串口通信原理——UART

1.通信接口背景知识

1.处理器与外部设备通信的两种方式

  1.                            ** 1.并行通信 **                                                             ** 2.串行通信**<br />                          传输原理：数据各个位同时传输                          传输原理：数据按位顺序传输<br />                           优点：速度快                                                      优点：占用引脚资源少<br />                          缺点：占用引脚资源多                                         缺点：速度相对较慢

2.串行通信

  1.                                               **    按照数据传送方向分为**<br />            **单工**：数据传输只支持数据在一个方向上传输。<br />           **半双工**：允许数据在两个方向上传输，但是，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信。<br />            **双工：**允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。<br />                                                            **串行通信三种传送方式**<br />                            ![8Y`[7}RQ%YAG6JT{[7XJJ_9.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2021/png/22507599/1630054436633-8fc77c2f-f59d-4707-b566-d8bd52c5e15d.png#clientId=u62a295c9-7558-4&from=paste&height=397&id=uc4971ae2&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=8Y%60%5B7%7DRQ%25YAG6JT%7B%5B7XJJ_9.png&originHeight=385&originWidth=485&originalType=binary&ratio=1&size=77946&status=done&style=none&taskId=u0abe0ef8-53a6-4ccb-868a-adfd47d090d&width=500)

3.串行通信的通信方式

  1.           **1.同步通信**：带时钟同步信号传输。         ----SPI，IIC通信接口<br />              ** 2.异步通信**：不带时钟同步信号。           ----UART（通用异步收发器），单总线

4.常见的串行通信接口

  1.                 ![@TI2H06TJD8LESG7W15Z(P9.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2021/png/22507599/1630054751761-471683f2-88d1-4ffe-a260-8496cbf7478d.png#clientId=u62a295c9-7558-4&from=paste&height=273&id=u74f6a48d&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=%40TI2H06TJD8LESG7W15Z%28P9.png&originHeight=328&originWidth=722&originalType=binary&ratio=1&size=86635&status=done&style=none&taskId=u47512dcb-50a7-48fe-8f00-45ec7be4b7b&width=600)

2.STM32串口通信基础

1.STM32的串口通信接口

UART 通用异步收发器
USART 通用同步异步收发器 （也可以做为UART来用）
大容量STM32F10x系列芯片，包含3个USART和2个UART

2.UART异步通信方式引脚连接方法

RXD:数据输入引脚 数据接受
TXD:数据发送引脚 数据发送
R8]Y@9G0AB2@J`8MVE07WDA.png
一些串口对应的引脚
![IE08VKTXUL24648_EA7`R6.png

3.UART异步通信的特点

  1.           全双工异步通信。<br />              分数波特率发生器系统，提供精确的波特率。<br />     -发送和接受共用的可编程波特率，最高可达4.5Mbits/s
  2.           (可编程的数据字长度 (8位或者9位) ;<br />              可配置的停止位(支持1或者2位停止位)<br />              (可配置的使用DMA多缓冲器通信<br />              单独的发送器和接收器使能位<br />              检测标志:①接受缓冲器②发送缓冲器空③传输结束标志
  3.           多个带标志的中断源。触发中断<br />              其他:校验控制，四个错误检测标志

4.串口通信过程

  1.          <br />                    ![T%X(T8231PYAT2E_8M@5E5X.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2021/png/22507599/1630055786649-f5a74733-a85b-4d03-b866-59c52221544d.png#clientId=u62a295c9-7558-4&from=paste&height=285&id=ub709acaf&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=T%25X%28T8231PYAT2E_8M%405E5X.png&originHeight=347&originWidth=731&originalType=binary&ratio=1&size=146365&status=done&style=none&taskId=u2bce634b-50f2-4978-aee3-37d2a0e9a85&width=600)

