《嵌入式-STM32开发指南》第二部分基础篇 - 第6章串口通

作者: BruceOu | 来源:发表于2020-10-20 22:08 被阅读0次

标准库3.5实现：
《嵌入式-STM32开发指南》第二部分基础篇 - 第6章串口通信

6.1串口简介

通用同步异步收发器(USART)提供了一种灵活的方法与使用工业标准NRZ异步串行数据格式的外部设备之间进行全双工数据交换。USART利用分数波特率发生器提供宽范围的波特率选择。它支持同步单向通信和半双工单线通信，也支持LIN(局部互连网)，智能卡协议和IrDA(红外数据组织)SIR ENDEC规范，以及调制解调器(CTS/RTS)操作。它还允许多处理器通信。使用多缓冲器配置的DMA方式，可以实现高速数据通信。图一也就我们熟悉的串口通通信标准。

图1 232通信标准

如图2所示，串口通过三个引脚与其他设备连接在一起。任何USART双向通信至少需要两个脚：接收数据输入(RX)和发送数据输出(TX)。

图2 USB转232

 RX：接收数据串行输入。通过采样技术来区别数据和噪音，从而恢复数据。
 TX ：发送数据输出。当发送器被禁止时，输出引脚恢复到它的I/O端口配置。当发送器被激活，并且不发送数据时，TX引脚处于高电平。在单线和智能卡模式里，此I/O 口被同时用于数据的发送和接收。

● 总线在发送或接收前应处于空闲状态；
● 一个起始位；
● 一个数据字(8或9位)，最低有效位在前；
● 1或2个的停止位，由此表明数据帧的结束；
● 使用分数波特率发生器—— 12位整数和4位小数的表示方法。；
● 一个状态寄存器(USART_SR) ；
● 数据寄存器(USART_DR) ；
● 一个波特率寄存器(USART_BRR)，12位的整数和4位小数；
● 一个智能卡模式下的保护时间寄存器(USART_GTPR) ；
● IrDA_RDI: IrDA模式下的数据输入；
● IrDA_TDO: IrDA模式下的数据输出；
● nCTS: 清除发送，若是高电平，在当前数据传输结束时阻断下一次的数据发送；
● nRTS: 发送请求，若是低电平，表明USART准备好接收数据。
异步串行通信以字符为单位，即一个字符一个字符地传送。

图3异步串口通信协议

串口外设的架构图（见图 4）看起来十分复杂，实际上对于软件开发人员来说，我们只需要大概了解串口发送的过程即可。从下至上，我们看到串口外设主要由三个部分组成，分别是波特率控制、收发控制和数据存储转移。

 波特率控制
波特率，即每秒传输的二进制位数，用 b/s （bps）表示，通过对时钟的控制可以改变波特率。在配置波特率时，我们向波特比率寄存器 USART_BRR 写入参数，修改了串口时钟的分频值USARTDIV 。 USART_BRR 寄存器包括两部分，分别是 DIV_Mantissa（USARTDIV 的整数部分）和 DIV_Fraction（USARTDIV 的小数）部分，最终，计算公式为 USARTDIV=DIV_Mantissa+（DIV_Fraction/16）。

USARTDIV 是对串口外设的时钟源进行分频的，对于 USART1，由于它挂载在 APB2总线上，所以它的时钟源为 f PCLK2 ；而 USART2、3 挂载在 APB1 上，时钟源则为 fPCLK1，串口的时钟源经过 USARTDIV 分频后分别输出作为发送器时钟及接收器时钟，控制发送和接收的时序。

图4 USART框图

 收发控制
围绕着发送器和接收器控制部分，有好多个寄存器：CR1、CR2、CR3 和 SR，即USART 的三个控制寄存器（Control Register）及一个状态寄存器（Status Register）。通过向寄存器写入各种控制参数来控制发送和接收，如奇偶校验位、停止位等，还包括对USART 中断的控制；串口的状态在任何时候都可以从状态寄存器中查询得到。其中停止位的配置如图3所示。

