STM32 学习笔记（八）USART串口

标签：发送 USART NVIC STM32 串口 GPIO Serial

该系列为笔者在学习STM32过程（主线是江科大的视频）中的记录与发散思考。

初学难免有所纰漏、错误，还望大家不吝指正，感谢~

1. 通信接口与串口通信

1.1 通信接口概述

通信接口是用于设备间传输数据的硬件接口。常见的通信接口包括并行接口和串行接口。

双工：全双工可以同时接收、发送（有专门的接收线、发送线）。半双工用同一根线发送和接收。
时钟特性：同步有专门的时钟线，可以在时钟信号的指引下进行采样。异步需要约定一个采样频率
电平：单端信号对GND电压差，差分两个差分引脚之间的电压差。
设备：点对点直接传输，多设备需要寻址找到对象。（找到那个Ta~）

1.2 串口通信简介

串口通信（Serial Communication）是一种通过单根数据线按顺序逐位传输数据的通信方式。它通常用于设备间的数据传输，因其硬件接口简单、传输距离较长、成本低廉而被广泛应用。

USB转串口模块:是一种将USB接口转换为标准串口（RS232或TTL）接口的设备。它通过USB端口连接到计算机或嵌入式设备，再通过串口与其他设备进行数据交换。该模块常用于没有传统串口接口的设备，如计算机、笔记本等，或作为串口设备的调试工具。
陀螺仪传感器:是一种用于测量角速度的传感器。它可以测量设备相对于某一轴的旋转角速度。许多嵌入式项目中，如惯性测量单元（IMU）、机器人控制、姿态检测等，都会使用陀螺仪传感器。
蓝牙串口模块:是用于无线串口通信的模块，它通过蓝牙无线技术与其他蓝牙设备进行数据交换。蓝牙串口模块将串口数据转换为蓝牙信号，实现设备间的无线通信。常见的蓝牙串口模块包括HC-05、HC-06等。

1.3 串口参数

波特率：二进制下，与比特率等价，如1000bps=1秒发1000位=1ms发送一位。
起始位&停止位：空闲状态为高电平，起始位低电平产生下降沿，表示传输开始。传输结束，停止位高电平为下次传输做准备。
数据位：由低位开始发送，要传输00001111，按11110000顺序发送。
- 8位数据：常见于大多数应用场合，每个数据帧包含8位有效数据。
- 9位数据：适用于需要更多数据位的应用场景（比如需要校验位）。
校验位：由奇偶校验或无校验决定补1还是补0，效果不是很好，可以了解一下CRC校验。

2. 硬件电路与电平标准

2.1 硬件电路

在STM32中，USART模块通常通过引脚进行连接与外部设备。USART的常见连接引脚包括：

TX ：发送数据引脚。
RX ：接收数据引脚。
GND：TX、RX的电压都是相对GND的，所以必须要接。
VCC：如果双方独立供电，可以不接。

这些引脚通过电路连接到外部设备，允许数据的发送与接收。STM32的USART接口支持多种波特率、数据位长度、停止位配置，适应不同的应用需求。

2.2 电平标准

USART的电平标准通常采用TTL（Transistor-Transistor Logic）电平或RS-232标准。具体选择取决于通信的设备类型和电压要求：

三种电平标准如图：

（后续内容都是用TTL电平标准）

3. USART简介与框图

3.1 USART简介

USART是一个双向串口通信接口，通常用于微控制器与其他设备之间的串行数据传输。它的功能包括：

发送数据：将数据从内存传输到外设。
接收数据：从外设接收数据并存储到内存。
异步和同步模式：支持在不同的时序下进行数据传输。

USART的基本功能是将数据转换为适合串口传输的格式（数据帧），并通过TX引脚发送，同时接收端通过RX引脚接收数据并恢复为原始格式。

3.2 USART框图

发送数据寄存器（TDR）：用于存储待发送的数据，发送至发送移位寄存器时，TXE置1，写入下一个数据。
接收数据寄存器（RDR）：用于存储接收到的数据，接收到数据时，RXNE置1，读取该数据。
硬件数据流控：nRTS(Request to Send)，请求发送，输出脚；nCTS(Clear to Send)，清除发送，是输入脚，用于接收nRTS信号。n表示低电平有效。RTS 置低电平时，可以接收数据。CTS通过接收相应的RTS信号，来决定是否能够发送数据。两设备CTS、RTS交叉连接。