5.STM32串口异步通信需要定义的参数

  1.     ①起始位<br />②数据位（8位或者9位）<br />③奇偶校验位（第9位）      提高数据传输的准确率<br />④停止位（1,15,2位）500<br />⑤波特率设置<br />     <br />**1.起始位**<br /> 当未有数据发送时，数据线处于逻辑“1”状态；先发出一个逻辑“0”信号，表示开始传输字符

2.数据位
紧随起始位之后，数据位表示真正要发送或接收的信息，位数一般有8位或9位

3.奇偶校验位
数据位末尾可以选择是否添加奇偶校验位，用于检测数据传输是否正确

4.停止位
代表信息传输结束的标志位，可以是1位，1.5位或2位。停止位的位数越多，数据传输的速率也越慢

5.波特率设置
波特率表示每秒钟传输码元的个数，是衡量数据传输速率的指标，单位Baud
![Q8K6~~C@@IEMW%ZFI9{99I.png

6.STM32RF1串口框图

  1.                           ![GW}{]OF8O@I{8{6V74IL`8F.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2021/png/22507599/1630057113309-a2cf01f1-d0dc-4bb2-8608-8fc40dbccfde.png#clientId=u658b14de-eada-4&from=paste&height=436&id=uca98afb4&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=GW%7D%7B%5DOF8O%40I%7B8%7B6V74IL%608F.png&originHeight=784&originWidth=720&originalType=binary&ratio=1&size=219210&status=done&style=none&taskId=u251a84d6-17ba-4917-aaba-951c4eecf53&width=400)<br />                学习网址:[https://www.cnblogs.com/wenshinlee/p/8970528.html](https://www.cnblogs.com/wenshinlee/p/8970528.html)<br />                            很详细地介绍了各部分的功能，可以学习参考。

3.STM32串口寄存器库函数配置方法

1.STM32串口常用寄存器和库函数

  1.                   可以参考STM32中文参考手册25.6USART寄存器描述<br />                         **  状态寄存器(USART_SR)**   了解<br />                      例如：![25}%M6@XKWN6%4_QBNZN[7X.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2021/png/22507599/1630058033023-ebcf36e5-92a3-43cb-a433-d5811c3a2a9c.png#clientId=u658b14de-eada-4&from=paste&height=83&id=u038184f2&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=25%7D%25M6%40XKWN6%254_QBNZN%5B7X.png&originHeight=118&originWidth=566&originalType=binary&ratio=1&size=30768&status=done&style=none&taskId=u165696a6-b3a9-4326-b742-d9785dffad5&width=400)<br />                         **  数据寄存器(USART_DR)**    了解<br />                       常用： ![OP7$8L]3]@2PXQP6D5113[V.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2021/png/22507599/1630057880931-fc6e3600-d4a0-4568-a4c7-26a780e9c0b8.png#clientId=u658b14de-eada-4&from=paste&height=89&id=u2fcaf678&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=OP7%248L%5D3%5D%402PXQP6D5113%5BV.png&originHeight=125&originWidth=560&originalType=binary&ratio=1&size=41361&status=done&style=none&taskId=u27f4454a-76c3-4a0b-8471-fc0abbe8baf&width=400)<br />                        **   波特比率寄存器(USART_BRR)**   重要<br />                                 ![RH7MUV}IZGY9~G11VB8[801.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2021/png/22507599/1630057985100-c6e1ef5a-2ace-4c1f-ad12-0f8b96e9bb08.png#clientId=u658b14de-eada-4&from=paste&height=130&id=ucf1251fa&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=RH7MUV%7DIZGY9~G11VB8%5B801.png&originHeight=213&originWidth=657&originalType=binary&ratio=1&size=35249&status=done&style=none&taskId=ue2649e49-a02c-4f9e-97fe-a4b6b70c524&width=400)<br />                        **控制寄存器 1(USART_CR1)  **常用<br />                      具有独立使能位   例如   中断使能、发送使能、接收使能

