基于STM32学习USART串口通信及应用
前言：
学习笔记，若有侵犯请告知删改
参 考：[9-1] USART串口协议_哔哩哔哩_bilibili
串口通信原理与实践-优快云博客
江科大学习笔记——USART串口通信_江科大串口通信程序-优快云博客
STM32江科大————USART串口通信_32江科大usart串口-优快云博客
通信接口
【通信目的】：一对或者多设备之间进行数据传输，拓展功能
【通信协议】：制定通信的规则，通信双方按照协议规则进行数据收发
USART：TX（数据发送脚）、RX（数据接收脚）
I2C：SCL（时钟）、SDA（数据）
SPI：SCLK（时钟）、MOSI（主机输出数据脚）数据发送、MISO（主机输入数据脚）数据接收、CS（片选，用于指定通信的对象）
CAN：CAN_H、CAN_L（差分数据脚，用2个引脚表示差分数据)
USB：DP（也叫D+）、DM（D-）也是一对差分数据脚。
【双工模式】
全双工：通信双方能够同时双向通信。通常两根数据线，发送线路和接收线路互不影响（打电话）
半双工：只有一根数据线，I2C、CAN、USB。CAN和USB两根差分线组合成一根线（对讲机）
单工：数据只能从一个设备到另一个设备，不能反着来（广播）。
【时钟特性】（对的时间做对的事）
同步：同一时钟节拍下工作。I2C、SPI有单独的时钟线，所以同步，接收方可以在时钟的指引下进行采样。
异步：在相同的频率下工作，只看起始和结束。USART、CAN、USB没有时钟线，需要双方约定一个采样频率，并还需加帧头帧尾等，进行采样位置的对齐。
【电平特性】
单端：USART、I2C、SPI，引脚的高低电平都是对GND的电压差，所以单端信号通信双方必须要共地，就是把GND接在一起。所以这3个引脚前必须加GND引脚。
差分：没有参考电平线，靠2个差分引脚的电压差来传输信号，是差分信号，在通信的时候，不需要GND。不过USB协议也有一些地方需要单端信号，所以USB还是需要供地的，性能优，距离远，抗干扰强。
【设备通信】
点对点：只有两个设备
多设备：需要有寻址的过程，确定对象是谁
串口通信USART
USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）通用同步/异步收发器 是一种应用十分广泛的通讯接口，串口成本低、容易使用、通信线路简单，可实现两个设备点对点的互相通信，并且串口通信每次同时只能传输1个二进制位（与并行的区别）。
STM32内部集成了USART硬件外设，可根据数据寄存器的一个字节数据自动生成数据帧时序，从TX引脚发送出去，也可自动接收RX引脚的数据帧时序，拼接为一个字节数据，存放在数据寄存器里。USART自带波特率发生器，最高达4.5Mbits/s 可配置数据位长度（8/9）、停止位长度（0.5/1/1.5/2） 可选校验位（无校验/奇校验/偶校验） 支持同步模式（CLK输出）、硬件流控制（防止发送太快导致接收数据丢弃或覆盖）、DMA、智能卡、IrDA、LIN
单片机的串口可以使单片机与单片机、单片机与电脑、单片机与各式各样的模块互相通信，极大地扩展了单片机的应用范围，增强了单片机系统的硬件实力。常见硬件有蓝牙模块、语言模块、陀螺仪模块。
STM32F103C8T6 中的USART资源包括： USART1、 USART2、 USART3（USART1在APB2上72M，USART2和3在APB1上36M）
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硬件电路
- 简单双向串口通信有两根通信线（发送端TX和接收端RX） TX与RX要交叉连接
- 当只需单向的数据传输时，可以只接一根通信线（只用收或者发）
- 当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片(前面说了，单端、共地参考)
【电平标准】
电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系，串口常用的电平标准有如下三种：
TTL电平：+3.3V（STM32）或+5V（51）表示1，0V表示0
RS232电平：-3~-15V表示1，+3~+15V表示0
RS485电平：两线压差+2~+6V表示1，-2~-6V表示0（差分信号）
串口参数以及时序
十位和十一位（多个校验位）数据帧
【波特率】
