STM32F4xx开发学习_USART串口通讯

USART串口通讯

USART简介

USART（universal synchronous asynchronous receiver transmitter），通用同步异步接收发射机，是一种全双工异步通信串行通讯方式，是STM32内部集成的硬件外设，以帧格式传输数据。搭配DMA进行多缓冲配置，可进行高速数据通信。

异步通信接线图如下
USART接线图

这里给出码元传输速率 R B R_B RB​和信息传输速率 R b R_b Rb​的定义

  • 码元传输速率
    亦称传码率、波特率，单位时间内传输了多少个码元
  • 信息传输速率
    亦称传信率、比特率，单位时间内传递多少比特数

在M进制中，每个码元携带 log ⁡ 2 M \log_2M log2​M比特的信息量，二者满足： R b = R B log ⁡ 2 M R_b = R_B \log_2M Rb​=RB​log2​M，二进制中两者相等。
USART框图

USART协议

下面根据串口数据帧格式进行说明，可配置为8位或9位长，如下图
USART数据帧

参数

  • 起始位：低电平为一个数据帧的开始
  • 数据位：可配置为8位或9位，低位先行
  • 校验位：可选择进行奇偶校验，也可不进行校验，位于最后一个数据位之后，停止位之前
  • 停止位：高电平为一个数据帧的结束，长度可设置为0.5、1（默认）、1.5、2位宽

发射端

发送器根据是否设置校验位（即USART_CR1寄存器的M位）发送8位或9位的数据字，USART_CR1寄存器的发送使能位TE置1时，发送移位寄存器的数据会在TX引脚输出，相应的时钟脉冲输出到CK引脚。在数据传输过程中为保证不丢失数据TE位不应被重置。

USART_发生器

实现步骤：1、通过USART_CR1寄存器中的UE位使能USART；2、通过USART_CR1寄存器中的M位设置数据位长度；3、通过USART_CR2寄存器设置停止位长度；4、通过USART_CR3寄存器中的DMAT位选择使能DMA；5、通过USART_BRR寄存器设置波特率；6、通过USART_CR1中的TE位发送空闲帧作为第一次传输；7、将要发送的数据写入USART_DR寄存器（这回自动清除TXE位）；8、在写完最后一个数据到USART_DR寄存器中，等待TC=1。
简述为：TXE=1，先发送一个空闲帧，数据就送入TDR同时TXE=0；等到开始位时TDR内数据送入移位寄存器，恢复TXE=1；TXE=1，下一个数据送入TDR同时TXE=0。依次类推。

接收端

接收器根据校验位（即USART_CR1寄存器的M位）接收8位或9位的数据字，前提是保证和发送器相同的波特率，并且要求每次采样的位置正好处于每一位的正中间，同时还要对噪声有一定的判断能力。起始位侦测如下

USART起始位检测
检测到正确的起始位后，就是进行数据接收。实现步骤：1、通过USART_CR1寄存器中的UE位使能USART；2、通过USART_CR1寄存器中的M位设置数据位长度；3、通过USART_CR2寄存器设置停止位长度；4、通过USART_CR3寄存器中的DMAT位选择使能DMA；5、通过USART_BRR寄存器设置波特率；6、通过USART_CR1寄存器中的RE位使能USART接收，RX引脚检测起始位。
当完整收到一个字节数据时，RXNE位置1、如果使能了RXNEIE将会产生中断、发生错误将产生错误标志位、在配置了DMA时RXNE由DMA清除、未配置DMA时RXNE是在RDR读完后自动清除。

选择合适的过采样法

为保证接收端接收到正确的数据帧，需配置合适的过采样技术，通过USART_CR1寄存器这OVER8位进行选择。

  • 选择 8（OVER8=1）的过采样以实现更高的速度（最高 fPCLK/8），在这种情况下，接收机对时钟偏差的最大容差会降低
  • 选择过采样 16 （OVER8=0） 以增加接收器对时钟偏差的容差。在这种情况下，最大速度限制为最大 fPCLK/16