2.波特率计算方法

  1.            ![78E}$[VBKH$]]5$A[U{`AY0.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2021/png/22507599/1630058199941-274fbca4-d361-4486-acd6-3ae871b98fdb.png#clientId=u658b14de-eada-4&from=paste&height=396&id=uc517d03f&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=78E%7D%24%5BVBKH%24%5D%5D5%24A%5BU%7B%60AY0.png&originHeight=777&originWidth=1177&originalType=binary&ratio=1&size=766879&status=done&style=none&taskId=u96502c33-5489-4207-b53b-e77ccb189b0&width=600)

3.串口操作相关库函数

  1.           void USART nit();//串口初始化:波特率，数据字长，奇偶校验，硬件流控以及收发使能
  2.           void USART Cmd();//使能串口<br />              void USART ITConfig/);//使能相关中断
  1.          void USART SendData);//发送数据到串口，DR<br />             uint16 t USART ReceiveData();//接受数据，从DR读取接受到的数据
  3.           FlagStatus USART GetFlagStatus);/获取状态标志位
  1.          void USART_ ClearFlag/);//清除状态标志位
  1.          ITStatus USART GetlTStatus);//获取中断状态标志位
  1.          void USART ClearlTPendingBit(;//清 除中断状态标志位

4.串口配置一般步骤

1.硬件设计

  1.                                    1.   PA9,PA10（串口1）连接到了USB串口电路<br />                    ![{4(P_PQNQU${IQ~1YVQ@(L6.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2021/png/22507599/1630067809703-fbfd6d65-bb36-47f2-b136-d1993d56dff3.png#clientId=u51d79aca-872b-4&from=paste&height=219&id=u1785fa97&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=%7B4%28P_PQNQU%24%7BIQ~1YVQ%40%28L6.png&originHeight=164&originWidth=299&originalType=binary&ratio=1&size=37143&status=done&style=none&taskId=ub8fbf238-f60b-44ff-a216-2856af25437&width=400)

2.软件设计

  1.           ![1JTG02RZ1K(0(RUB6W6((Y8.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2021/png/22507599/1630059830401-6e6a8547-f25c-4784-b07c-3ce59b761c80.png#clientId=u658b14de-eada-4&from=paste&height=357&id=u47359a7f&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=1JTG02RZ1K%280%28RUB6W6%28%28Y8.png&originHeight=665&originWidth=1212&originalType=binary&ratio=1&size=1307983&status=done&style=none&taskId=u0121c3ee-a343-4b68-8dcc-c0840918c46&width=650)<br />                           配置全双工的串口 1，那么 TX(PA9) 管脚需要配置为推挽复用输出， RX(PA10)管脚配置为浮空输入或者带上拉输入。 参考如下<br />                            ![UB(L9A@@]Y){GZU}JK1I$H8.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2021/png/22507599/1630068041571-5077329a-54ae-4051-9731-06868fb665b8.png#clientId=u51d79aca-872b-4&from=paste&height=117&id=ua1fb3b74&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=UB%28L9A%40%40%5DY%29%7BGZU%7DJK1I%24H8.png&originHeight=186&originWidth=792&originalType=binary&ratio=1&size=46335&status=done&style=none&taskId=u0edf3117-56ea-45e6-9df3-d3283b0e3cf&width=500)<br /> <br />

4.串口通信实验讲解

1.头文件usart.h分析

  1. #ifndef __USART_H
  2. #define __USART_H
  3. #include "stdio.h"    
  4. #include "sys.h" 
  5. #define USART_REC_LEN              200      //定义最大接收字节数 200
  6. #define EN_USART1_RX             1        //使能（1）/禁止（0）串口1接收
  8. extern u8  USART_RX_BUF[USART_REC_LEN]; //接收缓冲,最大USART_REC_LEN个字节.末字节为换行符 
  9. extern u16 USART_RX_STA;                 //接收状态标记    
  10. void uart_init(u32 bound);
  11. #endif

u8 USART_RX_BUF[USART_REC_LEN]; //接收缓冲,最大USART_REC_LEN个字节.
u16 USART_RX_STA=0; //接收状态标记 bit15， 接收完成标志
bit14， 接收到0x0d
bit13~0， 接收到的有效字节数目
HNEYEWA0}90GWO9~`NFGRM4.png
程序要求，发送的字符是以回车换行结束（0x0D,0x0A)

