stm32学习笔记：USART串口通信

1、串口通信协议（简介+软硬件规则）

全双工：打电话。半双工：对讲机。单工：广播

时钟：I2C和SPI有单独的时钟线，所以它们是同步的，接收方可以在时钟信号的指引下进行采样。串口、CAN和USB没有时钟线，需要双方约定一个采样频率，它们是异步的，并且需要加一些帧头帧尾等进行采样位置的对齐。

电平：1、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必须要共地，就是把GND接在一起。2、

差分->它是靠两个差分引脚的电压差来传输信号的，在通讯的时候，可以不需要共地，可极大提高抗干扰特性，所以差分信号一般传输速度和距离都会非常高。

设备：点对点->老师单独找一位学生谈话；多设备->老师在教室里面对所有同学谈话，需要有一个寻址的过程，以确定通信的对象。寻址：给不同的设备编号，对应不同的学生的名字

波特率：如果双方规定波特率为1000bps，表示1s要发送1000位，每一位的时间就是1ms。发送方每隔1ms发送1位，接收方每隔1ms接收1位。波特率，它决定了每隔多久发送一位。

起始位：首先，串口的空闲状态是高电平，也就是没有数据传输的时候，引脚必须要置高电平，作为空闲状态，然后需要传输的时候，必须要先发送一个起始位，这个起始位必须是低电平，来打破空闲状态的高电平，产生一个下降沿，该下降沿就告诉设备这一帧数据要开始了。如果没有起始位，数据线就一直都是高电平，没有任何波动，这样接收方怎么知道要接收数据呢。

停止位：为下一个起始位做准备。如果没有停止位，那当我数据最后一位是0的时候，下次再发送新的一帧，就没有办法产生下降沿了。
例子，连续发送两个0x55，1个停止位和2个停止位

校验位：串口使用的是一种叫奇偶校验的数据验证方法。奇偶校验可以判断数据传输是否出错。如果数据出错了，可以选择丢弃或者要求重传。

串口通信总结：TX引脚输出定时翻转的高低电平，RX引脚定时读取引脚的高低电平。每个字节的数据加上起始位，停止位，可选的校验位（无，奇，偶），打包成数据帧，一次输出在TX引脚，另一端RX引脚依次接收，这样就完成了字节数据的传递。

2、STM32内部的USART外设

USART外设就是串口通信的硬件支持电路。
常用配置：波特率9600或者115200，数据位8位，停止位1位，无校验
USART1:APB2总线的设备
USART2、USART3：APB1总线的设备

USART功能框图

发送数据寄存器和发送移位寄存器怎么工作的呢？
比如在某一时刻给TDR写入0x55数据

发送端
此时，硬件检测到你写入数据，它就会检查当前一位寄存器是不是有数据正在移位，如果没有，这个01010101就会立刻全部移动到发送移位寄存器，准备发送。当数据从TDR移动到移位寄存器时，会置一个标志位，叫TXE（TX Empty），发送寄存器空。如果该标志位置1，可在TDR写入下一个数据。注意，当TXE标志位置1时，数据还没有发送出去，只要数据从TDR转移到移位寄存器，TXE就会置1，此时可写入新的数据。然后发送移位寄存器就会在发生器控制的驱动下，向右移位，然后一位一位地把数据输出到TX引脚，正好与串口协议规定的低位先行一致。当数据移位完成时，新的数据就会再次自动地从TDR转移到发送移位寄存器里来。如果当前移位寄存器移位还没有完成，TDR的数据就会进行等待，一旦移位完成，就会立刻转移过来。有了TDR和移位寄存器的双重缓存，可以保证连续发送数据的时候，数据帧之间不会有空闲。简单来说，数据一旦从TDR转移到移位寄存器，管你有没有移位完成，就会把下一个数据放在TDR等待。一旦移位寄存器移动完成，新的数据就会立刻跟上。

接收端

数据从RX引脚通向接受移位寄存器，在接收器控制的驱动下，一位一位地读取RX电平，先放在最高位，然后向右移动，移位8次后就可以接受一个字节。

同样，因为串口协议规定是低位先行，所以接受移位寄存器是从高位往低位这个方向移动，当一个字节移位完成后，这一个字节的数据就会整体地转移到接收数据寄存器RDR里，在转移的过程中会置一个标志位，叫RXNE（RX Not Empty），接收数据寄存器非空。当我们检测到RXNE置1之后，就可以把数据读走。同时，这个标志位可以去申请中断，在收到数据时，直接进入中断函数。
这里也是两个寄存器进行缓存，当数据从移位寄存器转移到RDR时，就可以直接移位接受下一帧数据。

发送器控制：用来控制发送移位寄存器的工作
接受器控制：用来控制接收移位寄存器的工作

以下模块用于产生同步时钟信号，它是配合发送移位寄存器输出的，发送寄存器每移位一次，同步时钟电平就跳变一个周期，时钟告诉对方我移出去移位数据了。该时钟只支持输出，不支持输入，因此两个USART之间不能实现同步的串口通信。
时钟作用
1、兼容别的协议，比如串口加时钟，与SPI协议相似，因此可兼容SPI
2、自适应波特率，如接收设备不确定发送设备给的是什么波特率，可通过测量时钟周期，再计算得到波特率。