波特率，是串口通信的速率，也就是串口通信时每秒钟可以传输多少个二进制位。波特率就是9600说明每秒钟可以传输9600个二进制位数据（传输一个二进制位需要的时间是1/9600秒，也就是104us）。串口通信的波特率不能随意设定，一般最常见的波特率是9600或115200（发送和接收波特率必须一致）。
【串口通信的通信单元】
串口通信时，收发是一个周期一个周期进行的，每个周期传输n个二进制位。这一个周期就叫做一个通信单元，一个通信单元由：起始位+数据位+奇偶校验位+停止位组成的。通信单元再通信时双方事需要先约定好
起始位：表示发送方要开始发送一个通信单元，起始位的定义是串口通信标准事先指定的，是由通信线上的电平变化来反映的。（串口通信固定为低电平0）
数据位：是一个通信单元中发送的有效信息位（低位先行），是本次通信真正要发送的有效数据，串口通信一次发送多少位有效数据是可以设定的（可选的有6、7、8、9，一般都是选择8位数据位，因为一般通过串口发送的文字信息都是ASCII码编码，而ASCII码中一个字符刚好编码为8位）
校验位：是用来校验数据位，以防止数据位出错的。常见有无校验（10位数据帧）、奇或偶标志位（11位数据帧，第八位奇0偶1判断 二进制 1 的个数）
停止位：是发送方用来表示本通信单元结束标志的，停止位的定义是串口通信标准事先指定的，是由通信线上的电平变化来反映的。常见的有1位停止位、1.5位停止位、2位停止位等（图中有），一般使用的是1位停止位。（串口通信固定为高电平1, 通信空闲状态也为1）。
USART内部框图
- 发送寄存器和接受寄存器占用同一个地址。
- 进行写操作时，数据写到TDR。进行读操作，数据从RDR读出来。
- 发送寄存器：把一个字节的数据一位一位地移出去。
- 若硬件检测到发送寄存器没有数据移位，TDR地数据就会一位一位移动到发送寄存器。当数据从TDR移动到发送寄存器就会置标志位。TXE为1，说明可以在TDR写入下一个数据。但TXE置1了并不是前面的数据已经从发送寄存器移出去。
- TX从发送移位寄存器移位，RX从接收移位寄存器移位。
- 硬件数据流控，简称流控。nRTS(Request To Send)是请求发送，是输出脚，nCTS(Clear To Send)是清除发送，是输入脚，这里的n都表示低电平有效。nRTS用于告诉别人能不能传输信号，nCTS用于接收nRTS信号。
- 可以触发串口中断实现
数据发送过程：首先写操作过后，数据来到TDR后会一整个字节一次性进入发送移位寄存器，此时会在SR状态寄存器里面置一个标志位TXE（TX Empty发送数据寄存器空），如果该标志位置1了，就可以在TDR立马写入下一个数据，此时数据还在发送移位寄存器里面，数据并未发送出去，然后发送移位寄存器会在绿色发生器控制的控制下，向右移位将数据从TX引脚发送出去，刚好对应串口协议低位先行，比如写操作写入0x55给TDR，此时寄存器里面就是原数据0101 0101，那么原数据向右移位就把最低位1先发送出去了，作为发送数据的最高位（低位先行，高位填充），然后依次发送剩下的010 1010，最终得到发送数据1010 1010，这就是串行发送。
数据接收过程：从RX引脚接收到数据，然后一位一位的读取引脚电平，读取到的第一个电平放在接收移位寄存器最高位，然后接收器控制器会控制接收移位寄存器向右移位，也就是将高位数据移到低位，移位之后再读取第二个电平放在最高位再右移，以此类推移位8次接受一个字节，置位SR状态寄存器RXNE（接收数据寄存器非空）。比如发送0x55，接收时RX引脚接收到的数据是1010 1010，把一个电平0放在最高位，然后移位原数据，再读取第二个电平1再移位，移位8次得到一个字节0101 0101之后，整个数据会一下到RDR里面并在状态寄存器里置标志位RXNE（RX Not Empty）=1，也就是并行接收
注意：发送时候加帧头帧尾和接收时候去帧头帧尾外设自己完成了，我们不用管
【简化结构图】
USART的PCLKx分频得到发送控制器和接收控制器的波特率，写操作可以判断标志位TXE，由发送控制器控制从TDR到移位寄存器到TX，读操作依据判断标志位RXNE，由接收控制器控制从RX到移位寄存器到RDR，最后Cmd开启外设即可。
【波特率发生器】
波特率发生器中，对APBx时钟分频得到对应发送和接收的时钟，fPCLKx(x=1或2)，USART1挂载在APB2上是PCLK2的72MHZ时钟，USART2和3在APB1上是PCLK1的36MHZ时钟，USARTDIV是分频系数，可以支持到小数点后四位，确保分频更加精准，分频完成之后还要再除以16(内部使用了16倍波特率的采样时钟)才能得到发生器和接收器时钟频率。
