UART/USRAT协议

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#单片机 #嵌入式硬件

于 2022-01-19 12:32:32 首次发布

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本文详细介绍了通用异步收发器(UART)的工作原理、数据帧格式及STM32串口配置流程。包括USART的硬件结构、STM32 USART的初始化步骤及中断服务函数实现。

嵌入式UART协议

UART

UART

UART全称“通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）”，是一种串行异步全双工的通信协议，工作原理就是将传输数据的每一个字符一位接一位的传输。

UART的数据帧格式

在这里插入图片描述

起始位：先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输字符的开始。
数据位：紧接着起始位之后。数据位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。
奇偶校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性。
停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。
空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有数据传送。
波特率：是衡量数据传送速率的指标。表示每秒钟传送的符号数（symbol）。常用的波特率有9600和115200.
波特率与比特率的区别：一个符号代表的信息量（比特数）与符号的阶数有关。例如传输使用256阶符号，每8bit代表一个符号，资料传送速率为120字符/秒，则波特率就是120baud，比特率是120*8=960bit/s。这两者的概念很容易搞错

USART的硬件结构

在这里插入图片描述 输出缓冲寄存器：它接收CPU从数据总线上送来的并行数据，并加以保存。
输出移位寄存器：它接收从输出缓冲器送来的并行数据，以发送时钟的速率把数据逐位移出，即将并行数据转换为串行数据输出。
输入移位寄存器：它以接收时钟的速率把出现在串行数据输入线上的数据逐位移入，当数据装满后，并行送往输入缓冲寄存器，即将串行数据转换成并行数据。
输入缓冲寄存器，它从输入移位寄存器中接收并行数据，然后由CPU取走。
控制寄存器：它接收CPU送来的控制字，由控制字的内容，决定通信时的传输方式以及数据格式等。例如采用异步方式还是同步方式，数据字符的位数，有无奇偶校验，是奇校验还是偶校验，停止位的位数等参数。
状态寄存器：状态寄存器中存放着接口的各种状态信息，例如输出缓冲区是否空，输入字符是否准备好等。在通信过程中，当符合某种状态时，接口中的状态检测逻辑将状态寄存器的相应位置“1”，以便让CPU查询。

stm32串口配置步骤

1、初始化USART时钟
2、配置USRAT的引脚(TX:复用推挽输出；RX:浮空输入)
3、初始化USART结构体(设置波特率、模式、无硬件流控制、奇偶校验、停止位、字长)
4、使能USART
5、使能USART中断(设置中断优先级)
6、编写中断服务函数(判断中断类型，清中断标志位)
下面以stm32f103的USART1为例：
usart初始化函数：

void Usart1_Init(u32 baud)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	//开启io时钟和usart1时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);
	//配置PA9
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;		//usart1_TX	PA9
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;//复用推挽输出
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);
	//配置PA10
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;				//usart1_RX	PA10
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;	//浮空输入
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);
	//配置USART1
	USART_InitTypeDef USART1_InitStruct;
	USART1_InitStruct.USART_BaudRate = baud;
	USART1_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Tx|USART_Mode_Rx;
	USART1_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	USART1_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;
	USART1_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	USART1_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
	USART_Init(USART1,&USART1_InitStruct);
	//使能USART1
	USART_Cmd(USART1,ENABLE);
	//配置USART1中断,接收非空中断 和 空闲中断
	USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE);
	USART_ITConfig(USART1,USART_IT_IDLE,ENABLE);
	//设置中断分组,这个只用配置一次，以在主函数的while前执行，这里就注释了
//	NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PriorityGroup_2);
	//设置中断优先级（抢占01,响应01)
	NVIC_SetPriority(USART1_IRQn,4);
	//开启中断
	NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
}

中断服务函数：

void USART1_IRQHandler(void)
{
	if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_RXNE) == 1)
	{
		//清中断标志位
		USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE);
		//将接收到的数据放到u1_buff数组中
		u1_buff[u1_bufcnt++]= USART_ReceiveData(USART1);
	}
	if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_IDLE) == 1)
	{
		USART1->DR;//清空闲中断标志比较特殊,需要读状态寄存器和数据寄存器来清
		u1_r_flag = 1;//一次数据接收完成标志
		u1_buff[u1_bufcnt] = '\0';
	}
}