（其他信息听课复习吧＞﹏＜）

在STM32中，USART模块控制数据的发送与接收，并与外部设备（如PC或其他串口设备）连接，通过串行数据帧传输信息。

4. USART基本结构

USART的基本结构由多个模块组成，主要包括：

发送数据寄存器（TDR）：用于存储待发送的数据。
接收数据寄存器（RDR）：用于存储接收到的数据。
波特率发生器：用来控制数据传输的速度。
控制寄存器（发送/接收）：用来控制USART的工作模式，如启用发送、接收功能。
数据帧格式：决定数据的组织方式，包括数据位、停止位、奇偶校验等。

5. 数据帧

5.1 数据帧格式

在串口通信中，数据通过数据帧进行传输。每个数据帧通常包括以下部分：

起始位：一个比特，用于指示数据的开始。
数据位：实际传输的数据，通常为8位或9位。
校验位（可选）：用于检测数据传输中的错误，常见的有奇偶校验。
停止位：指示数据帧结束，通常为1位、1.5位或2位。

5.2 起始位侦测

USART接收数据时，首先会侦测起始位（检测到下降沿后，连续采样16位，每3位至少两个0该“起始位”才有效，如果出现1，则NE置1，表示数据接收存在噪声干扰），然后开始接收后续的数据位（第8 9 10次进行数据采样）。

6. 数据采样与波特率发生器

6.1 数据采样

USART的接收端会根据预设的波特率进行数据采样。三次采样，以出现次数多的为准，不全是0/1的情况下，NE置1，表示数据接收有噪声干扰。

6.2 波特率发生器

常见的波特率有9600、115200等，用户根据通信需求配置合适的波特率。波特率的配置需要确保发送和接收双方使用相同的波特率，否则数据会出现错误。

7.代码部分

附上来自老师的串口接收/发送代码，便于复习相关知识（￣︶￣）↗　

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>

uint8_t Serial_RxData;		//定义串口接收的数据变量
uint8_t Serial_RxFlag;		//定义串口接收的标志位变量

/**
  * 函    数：串口初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void Serial_Init(void)
{
	/*开启时钟*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);	//开启USART1的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	//开启GPIOA的时钟
	
	/*GPIO初始化*/
	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);					//将PA9引脚初始化为复用推挽输出
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PA10引脚初始化为上拉输入
	
	/*USART初始化*/
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;					//定义结构体变量
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;				//波特率
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;	//硬件流控制，不需要
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;	//模式，发送模式和接收模式均选择
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;		//奇偶校验，不需要
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;	//停止位，选择1位
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;		//字长，选择8位
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);				//将结构体变量交给USART_Init，配置USART1
	
	/*中断输出配置*/
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);			//开启串口接收数据的中断
	
	/*NVIC中断分组*/
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);			//配置NVIC为分组2
	
	/*NVIC配置*/
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;					//定义结构体变量
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;		//选择配置NVIC的USART1线
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;			//指定NVIC线路使能
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;		//指定NVIC线路的抢占优先级为1
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;		//指定NVIC线路的响应优先级为1
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);							//将结构体变量交给NVIC_Init，配置NVIC外设
	
	/*USART使能*/
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);								//使能USART1，串口开始运行
}

/**
  * 函    数：串口发送一个字节
  * 参    数：Byte 要发送的一个字节
  * 返 回 值：无
  */
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendData(USART1, Byte);		//将字节数据写入数据寄存器，写入后USART自动生成时序波形
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);	//等待发送完成
	/*下次写入数据寄存器会自动清除发送完成标志位，故此循环后，无需清除标志位*/
}