小数波特率

波特率指数据信号对载波的调制速率，计算公式如下

波特率 = f C K 8 × ( 2 − O V E R 8 ) × U S A R T D I V 波特率 = \frac{f_{CK}}{8\times (2 - OVER8)\times USARTDIV} 波特率=8×(2−OVER8)×USARTDIVfCK​​

其中 f C K f_{CK} fCK​是USART时钟即所在总线时钟频率，USARTDIV是一个存放在USART_BRR寄存器中的无符号定点数。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，DIV_Fraction[3]位只有在OVER8位为0时有效，否则必须清零。

校验位控制

通过USART_CR1寄存器中的PCE位启用校验。分为奇校验和偶校验，如果使用了奇校验，则9位数据中会出现奇数个1；如果使用了偶校验，则9位数据中会出现偶数个1。

配置DMA

USART能够使用DMA进行连续通信。Rx 缓冲区和 Tx 缓冲区的 DMA 请求是独立生成的。

  • 发送端配置DMA
    通过USART_CR3寄存器中的DMAT位配置DMA进行发送。TXE位置位时，SRAM内数据都会通过DMA外设加载到TDR中。通过以下流程配置
    • 在DMA控制寄存器中写入TDR地址，将其作为传输目的地
    • 在DMA控制寄存器中写入SRAM地址，将其作为传输起点
    • 配置DMA其他配置

USART_DMA发送

  • 接收端配置DMA
    通过USART_CR3寄存器中的DMAR位配置DMA进行接收。RXNE位置位时，RDR内数据都会通过DMA外设加载到SRAM中。通过以下流程配置
    • 在DMA控制寄存器中写入RDR地址，将其作为传输起始地
    • 在DMA控制寄存器中写入SRAM地址，将其作为传输目的地
    • 配置DMA其他配置

USART_DMA接收

代码实现

  1. 单字节串口发送
  • 开启USART时钟和GPIO引脚时钟
  • 配置GPIO引脚
  • 配置USART
  • 使能USART
  • 功能函数编写

代码如下

/*
**********************************************************************************
*   @brief  USART1串口初始化
*			PA9是USART1_TX，PA10是USART1_RX
*			GPIO是AHB1总线，USART1是APB2总线
*   @param  none
*   @return none
*   @use	Serial_Init()
**********************************************************************************
*/
void Serial_Init()
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
	//USART1对应引脚复用映射
	GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_USART1);
	GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_USART1);
	//配置PA9、PA10引脚
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
	GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10;
	GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	//配置USART1
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;											//波特率
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;		//硬件流控制，这里不选用
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;						//双工
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;									//校验位，这里不选用
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;								//1位长的停止位
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;							//字长8位
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

/*
**********************************************************************************
*   @brief  发送单个字节数据
*   @param  一个十六进制数据
*   @return none
*   @use	Serial_SendOneByte(uint8_t Byte)
**********************************************************************************
*/
void Serial_SendOneByte(uint8_t Byte)
{
	//数据先被写入TDR，然后发到发送移位寄存器才能通过GPIO口输出
	USART_SendData(USART1, Byte);
	//此处作等待标志位之用，即发送数据寄存器空标志位，标志位会自动置0
	while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) != SET);
}