2.usart.c分析

  1.        **uart_init(u32 bound) //主函数调用设置波特率**
  1. void uart_init(u32 bound)
  2. {
  3.     //GPIO端口设置
  4.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  5.     USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
  6.     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
  8.     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);    //使能USART1，GPIOA时钟
  10.     //USART1_TX   GPIOA.9
  11.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; //PA.9
  12.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  13.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;    //复用推挽输出
  14.     GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOA.9
  16.     //USART1_RX      GPIOA.10初始化
  17.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;//PA10
  18.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入
  19.     GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIOA.10  
  21.     //Usart1 NVIC 配置
  22.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
  23.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;//抢占优先级3
  24.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;        //子优先级3
  25.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;            //IRQ通道使能
  26.     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);    //根据指定的参数初始化VIC寄存器
  28.     //USART 初始化设置
  30.     USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//串口波特率
  31.     USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长为8位数据格式
  32.     USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//一个停止位
  33.     USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//无奇偶校验位
  34.     USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//无硬件数据流控制
  35.     USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;    //收发模式
  37.   USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); //初始化串口1
  38.   USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启串口接受中断
  39.   USART_Cmd(USART1, ENABLE);                    //使能串口1 
  41. }
  1.        <br />             **   编写中断处理函数**
  1. void USART1_IRQHandler(void)                    //串口1中断服务程序
  2. {
  3.     u8 Res;
  4. #if SYSTEM_SUPPORT_OS         //如果SYSTEM_SUPPORT_OS为真，则需要支持OS.
  5.     OSIntEnter();    
  6. #endif
  7.     if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)  //接收中断(接收到的数据必须是0x0d 0x0a结尾)
  8.         {
  9.         Res =USART_ReceiveData(USART1);    //读取接收到的数据
  11.         if((USART_RX_STA&0x8000)==0)//接收未完成
  12.             {
  13.             if(USART_RX_STA&0x4000)//接收到了0x0d
  14.                 {
  15.                 if(Res!=0x0a)USART_RX_STA=0;//接收错误,重新开始
  16.                 else USART_RX_STA|=0x8000;    //接收完成了 
  17.                 }
  18.             else //还没收到0X0D
  19.                 {    
  20.                 if(Res==0x0d)USART_RX_STA|=0x4000;
  21.                 else
  22.                     {
  23.                     USART_RX_BUF[USART_RX_STA&0X3FFF]=Res ;
  24.                     USART_RX_STA++;
  25.                     if(USART_RX_STA>(USART_REC_LEN-1))USART_RX_STA=0;//接收数据错误,重新开始接收      
  26.                     }         
  27.                 }
  28.             }            
  29.      } 
  30. #if SYSTEM_SUPPORT_OS     //如果SYSTEM_SUPPORT_OS为真，则需要支持OS.
  31.     OSIntExit();                                               
  32. #endif
  33. } 
  34. #endif

USART_GetITStatus()：用于获取接收状态，即是否开启接收
USART_ReceiveData()：获得当前接收到的数据，数据长度8位
USART_RX_STA：接收的状态标志，数据长度16位，第14位、15位对接收结束的判断，第0~13位是接收数据的长度。
USART_RX_BUF[ ]：数据存储栈，将接受到的数据依次存储
中断服务过程

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当 USART_GetITStatus读取到起始位时触发更新请求，代表数据开始接收。用USART_ReceiveData()读取当前接收的数据，如果不是0x0d，则将数据保存到BUF中，如果连续接收到了0x0d(回车),0x0a(换行)表示数据接收结束，STA的第15位置1，在主程序main()中执行相关操作并等待开启下一次的数据接收（当STA=0时表示数据可以被接收存储）。