UART全称为通用异步收发器，英文全称（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）。是一种串行、异步、全双工的通信协议。
一、使用方法
UART首先将接收到的并行数据转换成串行数据来传输，消息帧从一个低位起始位开始，后面是5-8个数据位，一个可用的奇偶位和一个或几个高低停止位。
数据传输模拟图
发送过程：接收器发现开始位时它就知道数据准备发送，并尝试与发送器时钟频率同步。如果选择了奇偶，UART就在数据位后面加上奇偶位。奇偶位可用来帮助校验错误。
接收过程：UART从消息帧中去掉起始位和结束位，对进来的字节进行奇偶校验，并将数据字节从串行转换成并行。UART也产生额外的信号来指示发送和接收的状态。例如，如果产生一个奇偶错误，UART就置位奇偶标志。
在UART通讯协议中信号线上的状态位高电平表示‘1’，低电平代表‘0’，特点是：通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，大大降低了成本，但传输速度慢，传输距离短。
二、UART数据协议
在串口通信中，最主要的是数据流以及波特率。在传输过程中，需要关注的是起始位、数据位、校验位、停止位、波特率。
起始位：通信线路空闲时为“1”，当检测到下降沿时，认为数据开始传输；
有效数据位：传输开始后传递需要发送和接收的数据值，可以是指令或者数据；
校验位：一般为奇偶校验，即通过来校验传输数据中‘1’的个数为奇数个（奇校验）或者是偶数个（偶校验）来表示传输的数据正确与否；
停止位：数据传输结束后，传输线恢复成‘1’状态；
波特率：1秒内传输信号的状态数（波形数）。比特率：1秒内传输数据的bit。如果是一个波形，能表示N个bit，那么,波特率 * N = 比特率。
三、STM32CubeMX配置USART
在CubeMX新建项目选择STM32F103C6开发板，配置USART1,配置使用Asynchronous异步模式，如下图：
实现中断方式需要选择NVIC配置，将Enabled选项勾选，如下图：
实现DMA方式，需要在usart1中作如下设置：
四、代码实现
/*定义一个huart1变量*/
UART_HandleTypeDef huart1;
/* USART1 init function */
void MX_USART1_UART_Init(void)
{
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();
}
}
/*PA9为复用 推挽输出模式、PA10为浮空输入模式*/
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef* uartHandle)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
if(uartHandle->Instance==USART1)
{
/* USER CODE BEGIN USART1_MspInit 0 */
/* USER CODE END USART1_MspInit 0 */
/* USART1 clock enable */
__HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
/**USART1 GPIO Configuration
PA9 ------> USART1_TX
PA10 ------> USART1_RX
*/
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}
}
1、轮询收发方式
在主函数中调用HAL_UART_Transmit即可在串口调试助手显示出我们定义的字符串变量。
/*函数原型HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)*/
/* USER CODE BEGIN 1 */
extern UART_HandleTypeDef huart1;
char *str1 = "I from www.100ask.net\r\n";
char *message = "I am DshanMCU-F103\r\n";
char c;
/* USER CODE END 1 */
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)message, strlen(message), 100);
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)str1, strlen(str1), 100);
实验现象
2、中断收发方式
中断方式实现串口通信需要对NVIC进行设置，对内置函数不能之间修改，我们需要自己作函数定义，通过使用环形缓冲区来实现多数据的传输，避免数据丢失，将数据存储入环形缓冲区，从而实现串口通信。
uart.c
/* USER CODE BEGIN 0 */
#include "circle_buffer.h"
/* USER CODE END 0 */
/* USER CODE BEGIN 1 */
static volatile int g_tx_cplt = 0;
static volatile int g_rx_cplt = 0;
static uint8_t g_RecvBuf[100];
static uint8_t g_RecvChar;
static circle_buf g_uart1_rx_bufs;
void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
g_tx_cplt=1;
}
void Wait_Tx_Complete(void)
{
while(g_tx_cplt == 0);
g_tx_cplt = 0;
}
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
g_rx_cplt=1;
circle_buf_write(&g_uart1_rx_bufs, g_RecvChar);
/*re-enable rxne interrupt*/
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &g_RecvChar, 1);
}
void Wait_Rx_Complete(void)