发送配置步骤：

1 通过在USART_CR1寄存器上置位UE位来激活USART
2.编程USART_CR1的M位来定义字长。
3.在USART_CR2中编程停止位的位数。
4.如果采用多缓冲器通信，配置USART_CR3中的DMA使能位(DMAT)。按多缓冲器通信中的描述配置DMA寄存器。
5.利用USART_BRR寄存器选择要求的波特率。
6.设置USART_CR1中的TE位，发送一个空闲帧作为第一次数据发送。
7.把要发送的数据写进USART_DR寄存器(此动作清除TXE位)。在只有一个缓冲器的情况下，对每个待发送的数据重复步骤7。
8.在USART_DR寄存器中写入最后一个数据字后，要等待TC=1，它表示最后一个数据帧的传输结束。当需要关闭USART或需要进入停机模式之前，需要确认传输结束，避免破坏最后一次传输。

接收配置步骤：

将USART_CR1寄存器的UE置1来激活USART。
2.编程USART_CR1的M位定义字长
3.在USART_CR2中编写停止位的个数
4.如果需多缓冲器通信，选择USART_CR3中的DMA使能位(DMAR)。按多缓冲器通信所要求的配置DMA寄存器。
5.利用波特率寄存器USART_BRR选择希望的波特率。
6.设置USART_CR1的RE位。激活接收器，使它开始寻找起始位。

图5停止位配置

 数据存储转移

收发控制器根据我们的寄存器配置，对数据存储转移部分的移位寄存器进行控制。当我们需要发送数据时，内核或 DMA 外设（一种数据传输方式，在后面介绍）把数据从内存（变量）写入到发送数据寄存器 TDR 后，发送控制器将适时地自动把数据从 TDR 加载到发送移位寄存器，然后通过串口线 Tx，把数据一位一位地发送出去，当数据从 TDR转移到移位寄存器时，会产生发送寄存器 TDR 已空事件 TXE，当数据从移位寄存器全部发送出去时，会产生数据发送完成事件 TC，这些事件可以在状态寄存器中查询到。而接收数据则是一个逆过程，数据从串口线 Rx 一位一位地输入到接收移位寄存器，然后自动地转移到接收数据寄存器 RDR，最后用内核指令或 DMA 读取到内存（变量）中。

以上对串口通信进行了简单介绍，为了方便各位读者朋友更好的理解，在这里笔者将引入一个新的思想--系统分层思想。既然各位对着有意于嵌入式，那么必须得有对整个系统的架构要有一定的认知。

6.2 STM32Cube生成工程

1.设置RCC
设置高速外部时钟HSE，选择外部时钟源。

图6 RCC配置

2.时钟配置

笔者的板子使用的外部晶振为8MHz，选择外部时钟HSE 8MHz ，PLL锁相环9倍频后为72MHz，系统时钟来源选择为PLL，设置APB2分频器为 /1，这时候定时器的时钟频率为72Mhz。本文笔者使用的定时器是USART1，USART1挂在APB2上，不同的USART挂在不同总线上的。

图7时钟配置

【注】APB1上面连接的是低速外设，包括电源接口、备份接口、CAN、USB、I2C1、I2C2、USART2、USART3、UART4、UART5、SPI2、SP3等；而APB2上面连接的是高速外设，包括UART1、SPI1、Timer1、ADC1、ADC2、ADC3、所有的普通I/O口（PA-PE）、第二功能I/O（AFIO）口等。

3.串口配置
点击USATR1，设置MODE为异步通信(Asynchronous) ，波特率为115200 Bits/s。传输数据长度为8 Bit。奇偶检验无，停止位1 ，接收和发送都使能。

图8基础参数配置

GPIO引脚设置 USART1_RX/USART_TX，默认即可。

图9 USART1的GPIO配置

NVIC Settings 一栏使能接收中断，人默认没打开。

图10 USART1中断使能

6.3串口收发代码讲解

6.3.1串口发送代码实现与讲解（printf重定向）

我们先看如何实现的，再讲解具体的代码。先实现printf重定向函数，在main.c中添加如下函数。

/**
  * @brief 重定向c库函数printf到USARTx
  * @retval None
  */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xffff);
  return ch;
}
 
/**
  * @brief 重定向c库函数getchar,scanf到USARTx
  * @retval None
  */
int fgetc(FILE *f)
{
  uint8_t ch = 0;
  HAL_UART_Receive(&huart1, &ch, 1, 0xffff);
  return ch;
}

