【嵌入式STM32-04】STM32 USART 基本原理|库函数程序代码|寄存器

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原创 2023-01-02 11:30:23 1.1k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

STM32：串口轮询模式、中断模式、DMA模式和接收不定长数据在STM32每个串口的内部都有两个寄存器：发送数据寄存器(TDR)/发送移位寄存器,当我们调用HAL_UART_Transmit 把数据发送出去时，CPU会将数据依次将数据发送到数据寄存器中，移位寄存器中的数据会根据我们设置的比特率传化成高低电平从TX引脚输出。待发送移位寄存器中发数据发送出去后,CPU就会将下一个数据进行相同的发送。当我们调用HAL_UART_Receive把数据接收过来时，数据会通过RX引脚收到的电平信号进行转化后，会将数据存进接收移位寄存器。阅读详情

STM32 USART

一、基本原理

通信接口

通信的目的：将一个设备的数据传送到另一个设备，扩展硬件系统
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

芯片内的通信接口

同步靠时钟线，异步靠波特率

串口通信

串口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，可实现两个设备的互相通信
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

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
当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片

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或+5V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）

串口参数及时序

波特率：串口通信的速率
起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平
数据位：数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平，低位先行
校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来
停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平

USART

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）通用同步/异步收发器
USART是STM32内部集成的硬件外设，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
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、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN
STM32F103C8T6 USART资源： USART1、 USART2、 USART3

*USART框图

工作过程

发送时，硬件检测到有数据写到发送数据寄存器，就会检查当前发送移位寄存器是不是有数据移位，如果没有，数据会立刻全部放到发送移位寄存器，准备发送。当数据从TDR移动到发送移位寄存器后，会置标志位TXE（TX Empty）发送寄存器空，检查TXE标志位为1，就可以写入下一个数据。如果有，等待，一但数据移位完成，立马再放进去。有TDR和移位寄存器的双重缓存，可以保证连续发送数据的时候，数据帧之间不会有空闲，提高工作效率

接收同理RXNE

硬件数据流控：如果发送设备发的太快，接收设备来不及接收，就会出现丢弃或覆盖数据的现象，有了流控可以避免这个问题

nRTS(Request to send)请求发送，是输出脚。n是低电平有效

nCTS(Clear to send)清除发送，是输入脚，用于接收别人的nRTS

数据帧

字长设置

9位选有校验

8位选无校验

停止位

起始位侦测

对接收的要求更高

检测噪声的数据采样，有噪声在RXNE位的上升沿设置NE标志。

波特率发生器

发送器和接收器的波特率由波特率寄存器BRR里的DIV确定，带小数，更准确
计算公式：波特率 = fPCLK2/1 / (16 * DIV)

二、USART库函数

串口发送

void Serial_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	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);
	
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
	
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendData(USART1, Byte);
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length)
{
	uint16_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Array[i]);
	}
}

void Serial_SendString(char *String)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; String[i] != '\0'; i ++)
	{
		Serial_SendByte(String[i]);
	}
}

uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)  //次方
{
	uint32_t Result = 1;
	while (Y --)
	{
		Result *= X;
	}
	return Result;
}

void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)    //和OLED中原理一样
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');  //取每一位数加偏移
	}
}

int fputc(int ch, FILE *f)                  //使用printf，需勾选下图的MicroLIB
{
	Serial_SendByte(ch);
	return ch;
}

void Serial_Printf(char *format, ...) //封装sprintf，使多个串口都能使用printf（C语言对可变参数的使用 ...可变参数列表）
{
	char String[100];
	va_list arg;
	va_start(arg, format);
	vsprintf(String, format, arg);
	va_end(arg);
	Serial_SendString(String);
}

	uint8_t MyArray[] = {0x42, 0x43, 0x44, 0x45};
	Serial_SendArray(MyArray, 4);
	
	Serial_SendString("\r\nNum1=");
	
	Serial_SendNumber(111, 3);
	
	printf("\r\nNum2=%d", 222);
	
	char String[100];
	sprintf(String, "\r\nNum3=%d", 333);
	Serial_SendString(String);
	
	Serial_Printf("\r\nNum4=%d", 444);
	Serial_Printf("\r\n");

串口输出中文

1、UTF-8解决方案，对应串口助手也选UTF-8接收

2、切换为GB2312编码

串口发送+接收

uint8_t Serial_RxData;
uint8_t Serial_RxFlag;

void Serial_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	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);
	
	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);
	
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
	
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
	
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
	
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendData(USART1, Byte);
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length)
{
	uint16_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Array[i]);
	}
}

void Serial_SendString(char *String)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; String[i] != '\0'; i ++)
	{
		Serial_SendByte(String[i]);
	}
}

uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{
	uint32_t Result = 1;
	while (Y --)
	{
		Result *= X;
	}
	return Result;
}

void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');
	}
}

int fputc(int ch, FILE *f)
{
	Serial_SendByte(ch);
	return ch;
}

void Serial_Printf(char *format, ...)
{
	char String[100];
	va_list arg;
	va_start(arg, format);
	vsprintf(String, format, arg);
	va_end(arg);
	Serial_SendString(String);
}

uint8_t Serial_GetRxFlag(void)
{
	if (Serial_RxFlag == 1)
	{
		Serial_RxFlag = 0;
		return 1;
	}
	return 0;
}

uint8_t Serial_GetRxData(void)
{
	return Serial_RxData;
}

void USART1_IRQHandler(void)
{
	if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)
	{
		Serial_RxData = USART_ReceiveData(USART1);
		Serial_RxFlag = 1;
		USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);
	}
}