{
while(g_rx_cplt == 0);
g_rx_cplt = 0;
}
void StartUARTRecv(void)
{
/*init circle_buffer 用于存储数据 */
circle_buf_init(&g_uart1_rx_bufs, 100, g_RecvBuf);
/*enable rxne interrupt*/
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &g_RecvChar, 1);
}
int UARTGetChar(uint8_t *pVal)
{
return circle_buf_read(&g_uart1_rx_bufs, pVal);
}
/* USER CODE END 1 */
circle_buffer.h
#ifndef _CIRCLE_BUF_H
#define _CIRCLE_BUF_H
#include <stdint.h>
typedef struct circle_huf{
uint32_t r;
uint32_t w;
uint32_t len;
uint8_t *buf;
}circle_buf,*p_circle_buf;
void circle_buf_init(p_circle_buf pCircleBuf,uint32_t len,uint8_t *buf);
int circle_buf_read(p_circle_buf pCircleBuf,uint8_t *pVal);
int circle_buf_write(p_circle_buf pCircleBuf,uint8_t val);
#endif
circle_buffer.c
#include "stdint.h"
#include "circle_buffer.h"
/*
环形缓冲区初始化，起始为空
三个参数分别是指向环形缓冲区结构体的指针 缓冲区长度 指向缓冲区内存的的指针
配置传入的长度和缓冲区地址赋值给结构体成员变量
*/
void circle_buf_init(p_circle_buf pCircleBuf,uint32_t len,uint8_t *buf)
{
pCircleBuf->r = pCircleBuf->w = 0;
pCircleBuf->len = len;
pCircleBuf->buf = buf;
}
/*
函数功能：从环形缓冲区中读取数据的函数
参数：指向环形缓冲区结构体的指针，存储读取数据的指针pVal
功能解释：r!=w时 有数据可读，读取当前位置数据，读指针向后移动一位
成功读取返回为0，返回-1缓冲区为空
**/
int circle_buf_read(p_circle_buf pCircleBuf,uint8_t *pVal)
{
if(pCircleBuf->r != pCircleBuf->w){
*pVal = pCircleBuf->buf[pCircleBuf->r];
pCircleBuf->r++;
if(pCircleBuf->r == pCircleBuf ->len)
pCircleBuf->r=0;
return 0;
}
else
{
return -1;
}
}
/**
函数功能：向缓冲区写入数据函数
参数：指向缓冲区的指针 写入的数据val
功能解释：如果next_w==w,表示缓冲区已满，无法写入返回-1
若返回0表示写入成功
**/
int circle_buf_write(p_circle_buf pCircleBuf,uint8_t val)
{
uint32_t next_w;
next_w = pCircleBuf->w + 1;
if(next_w == pCircleBuf->len)
next_w = 0;
if(next_w != pCircleBuf->r)
{
pCircleBuf->buf[pCircleBuf->w] = val;
pCircleBuf->w = next_w;
return 0;
}
else
{
return -1;
}
}
main.c
/* USER CODE BEGIN 1 */
extern UART_HandleTypeDef huart1;
char *str2 = "please enter a char:\r\n";
char c;
/* USER CODE END 1 */
/* USER CODE BEGIN PV */
/*函数声明*/
void Wait_Tx_Complete(void);
void Wait_Rx_Complete(void);
void StartUARTRecv(void);
int UARTGetChar(uint8_t *pVal);
/* USER CODE END PV */
/*enable rxne interrupt*/
StartUARTRecv();
while (1)
{
HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, (uint8_t *)str2, strlen(str2));
/*wait for tc*/
Wait_Tx_Complete();
while(UARTGetChar(&c) != 0);
c+=1;
HAL_UART_Transmit(&huart1, &c, 1, 100);
HAL_UART_Transmit(&huart1, "\r\n", 2, 100);
/* USER CODE END WHILE */
}
实验现象
3、DMA方式
只是简单使用DMA方式的话，在配置好USART的DMA设置之后，更改函数HAL_UART_Transmit_IT为HAL_UART_Transmit_DMA就可以实现函数功能了。使用DMA方式配合IDLE空闲函数的话，能够实现它的功能。
IDLE，空闲的定义是：总线上在一个字节的时间内没有再接收到数据。 UART 的 IDLE 中断何时发生？RxD 引脚一开始就是空闲的啊，难道 IDLE 中断一直产生？ 不是的。当我们使能 IDLE 中断后，它并不会立刻产生，而是：至少收到 1 个数据后，发现 在一个字节的时间里，都没有接收到新数据，才会产生 IDLE 中断。
uart.c
/* USER CODE BEGIN 1 */
static volatile int g_tx_cplt = 0;
static volatile int g_rx_cplt = 0;