在main()函数主循环中添加以下代码：

printf("USART1 Test!\n");
HAL_Delay(1000);//这里的延时表示1s。不清楚的请看滴答定时器的内容

好了，这就是串口发送代码实现。另外，笔者在此给出输出格式的说明，请读者朋友参考。

表1 输出格式说明

格式	说明
%d	按照十进制整型数打印
%6d	按照十进制整型数打印，至少6个字符宽
%f	按照浮点数打印
%6f	按照浮点数打印，至少6个字符宽
%.2f	按照浮点数打印，小数点后有2位小数
%6.2f	按照浮点数打印，至少6个字符宽，小数点后有2位小数
%x	按照十六进制打印
%c	打印字符
%s	打印字符串

完整代码请查看配套程序，另外还需添加Use MicroLIB以便支持printf。具体设置参看本节后文的小贴士部分。

好了，我们来总结下串口发送的流程：

1.初始化硬件，时钟；
2.USART 的GPIO初始化，USART参数初始化；
3.重定向printf
4.打印输出

这里只讲解串口的参数初始化，代码如下：

static void MX_USART1_UART_Init(void)
{

  /* USER CODE BEGIN USART1_Init 0 */

  /* USER CODE END USART1_Init 0 */

  /* USER CODE BEGIN USART1_Init 1 */

  /* USER CODE END USART1_Init 1 */
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* USER CODE BEGIN USART1_Init 2 */

  /* USER CODE END USART1_Init 2 */

}

这是STM32cudeMX自动生成的代码，我们要注意UART_HandleTypeDef结构体，这个结构体就是用来配串口参数的，原型如下：

typedef struct __UART_HandleTypeDef
{
  USART_TypeDef                 *Instance;        /*!< UART registers base address        */

  UART_InitTypeDef              Init;             /*!< UART communication parameters      */

  uint8_t                       *pTxBuffPtr;      /*!< Pointer to UART Tx transfer Buffer */

  uint16_t                      TxXferSize;       /*!< UART Tx Transfer size              */

  __IO uint16_t                 TxXferCount;      /*!< UART Tx Transfer Counter           */

  uint8_t                       *pRxBuffPtr;      /*!< Pointer to UART Rx transfer Buffer */

  uint16_t                      RxXferSize;       /*!< UART Rx Transfer size              */

  __IO uint16_t                 RxXferCount;      /*!< UART Rx Transfer Counter           */

  DMA_HandleTypeDef             *hdmatx;          /*!< UART Tx DMA Handle parameters      */

  DMA_HandleTypeDef             *hdmarx;          /*!< UART Rx DMA Handle parameters      */

  HAL_LockTypeDef               Lock;             /*!< Locking object                     */

  __IO HAL_UART_StateTypeDef    gState;           /*!< UART state information related to global Handle management
                                                       and also related to Tx operations.
                                                       This parameter can be a value of @ref HAL_UART_StateTypeDef */

  __IO HAL_UART_StateTypeDef    RxState;          /*!< UART state information related to Rx operations.
                                                       This parameter can be a value of @ref HAL_UART_StateTypeDef */

  __IO uint32_t                 ErrorCode;        /*!< UART Error code                    */
} UART_HandleTypeDef;

这个结构体很简单，也有英文注释，笔者就不在赘述了。当然啦，除了使用普通方式发送，还可使用中断方式和DMA方式发送数据。这里中断发送数据就不讲了，下面会将中断接收，有兴趣的朋友请自行去看参考手册自行实现，DMA方式会在将军诶DMA的时候讲解。

HAL_UART_Transmit_IT();串口中断模式发送  
HAL_UART_Transmit_DMA();串口DMA模式发送

6.3.2串口接收代码实现与讲解（中断方式）

和串口发送数据一样，先看如何实现的，然后再进行代码讲解，
在main.c中添加下列定义：

#define RXBUFFERSIZE  256     //最大接收字节数

char TxBuffer[RXBUFFERSIZE];   //发送缓冲
uint8_t RxBuffer;           //接收中断缓冲
uint8_t Uart1_Rx_Cnt = 0;       //接收缓冲计数