/*
**********************************************************************************
*   @brief  发送字符串
*   @param  一个十六进制数组
*   @return none
*   @use	Serial_SendArray(uint8_t *String)
**********************************************************************************
*/
void Serial_SendString(uint8_t *String)
{
	for(uint8_t i = 0; String[i] != '\0'; i++)
	{
		Serial_SendOneByte(String[i]);
	}
}
  1. 单字节串口接收
    有两种接收方法，查询法和中断法
  • 使用查询
    不需要配置中断，需要在主函数中不断判断RXNE标志位。
if(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == SET)
		{
			RxData = USART_ReceiveData(USART1);
			Serial_SendOneByte(RxData);
		}
  • 使用中断
    使用中断可使程序更加灵活
    代码如下
#include "Serial.h"
/*
**********************************************************************************
*   @brief  USART1串口初始化
*			PA9是USART1_TX，PA10是USART1_RX
*			GPIO是AHB1总线，USART1是APB2总线
*   @param  none
*   @return none
*   @use	Serial_Init()
**********************************************************************************
*/
void Serial_Init()
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
	//USART1对应引脚复用映射
	GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_USART1);
	GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_USART1);
	//配置PA9、PA10引脚
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
	GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10;
	GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	//配置USART1
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;											//波特率
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;		//硬件流控制，这里不选用
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;						//双工
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;									//校验位，这里不选用
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;								//1位长的停止位
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;							//字长8位
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
	//配置USART中断
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);										//配置USART接收数据寄存器非空中断
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);										//选择第二组中断
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;									//配置USART1中断通道
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;										//使能NVIC
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;							//先占优先级
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;									//子优先级
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
	
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

/*
**********************************************************************************
*   @brief  发送单个字节数据
*   @param  一个十六进制数据
*   @return none
*   @use	Serial_SendOneByte(uint8_t Byte)
**********************************************************************************
*/
void Serial_SendOneByte(uint8_t Byte)
{
	//数据先被写入TDR，然后发到发送移位寄存器才能通过GPIO口输出
	USART_SendData(USART1, Byte);
	//此处作等待标志位之用，即发送数据寄存器空标志位，标志位会自动置0
	while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) != SET);
}

/*
**********************************************************************************
*   @brief  发送字符串
*   @param  一个十六进制数组
*   @return none
*   @use	Serial_SendArray(uint8_t *String)
**********************************************************************************
*/
void Serial_SendString(uint8_t *String)
{
	for(uint8_t i = 0; String[i] != '\0'; i++)
	{
		Serial_SendOneByte(String[i]);
	}
}

/*
**********************************************************************************
*   @brief  发送数字
*   @param  数字，以及数字长度
*   @return none
*   @use	Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
**********************************************************************************
*/
//求x的y次方
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)
{
	//需要把Number的个位、十位、百位..以十进制拆开，然后换成字符数字对应的数据依次发出去
	for(uint8_t i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendOneByte(Number / Serial_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');
	}
}

/*
**********************************************************************************
*   @brief  printf()函数重定向到串口，需要打开MicroLIB
*   @param  int ch, FILE *f
*   @return none
*   @use	printf("Num = %d\n", 666)
**********************************************************************************
*/
//重定向fputc函数到串口，通过串口发送。
//但此方法printf函数只能用于一个串口
//fputc是printf的底层
int fputc(int ch, FILE *f)
{
	Serial_SendOneByte(ch);
	while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
	return ch;
}

uint8_t Serial_RxFlag;					//读取标志位
uint8_t Serial_RxData;					//读取数据

/*
**********************************************************************************
*   @brief  是否读取数据的标志位
*   @param 	none
*   @return 1表示正常读取，0表示读取失败
*   @use	Serial_GetRxFlag()
**********************************************************************************
*/
uint8_t Serial_GetRxFlag()
{
	if(Serial_RxFlag == 1)
	{
		Serial_RxFlag = 0;
		return 1;
	}
	return 0;
}

/*
**********************************************************************************
*   @brief  返回所读取的数据
*   @param 	none
*   @return 所读取的一个字节数据
*   @use	Serial_GetRxData()
**********************************************************************************
*/
uint8_t Serial_GetRxData()
{
	return Serial_RxData;
}

/*
**********************************************************************************
*   @brief 	中断函数
*   @param 	none
*   @return none
*   @use	中断事件触发会自动跳转到此函数
**********************************************************************************
*/
void USART1_IRQHandler()
{
	if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)
	{
		Serial_RxData = USART_ReceiveData(USART1);
		Serial_RxFlag = 1;
		USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);		//如果正常读取RDR数据会自动清除标志位
	}
}

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