波特率发生器就是分频器，APB时钟进行分频，得到发送和接收移位的时钟。

串口的引脚

3、USART基本结构

‘>>’右移，表示数据低位先行
开关控制->配置完成时，用cmd开启USART外设

输入的采样频率和波特率一致，还要保证每次输入采样的位置，要正好处于每一位的正中间，只有在每一位的正中间采样，这样的高低电平读进来，才是最可靠的。如果采样点过于靠前或靠后，那有可能高低电平还正在翻转，电平不稳定或者稍有误差，数据就采样出错了。

4、串口发送代码

4-1 基本流程
1、第一步开启时钟，把需要用到的USART和GPIO的时钟打开
2、第二步，GPIO初始化，把Tx配置成复用输出，Rx配置成输入
3、第三步，配置USART，直接使用一个结构体
4、如果你只需要发送的功能，就直接开启USART，初始化就结束了；如果你需要接收的功能，可能还需要配置中断，那就在开启USART之前，再加上ITConfig和NVIC的代码

main.c

#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){}
}

serial.h

#ifndef __SERIAL_H
#define __SERIAL_Hvoid Serial_Init(void);
void Serial_SendByte(uint8_t Byte);#endif

serial.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device headervoid Serial_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;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);//USARTUSART_InitTypeDef USART_InitStructure;USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;  USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;  USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;  USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;  USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;  USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);//USARTUSART_Cmd(USART1, ENABLE);
}void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{ USART_SendData(USART1, Byte);while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); 
}

static void NVIC_Configuration(void)
{NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;/* 嵌套向量中断控制器组选择 *//* 提示 NVIC_PriorityGroupConfig() 在整个工程只需要调用一次来配置优先级分组*/NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);/* 配置USART为中断源 ，默认使用串口1作为中断源*/NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DEBUG_USART_IRQ;/* 抢断优先级*/NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;/* 子优先级 */NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;/* 使能中断 */NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;/* 初始化配置NVIC */NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}// 串口中断优先级配置NVIC_Configuration();// 使能串口接收中断，接收数据寄存器非空，表示接收到数据就产生中断USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE, ENABLE);

5、初始化完成后，如果要发送数据，调用一个发送函数即可；如果要接收数据，就调用接收的函数。如果要获取发送和接收的状态，就调用获取位的函数

4-2 整体代码

4-2-1 main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"int main(void)
{OLED_Init();//初始化串口Serial_Init();//发送数据，调用该函数后，TX引脚就会产生一个0x41对应的波形，//可将该波形发送给其他支持串口的模块，也可以通过USB转串口的模块发送到电脑端Serial_SendByte(0x41);uint8_t MyArray[] = {0x42, 0x43, 0x44, 0x45};Serial_SendArray(MyArray, 4);//传入数组的首地址，指定传输4个字节  Serial_SendString("\r\nNum1=");Serial_SendNumber(111, 3);printf("\r\nNum2=%d", 222);char String[100];  //定义字符串sprintf(String, "\r\nNum3=%d", 333);  //打印字符串Serial_SendString(String);  //发送字符串Serial_Printf("\r\nNum4=%d", 444);Serial_Printf("\r\n");while (1){}
}

4-2-2 Serial.c

取某一位就是–>数字 / 10^x % 10
/ 10^x 去掉右边
% 10 去掉左边

重定向fputc跟printf有什么关系呢？
这是因为fputc是printf函数的底层实现，printf函数在打印的时候就是不断调用fputc函数一个个打印的，我们把fputc函数重定向到串口，那printf自然久输出到串口。