发送器和接收器的波特率由波特率寄存器BRR里的DIV确定
计算公式：波特率 = fPCLK2/1 / (16 * DIV) ，一般定波特率需要求解的数值是DIV
USART数据帧
【字长配置】
通常是9位数据位带校验或者是8位数据位不带校验的方式，为上升沿采样，上升沿对应每一个数据的中间，时钟速率和数据速率一致。
空闲帧就是从头到尾都是高电平，断开帧就是从头到尾都是低电平
串口输出定时翻转TX电平即可，输入时不仅要保证采样频率和波特率一致，还要保证每次输入采样的位置正好在没一位的正中间，这样子采样才是最可靠的，另外输入还要判断噪声干捞，因此复杂的多。
【停止位配置】
通常停止位一位即可
【起始位侦测】
当输入电路侦测到一个数据帧的起始位后（也就是一个下降沿）就会以波特率的频率连续采样一帧数据。同时，从起始位开始采样位置（时钟上升沿）就要对齐到位的正中间，一般只要第一位对齐了后面就都齐了。
输入电路对起始位侦测的采样时钟进行细分，会以波特率的16倍进行采样，使一位数据之间要采样16次(1位的时间里采集16次数据)。
首先要要检测起始位，在空闲状态时候检测的全部都是1，而当检测到0的时候，产生下降沿，如果这个下降沿不是由于噪声产生的，那么后面的就应该是起始位了，这个时候就对起始位进行16次采样，采取每三位（3、5、7）至少两位是0这个才是起始位，否则舍弃这几次采样，再次寻找下一个下降沿再次判断是否是起始位，如果有噪声则会置标志位NE（Noisy Error），数据能够使用但是提醒你谨慎使用。当确定这是起始位之后，接收状态就会由空闲变成接收起始位，这个图中在8，9，10次采样（至少两位是0）才开始变为接收起始位状态，8，9，10三次采样肯定是在起始位正中间的，那么后续数据的16次采样，我们采样8，9，10这三次采样的地方肯定也位于后续数据正中间。
【数据采样】
在一个数据位有16个采样时钟的数据长度，由于起始位侦测已经对齐了采样时钟，所以直接在中间的第8、9、10次连续采样三次，没有噪声影响便全为0或1，或者是受到了噪声的影响两位是0或1，同时置为NE标志，告诉你存在噪声。
数据格式
HEX模式/十六进制模式/二进制模式：以原始数据的形式显示
文本模式/字符模式：以原始数据编码后的形式显示
CH340
CH340内部原理图
硬件接线：
CH340中短接VCC-3.3V
PA9（USART1_TXD）----RXD
PA10（USART1_TXD）--TXD
GND----------------------------GND共地
电脑USB-----------------------CH340USB
连接好后出现出现COM9，若没有要么就是串口烧了识别不出，要么就是没有安装串口驱动（网上有很多教程，江科大视频最前面几个很详细）
蓝牙
编程实现
代码源于江科大STM32！！！库函数位于stm32f10x_usart.h，用什么学什么
串口发送+接收
1. 初始化
1.1开启USART1时钟APB2，开启GPIOA时钟APB2
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
1.2初始化GPIOA PA9输出TXD--复用推挽 PA10输入RXD--浮空或者上拉
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;（IPU）
1.3初始化USART （8位字长无校验、1位停止位、波特率9600）
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，选择为发送模式|接收模式
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);
2. 发送一个字节函数
2.1 调用发送数据函数 //将字节数据写入数据寄存器，写入后USART自动生成时序波形
USART_SendData(USART1, Byte);
2.2 等待发送完成 //利用TXE发送标志位空判断，等其置为1（自动清0）发送完成一个字节
while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
3. 发送一个数组
用指针传递数组， 设定长度，循环利调用发送一个字节函数发送
4. 发送字符串 （文本模式）