/**
  * 函    数：串口发送一个数组
  * 参    数：Array 要发送数组的首地址
  * 参    数：Length 要发送数组的长度
  * 返 回 值：无
  */
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length)
{
	uint16_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)		//遍历数组
	{
		Serial_SendByte(Array[i]);		//依次调用Serial_SendByte发送每个字节数据
	}
}

/**
  * 函    数：串口发送一个字符串
  * 参    数：String 要发送字符串的首地址
  * 返 回 值：无
  */
void Serial_SendString(char *String)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; String[i] != '\0'; i ++)//遍历字符数组（字符串），遇到字符串结束标志位后停止
	{
		Serial_SendByte(String[i]);		//依次调用Serial_SendByte发送每个字节数据
	}
}

/**
  * 函    数：次方函数（内部使用）
  * 返 回 值：返回值等于X的Y次方
  */
uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{
	uint32_t Result = 1;	//设置结果初值为1
	while (Y --)			//执行Y次
	{
		Result *= X;		//将X累乘到结果
	}
	return Result;
}

/**
  * 函    数：串口发送数字
  * 参    数：Number 要发送的数字，范围：0~4294967295
  * 参    数：Length 要发送数字的长度，范围：0~10
  * 返 回 值：无
  */
void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)		//根据数字长度遍历数字的每一位
	{
		Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');	//依次调用Serial_SendByte发送每位数字
	}
}

/**
  * 函    数：使用printf需要重定向的底层函数
  * 参    数：保持原始格式即可，无需变动
  * 返 回 值：保持原始格式即可，无需变动
  */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
	Serial_SendByte(ch);			//将printf的底层重定向到自己的发送字节函数
	return ch;
}

/**
  * 函    数：自己封装的prinf函数
  * 参    数：format 格式化字符串
  * 参    数：... 可变的参数列表
  * 返 回 值：无
  */
void Serial_Printf(char *format, ...)
{
	char String[100];				//定义字符数组
	va_list arg;					//定义可变参数列表数据类型的变量arg
	va_start(arg, format);			//从format开始，接收参数列表到arg变量
	vsprintf(String, format, arg);	//使用vsprintf打印格式化字符串和参数列表到字符数组中
	va_end(arg);					//结束变量arg
	Serial_SendString(String);		//串口发送字符数组（字符串）
}

/**
  * 函    数：获取串口接收标志位
  * 参    数：无
  * 返 回 值：串口接收标志位，范围：0~1，接收到数据后，标志位置1，读取后标志位自动清零
  */
uint8_t Serial_GetRxFlag(void)
{
	if (Serial_RxFlag == 1)			//如果标志位为1
	{
		Serial_RxFlag = 0;
		return 1;					//则返回1，并自动清零标志位
	}
	return 0;						//如果标志位为0，则返回0
}

/**
  * 函    数：获取串口接收的数据
  * 参    数：无
  * 返 回 值：接收的数据，范围：0~255
  */
uint8_t Serial_GetRxData(void)
{
	return Serial_RxData;			//返回接收的数据变量
}

/**
  * 函    数：USART1中断函数
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：此函数为中断函数，无需调用，中断触发后自动执行
  *           函数名为预留的指定名称，可以从启动文件复制
  *           请确保函数名正确，不能有任何差异，否则中断函数将不能进入
  */
void USART1_IRQHandler(void)
{
	if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)		//判断是否是USART1的接收事件触发的中断
	{
		Serial_RxData = USART_ReceiveData(USART1);				//读取数据寄存器，存放在接收的数据变量
		Serial_RxFlag = 1;										//置接收标志位变量为1
		USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);			//清除USART1的RXNE标志位
																//读取数据寄存器会自动清除此标志位
																//如果已经读取了数据寄存器，也可以不执行此代码
	}
}

感谢阅读，一起去明天。♪(´▽｀)

标签：发送,USART,NVIC,STM32,串口,GPIO,Serial
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