 #include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>void Serial_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);  //USART1的外设时钟时APB2RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);   //开启GPIO时钟//初始G化PIOGPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;/* 将PA9配置为复用推挽输出，供USART的Tx使用 *///TX引脚是USART外设控制的输出脚，所以要选复用推挽输出，RX引脚是USART外设数据输入脚，//所以要选择输入模式，一根线只能有一个输出，但可以有多个输入//因为串口波形空闲状态是高电平，所以不使用下拉输入GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;   //复用推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化USARTUSART_InitTypeDef USART_InitStructure;USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;  //Init函数内部会自动算好9600对应的分频系数，然后写到BRR寄存器USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;  //不用流控USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;    //只有发送模式USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;  //无校验USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;  //1位停止位USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;  //字长8位USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);//使能USARTUSART_Cmd(USART1, ENABLE);
}void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{ //将Byte变量写入到TDRUSART_SendData(USART1, Byte);//等待TXE置1，表明TDR数据已经转移到移位数据寄存器，要不然如果数据//还在TDR进行等待，我们再写入数据就会产生数据覆盖，所以在数据发送之后，还需要等待以下标志位//如果TXE标志位==RESET，就一直循环，直到SET，结束等待，标志位置1后，不需要手动清零，//当下一次SendData时，该标志位自动清零while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); 
}//uint8_t *Array这是一个uint8_t 的指针类型，指向待发送数组的首地址，传递数组需要使用指针
//length由于数组无法判断是否结束，所以需要再传递一个length进来
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length)
{uint16_t i;for (i = 0; i < Length; i ++){Serial_SendByte(Array[i]);}
}void Serial_SendString(char *String)
{uint8_t i;for (i = 0; String[i] != '\0'; i ++)  //数据0，对应空字符，是字符串结束标志位，如果不等于0，就是还没有结束，进行循环，如果等于0，就是结束，停止循环{Serial_SendByte(String[i]);}
}
//返回值为 x的y次方
uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{uint32_t Result = 1;while (Y --){Result *= X;  //X的Y次方}return Result;
}
//发送一个数字，最终能在电脑显示字符串形式的数字
void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
{uint8_t i;for (i = 0; i < Length; i ++){Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');  //目前循环，参数会以10进制从高位到低位依次发送，再加上偏移量//假设length为2，当i=0时，发送的是10位，当i=1时，发送的是个位//从高位到低位依次发送}
}
//
//单个串口重定向，只能有一个串口用来打印
//printf重定向，fputc是printf的底层，将fputc函数重定向到了串口，那printf自然就输出到串口
int fputc(int ch, FILE *f)
{Serial_SendByte(ch);return ch;
}//多个串口重定向，可多个串口用来打印
//封装sprintf
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);
}

4-2-3 Serial.h

#ifndef __SERIAL_H
#define __SERIAL_H#include <stdio.h>void Serial_Init(void);
void Serial_SendByte(uint8_t Byte);
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length);
void Serial_SendString(char *String);
void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length);
void Serial_Printf(char *format, ...);#endif

程序现象：就看串口助手软件

5、串口接收代码

5-1 查询

在主函数里不断判断RXNE标志位，如果置1，表明收到数据，再调用ReceiveData，读取DR寄存器即可

//查询while(1){if(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_RXNE) == SET){RxData = USART_ReceiveData(USART1);  //读完DR寄存器，该标志位自动清除OLED_ShowHexNum(1,1,RxData,2);}}

5-2 中断

/*===================================================*//* 串口接收 可使用 查询和中断两种方法 以下是中断*///开启中断，选择RXNE，表示这一个字节的数据就会整体地转移到接收数据寄存器RDR里USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//中断优先级分组NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//配置NVICNVIC_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);/*===================================================*//*==============中断接收和变量的封装====================*/
uint8_t Serial_GetRxFlag(void)
{if (Serial_RxFlag == 1){Serial_RxFlag = 0;return 1;}return 0;
}uint8_t Serial_GetRxData(void)
{return Serial_RxData;
}
//中断函数的名字在启动文件里面（startup_stm32f10x_md.s）
void USART1_IRQHandler(void)
{//先判断标志位if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET){//将接收寄存器里的数据放到自定义变量里Serial_RxData = USART_ReceiveData(USART1);//读完数据后置标志位1Serial_RxFlag = 1;//如果读取DR，则自动清除标志位，否则，手动清除标志位USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);  }
}

5-3-2 Serial.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>uint8_t Serial_RxData;
uint8_t Serial_RxFlag;void Serial_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;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);GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;  //引脚模式为上拉输入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;USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;  //或，同时开启发送和接收部分USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);/*===================================================*//* 串口接收 可使用 查询和中断两种方法 以下是中断*///开启中断，选择RXNE，表示这一个字节的数据就会整体地转移到接收数据寄存器RDR里USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//中断优先级分组NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//配置NVICNVIC_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);
}void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{USART_SendData(USART1, Byte);while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length)
{uint16_t i;for (i = 0; i < Length; i ++){Serial_SendByte(Array[i]);}
}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 Length)
{uint8_t i;for (i = 0; i < Length; i ++){Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');}
}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);
}/*==============中断接收和变量的封装====================*/
//对Serial_RxFlag变量封装get函数，实现读后自动清除的作用
uint8_t Serial_GetRxFlag(void)
{if (Serial_RxFlag == 1){Serial_RxFlag = 0;return 1;}return 0;
}
//对Serial_RxData变量封装get函数
uint8_t Serial_GetRxData(void)
{return Serial_RxData;
}
//中断函数的名字在启动文件里面（startup_stm32f10x_md.s）
void USART1_IRQHandler(void)
{//先判断标志位if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET){//将接收寄存器里的数据放到自定义变量里Serial_RxData = USART_ReceiveData(USART1);//读完数据后置标志位1Serial_RxFlag = 1;//如果读取DR，则自动清除标志位，否则，手动清除标志位，此处手动清除没影响USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);  }
}
/*==========================================================*/

5-3-3 Serial.h

#ifndef __SERIAL_H
#define __SERIAL_H#include <stdio.h>void Serial_Init(void);
void Serial_SendByte(uint8_t Byte);
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length);
void Serial_SendString(char *String);
void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length);
void Serial_Printf(char *format, ...);uint8_t Serial_GetRxFlag(void);
uint8_t Serial_GetRxData(void);#endif