同理使用指针传递字符串，利用字符串末尾停止位为\0的特性判断字符串发送循环完成
5. 发送数字
利用数字长度以及对应位对10取模取出每一位数据，加上0数字的ASCII码‘0’或者0x30作为偏移
5.1创建一个次方函数，用于数字/10的y次方，取出该位
5.2 循环发送
6. 接收方
6.1 方法1：主函数中循环判断标志位RXNE（接收寄存器非空，即当数据从移位寄存器移动到RDR时置为1，对DR读取时硬件自动清零）的状态，然后读DR，使用OLED显示出来。
if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)
{
Serial_RxData = USART_ReceiveData(USART1);//读取数据寄存器，存放在接收的数据变量
}
6.2 方法2：串口中断
（1） 首先通过USART_IT_RXNE开启串口接收IT中断
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE); //开启串口接收数据的中断
（2）NVIC中断分组
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //配置NVIC为分组2
（3）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);
（3）调用中断函数 （在启动文件md.h中）
其中两个变量是为了方便调用和写主函数，建议extern作为全局变量或者是定义函数调用，可不清除RXNE标志位。为验证数据接收与发送的是否一致，可以进行数据回传，再发送RxData回去
Printf函数实现（可发文字）
1.打开Micro LIB精简库
2.重定向fputc
#include <stdio.h>
/**
* 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的底层重定向到串口中自己的发送字节函数
return ch;
}此时可以直接调用printf("\r\nNum2=%d", 222); 输出，但是只能有一个printf。不使用重定向而是使用sprintf打印到字符数组，再用串口发送字符数组，此方法打印到字符数组，之后想怎么处理都可以，可在多处使用
char String[100]; //定义字符数组
sprintf(String, "\r\nNum3=%d", 333);//使用sprintf，把格式化字符串打印到字符数组
Serial_SendString(String); //串口发送字符数组（字符串）
3.封装的prinf函数（抄就完了）
#include <stdarg.h>
/**
* 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, ...)//C语言可变参数
{
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）
}
4.print输出格式乱码问题
（1）串口助手和Keil文字编码格式保持一致（中文推荐GB2312--GBK）
（2）若一定相使用UTF-8则Keil中修改参数
（3）批量转码工具
UltraCodingSwitch.exe进行转码
拓展：串口数据包
作用：把一个个单独的数据给打包起来方便进行多字节的通信
HEX数据包-数据以本身的形式出现
添加包头包尾进行数据判断，可以自由定义，若数据与包头包尾重复，怎么办？
（1）固定包长，对齐包头包尾，就能分清楚数据与包头尾了
（2）数据限幅，只发生非包头包尾的数据
（3）添加包头包尾的数量，减少重复
文本数据包-数据每个字节都要经过一层编码和译码，最终表现出文本形式
由于文本内容数据过多，不用在意包头包尾重复的形式，但是解析效率低
发送较为简单无疑发送HEX就是发送数组，发送文本就约等于发送字符串，接收却难
固定包长 HEX数据包接收
引入状态机的思维，定义三个状态，S=0、1、2进行逻辑编程，在对应的状态干对应的事情
发送时：
Serial_TxPacket可以设置为数组extern出去或者是定义为数组指针变量，这里本人觉得加入形参替代4不就可以实现可变长度了，不过接收部分也要做更多的变化，蛮难。
接收部分：
void USART1_IRQHandler(void)
{
static uint8_t RxState = 0; //定义表示当前状态机状态的静态变量
