产生奇偶校验中断。

使用了奇偶校验控制位后，每个字符帧的格式变成了：起始位+数据帧+校验位+停止位。

6.中断控制

五、USART初始化结构体

初始化结构体的定义在stm32f10x_usart.h文件中，初始化库函数定义在stm32f10x_usart.c中。

USART初始化结构体

typedef struct {

 uint32_t USART_BaudRate; // 波特率

 uint16_t USART_WordLength; // 字长

 uint16_t USART_StopBits; // 停止位

 uint16_t USART_Parity; // 校验位

 uint16_t USART_Mode; // USART 模式

 uint16_t USART_HardwareFlowControl; // 硬件流控制

 } USART_InitTypeDef;

1）USART_BaudRate：波特率设置。标准库函数会根据设定值计算得到USARTDIV值，从而设置USART_BRR的寄存器值。

2）USART_WordLength：.数据帧字长，它设定USART_CR1寄存器M位的值。如果没有使能奇偶位校验控制，一般使用8数据位。

3）USART_StopBits停止位设置。

4）USART_Parity：奇偶校验控制选择。

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下才有效，可选有，使能RTS、使能CTS、同时使能RTS和CTS、不使用硬件流。

当使用同步模式，需配置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，该结构体内容只有在同步模式下才设置。

USART时钟初始化结构体

 typedef struct {

 uint16_t USART_Clock; // 时钟使能控制

 uint16_t USART_CPOL; // 时钟极性

 uint16_t USART_CPHA; // 时钟相位

 uint16_t USART_LastBit; // 最尾位时钟脉冲

 } 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。 ݶ

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。

六、USART1接发通信实验

USART 只需两根信号线即可完成双向通信，对硬件要求低，使得很多模块都预留USART 接口来实现与其他模块或者控制器进行数据传输，比如 GSM 模块，WIFI 模块、蓝牙模块等等。在硬件设计时，注意还需要一根“共地线”。

来编写一个程序实现开发板与电脑通信，在开发板上电时通过USART发送一串字符串给电脑，然后开发板进入中断接收等待状态，如果电脑有发送数据过来，开发板就会产生中断，我们在中断服务函数接收数据，并马上把数据返回发送给电脑。

1、编程思路

使能 RX和 TX 引脚 GPIO时钟和 USART时钟；

初始化 GPIO，并将 GPIO复用到 USART上；

配置 USART 参数；

配置中断控制器并使能 USART接收中断；

使能 USART；

在 USART接收中断服务函数实现数据接收和发送。

2、代码分析

1）GPIO和USART宏定义

 /**

 * 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

 */ 

 // 串口 1-USART1

 #define DEBUG_USARTx USART1

 #define DEBUG_USART_CLK RCC_APB2Periph_USART1

 #define DEBUG_USART_APBxClkCmd RCC_APB2PeriphClockCmd

 #define DEBUG_USART_BAUDRATE 115200 

 // USART GPIO 引脚宏定义

 #define DEBUG_USART_GPIO_CLK (RCC_APB2Periph_GPIOA)

 #define DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd RCC_APB2PeriphClockCmd 

 #define DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT GPIOA

 #define DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN GPIO_Pin_9

 #define DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT GPIOA

 #define DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN GPIO_Pin_10 

 #define DEBUG_USART_IRQ USART1_IRQn

 #define DEBUG_USART_IRQHandler USART1_IRQHandler

使用宏定义方便程序移植和升级 。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。

这里我们使用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

 static void NVIC_Configuration(void)

 {

 NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; 

 /* 嵌套向量中断控制器组选择 */

 NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

 /* 配置 USART 为中断源 */

 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DEBUG_USART_IRQ;

 /* 抢断优先级为 1 */

 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;

 /* 子优先级为 1 */

 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;

 /* 使能中断 */

 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;

 /* 初始化配置 NVIC */

 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

 }

3）USART初始化配置

 void USART_Config(void)

 {

 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

 USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

 // 打开串口 GPIO 的时钟

 DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE);

 // 打开串口外设的时钟

 DEBUG_USART_APBxClkCmd(DEBUG_USART_CLK, ENABLE);

 // 将 USART Tx 的 GPIO 配置为推挽复用模式

 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN;

 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;

 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

 GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

 // 将 USART Rx 的 GPIO 配置为浮空输入模式

 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN;

 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;

 GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

 // 配置串口的工作参数

 // 配置波特率

 USART_InitStructure.USART_BaudRate = DEBUG_USART_BAUDRATE;

 // 配置 针数据字长

 USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;

 // 配置停止位

 USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;

 // 配置校验位

 USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;

 // 配置硬件流控制

 USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl =

 USART_HardwareFlowControl_None;

 // 配置工作模式，收发一起

 USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;

 // 完成串口的初始化配置

 USART_Init(DEBUG_USARTx, &USART_InitStructure);

 // 串口中断优先级配置

 NVIC_Configuration();

 // 使能串口接收中断

 USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE, ENABLE);

 // 使能串口

 USART_Cmd(DEBUG_USARTx, ENABLE);

 }

调用RCC_APB2PeriphClockCmd函数开启GPIO端口时钟，使用GPIO之前必须开启对应的时钟。RCC_APB2PeriphClockCmd函数开启USART时钟。

使用GPIO之前需要初始化配置它，并且还要添加特殊设置，因为我们使用它作为外设引脚，一般都有特殊功能，模式设置为复用功能，把串口的Tx引脚配置为复用推挽输出，Rx引脚为浮空输入，数据完全由外部输入决定。

配置USAT1通信参数为：波特率115200，字长8,1个停止位，没有校验位，不使用硬件流控制，收发一体工作模式，然后调用USART初始化函数完成配置。

USART接收中断，需要配置NVIC，这里调用NVIC_Configuration函数完成配置，然后调用USART_ITConfig函数使能USART接收中断。

最后 调用USART_Cmd函数使能USART，最终配置的是USART_CR1的UE位，具体作用是开启USART工作时钟，没有时钟那USART这个外设就工作不了。

4）字符发送

/***************** 发送一个字符 **********************/

 void Usart_SendByte( USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t ch)

 {

 /* 发送一个字节数据到 USART */

 USART_SendData(pUSARTx,ch);

 /* 等待发送数据寄存器为空 */

 while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);