在main()主函数中，调用一次接收中断函数

HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)&RxBuffer, 1);

在main.c下方添加中断回调函数

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  /* Prevent unused argument(s) compilation warning */
  UNUSED(huart);
  /* NOTE: This function Should not be modified, when the callback is needed,
           the HAL_UART_TxCpltCallback could be implemented in the user file
   */
 
    if(Uart1_Rx_Cnt >= 255)  //溢出判断
    {
        Uart1_Rx_Cnt = 0;
        memset(TxBuffer,0x00,sizeof(TxBuffer));
        HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)"数据溢出", 10,0xFFFF);   
        
    }
    else
    {
        TxBuffer[Uart1_Rx_Cnt++] = RxBuffer;   //接收数据转存
    
        if((TxBuffer[Uart1_Rx_Cnt-1] == 0x0A)&&(TxBuffer[Uart1_Rx_Cnt-2] == 0x0D)) //判断结束位
        {
            HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&TxBuffer, Uart1_Rx_Cnt,0xFFFF); //将收**加粗样式**到的信息发送出去
      while(HAL_UART_GetState(&huart1) == HAL_UART_STATE_BUSY_TX);//检测UART发送结束
            Uart1_Rx_Cnt = 0;
            memset(TxBuffer,0x00,sizeof(TxBuffer)); //清空数组
        }
    }
    
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)&RxBuffer, 1);   //开启接收中断
}

好了，要添加的代码就这些了，下面讲解如何实现串口中断接收的。先看串口接收的编程流程：

1.硬件初始化，时钟初始化；
2.串口GPIO初始化，串口参数配置；
3.在main()函数中使能中断接收；
4.编写HAL_UART_RxCpltCallback中断回调函数，处理接收的数据，

【注】中断接收函数只能触发一次接收中断，所以我们需要在中断回调函数中再次调用中断接收函数。这里可以对比下标准库的流程。

6.3.4实验现象

 串口发送
将程序编译好下载到板子中，打开串口助手，按下图设置相应参数，按下板子的复位按键，在接收区可以看到如下信息。

图11串口发送实验结果

 串口接收
将程序编译好下载到板子中，打开串口助手，按下图设置相应参数，按下板子的复位按键，在接收区可以看到如下信息。

图12 串口接收实验结果

小贴士：printf 函数重定向

要想 printf() 函数工作的话，我们需要把 printf() 重新定向到串口中。重定向是指用户可以自己重写 C 的库函数，当连接器检查到用户编写了与 C 库函数相同名字的函数时，优先采用用户编写的函数，这样用户就可以实现对库的修改了。

为了实现重定向 printf() 函数，我们需要重写 fputc() 这个 C 标准库函数，因为 printf()在 C 标准库函数中实质是一个宏，最终是调用了 fputc() 这个函数。

重定向的这部分工作，由main.c 文件中的 fputc（int ch, FILE *f）这个函数来完成。重定向时，我们把 fputc( ) 的形参 ch，作为串口将要发送的数据，也就是说，当使用 printf( ) 时，它先调用这个 fputc( ) 函数，然后使用 ST 库的串口发送函数 USART_SendData()，把数据转移到发送数据寄存器 TDR，触发我们的串口向 PC 发送一个相应的数据。调用完 USART_SendData( ) 后，要使用 while (USART_GetFlagStatus（USART1,USART_FLAG_TC）!= SET）语句不停地检查串口发送是否完成的标志位TC，一直检测到标志为“完成”，才进入下一步的操作，避免出错。在这段 while 循环检测的延时中，串口外设已经由发送控制器以及根据我们的配置把数据从移位寄存器一位一位地通过串口线 Tx 发送出去了。

【注意】printf函数在“stdio.h”头文件里，使用该函数必须引用“stdio.h”库, 还
要在编译器中设置一个选项 Use MicroLIB （使用微库）。设置方式如下：
单击Project，选择option选项，再选择Target 勾选Use MicroLIB 即可。

图13设置printf

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6.1串口简介

6.2 STM32Cube生成工程

6.3串口收发代码讲解

6.3.1串口发送代码实现与讲解（printf重定向）

6.3.2串口接收代码实现与讲解（中断方式）

6.3.4实验现象

小贴士：printf 函数重定向

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