static uint8_t pRxPacket = 0; //定义表示当前接收数据位置的静态变量
if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET) //判断是否是USART1的接收事件触发的中断
{
uint8_t RxData = USART_ReceiveData(USART1); //读取数据寄存器，存放在接收的数据变量
/*使用状态机的思路，依次处理数据包的不同部分*/
/*当前状态为0，接收数据包包头*/
if (RxState == 0)
{
if (RxData == 0xFF) //如果数据确实是包头
{
RxState = 1; //置下一个状态
pRxPacket = 0; //数据包的位置归零
}
}
/*当前状态为1，接收数据包数据*/
else if (RxState == 1)
{
Serial_RxPacket[pRxPacket] = RxData; //将数据存入数据包数组的指定位置
pRxPacket ++; //数据包的位置自增
if (pRxPacket >= 4) //如果收够4个数据
{
RxState = 2; //置下一个状态
}
}
/*当前状态为2，接收数据包包尾*/
else if (RxState == 2)
{
if (RxData == 0xFE) //如果数据确实是包尾部
{
RxState = 0; //状态归0
Serial_RxFlag = 1; //接收数据包标志位置1，成功接收一个数据包
}
}
USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE); //清除标志位
}
}
可变包长 文本数据接收
接收方：
void USART1_IRQHandler(void)
{
static uint8_t RxState = 0; //定义表示当前状态机状态的静态变量
static uint8_t pRxPacket = 0; //定义表示当前接收数据位置的静态变量
if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET) //判断是否是USART1的接收事件触发的中断
{
uint8_t RxData = USART_ReceiveData(USART1); //读取数据寄存器，存放在接收的数据变量
/*使用状态机的思路，依次处理数据包的不同部分*/
/*当前状态为0，接收数据包包头*/
if (RxState == 0)
{
if (RxData == '@' && Serial_RxFlag == 0) //如果数据确实是包头，并且上一个数据包已处理完毕
{
RxState = 1; //置下一个状态
pRxPacket = 0; //数据包的位置归零
}
}
/*当前状态为1，接收数据包数据，同时判断是否接收到了第一个包尾*/
else if (RxState == 1)
{
if (RxData == '\r') //如果收到第一个包尾
{
RxState = 2; //置下一个状态
}
else //接收到了正常的数据
{
Serial_RxPacket[pRxPacket] = RxData; //将数据存入数据包数组的指定位置
pRxPacket ++; //数据包的位置自增
}
}
/*当前状态为2，接收数据包第二个包尾*/
else if (RxState == 2)
{
if (RxData == '\n') //如果收到第二个包尾为换行
{
RxState = 0; //状态归0
Serial_RxPacket[pRxPacket] = '\0'; //将收到的字符数据包添加一个字符串结束标志
Serial_RxFlag = 1; //接收数据包标志位置1，成功接收一个数据包
}
}
USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE); //清除标志位
}
}
若想使用文本模式字符串判断，可以调用#include "string.h"头文件中的strcmp（）函数，对比串口接收到的数据与字符串，if(strcmp(Serial_RxPacket, "LED_ON") == 0)，从而执行操作。
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