//static uint8_t g_RecvChar;
static uint8_t g_RecvTmpBuf[10];
static uint8_t g_RecvBuf[100];
static circle_buf g_uart1_rx_bufs;
void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
g_tx_cplt = 1;
}
void Wait_Tx_Complete(void)
{
while (g_tx_cplt == 0);
g_tx_cplt = 0;
}
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
g_rx_cplt = 1;
/* put data to circle buffer */
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
circle_buf_write(&g_uart1_rx_bufs, g_RecvTmpBuf[i]);
}
/* re-use dma+idle to recv */
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, g_RecvTmpBuf, 10);
}
void Wait_Rx_Complete(void)
{
while (g_rx_cplt == 0);
g_rx_cplt = 0;
}
void StartUART1Recv(void)
{
/* init circle buffer */
circle_buf_init(&g_uart1_rx_bufs, 100, g_RecvBuf);
/* use dma+idle to recv */
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, g_RecvTmpBuf, 10);
}
int UART1GetChar(uint8_t *pVal)
{
return circle_buf_read(&g_uart1_rx_bufs, pVal);
}
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
{
for (int i = 0; i < Size; i++)
{
circle_buf_write(&g_uart1_rx_bufs, g_RecvTmpBuf[i]);
}
/* re-use dma+idle to recv */
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, g_RecvTmpBuf, 10);
}
/* USER CODE END 1 */
main.c
int main(void)
{
/* USER CODE BEGIN 1 */
extern UART_HandleTypeDef huart1;
char *str1 = "I from www.100ask.net\r\n";
char *message = "I am DshanMCU-F103\r\n";
char *str2 = "please enter a char:\r\n";
char c;
/* USER CODE END 1 */
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
HAL_Init();
/* USER CODE BEGIN Init */
/* USER CODE END Init */
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* USER CODE BEGIN SysInit */
/* USER CODE END SysInit */
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_DMA_Init();
MX_I2C1_Init();
MX_USART1_UART_Init();
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
/*enable rxne interrupt*/
StartUART1Recv();
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)message, strlen(message), 100);
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)str1, strlen(str1), 100);
while (1)
{
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, (uint8_t *)str2, strlen(str2));
while(0 != UART1GetChar(&c));
c+=1;
HAL_UART_Transmit(&huart1, &c, 1, 100);
HAL_UART_Transmit(&huart1, "\r\n", 2, 100);
}
实验现象
五、总结
①.UART协议的优点
-
简单的硬件需求：只需要两根数据线，一个用来发送（TX），一个用来接收（RX），由于是异步通信，不需要额外的时钟信号线，进一步减少了硬件需求。
-
全双工通信能力：UART允许设备在一根线上发送数据，同时在另一根线上接收数据，实现全双工通信，提高了数据传输效率。
-
配置灵活性：用户可以根据需求配置不同的波特率和数据格式，提高了灵活的通信速率和适应不同通信场景的能力。
-
错误检测和处理机制：UART通过奇偶校验机制能够检测单个比特的错误，确保数据传输的正确性，并能够指示帧错误、奇偶校验错误等多种错误状态，有助于及时发现并处理通信中的问题。
-
中断驱动的操作方式：支持中断驱动的操作模式，可以在不占用CPU的情况下进行数据传输，从而释放CPU资源执行其他任务。
②.UART协议的缺点
-
数据传输速率较低：与诸如SPI或I2C等其他串行通信协议相比，UART的数据传输速率通常较低，这限制了其在高速数据传输需求场合的应用。
-
数据丢失问题：当接收端的数据缓冲区已满而无法及时处理新数据时，可能会发生数据丢失现象，这在一些高速或高容量数据传输应用中可能成为瓶颈。