STM32F407_串口通信的实现

上篇文章（串口通信简介-优快云博客）重点叙述了串口通信的通信协议，本文将重点叙述利用STM32F407单片机实现串口通信。（#注意：本文是基于HAL库的实现方式）

一、STM32F407串口简介

STM32F4 的串口分为两种：

①USART（即通用同步异步收发器）；

②UART（即通用异步收发 器）；

UART 是在 USART 基础上裁剪掉了同步通信功能，只剩下异步通信功能。简单区分同步和异步就是看通信时需不需要对外提供时钟输出，我们平时用串口通信基本都是异步通信。

STM32F4 有 4 个 USART 和 2 个 UART，其中 USART1 和 USART6 的时钟源来于 APB2 时钟，其最大频率为84MHz，其他4个串口的时钟源可以来于APB1时钟，其最大频率为42MHz。

二、USART结构图

① USART 信号引脚

TX：发送数据输出引脚；

RX：接收数据输入引脚；

SCLK：发送器时钟输出，适用于同步传输；

SW_RX：数据接收引脚，属于内部引脚，用于智能卡模式；

IrDA_RDI：IrDA 模式下的数据输入；

IrDA_TDO：IrDA 模式下的数据输出；

nRTS：发送请求，若是低电平，表示 USART 准备好接收数据；

nCTS：清除发送，若是高电平，在当前数据传输结束时阻断下一次的数据发送；

② 数据寄存器

USART_DR 包含了已发送或已接收的数据。由于它本身就是两个寄存器组成的，一个专门给发送用的（TDR），一个专门给接收用的（RDR），因此该寄存器具备读和写的功能。TDR 寄存器提供了内部总线和输出移位寄存器之间的并行接口。RDR 寄存器提供了内部总线和输入移位寄存器之间的并行接口。

当进行数据发送时，向 USART_DR 中写入的数据会自动存储在 TDR 内；当进行数据读取时，从 USART_DR 读数据会自动提取 RDR 的数据。

USART 数据寄存器（USART_DR）低 9 位数据有效，其他数据位保留。USART_DR 的第 9 位数据是否有效跟 USART_CR1 的 M 位设置有关，当 M 位为 0 时，表示 8 位数据字长；当 M 位 为 1 时，表示 9 位数据字长，一般使用 8 位数据字长。

当使能校验位（USART_CR1 中 PCE 位被置位）进行发送时，写到 MSB 的值（根据数据的长度不同，MSB 是第 7 位或者第 8 位）会被后来的校验位取代。

③ 控制器

USART 有专门控制发送的发送器，控制接收的接收器，还有唤醒单元、中断控制等等

④ 时钟与波特率

这部分的主要功能就是为 USART 提供时钟以及配置波特率。

波特率，即每秒钟传输的码元个数，在二进制系统中（串口的数据帧就是二进制的形式）， 波特率与波特率的数值相等，所以我们今后在把串口波特率理解为每秒钟传输的二进制位数。

波特率通过以下公式得出：

“fck ”是串口的时钟，（USART2\3 和 UART4\5 的时钟源为 PCLK1，USART1\6 的时钟源为 PCLK2）；

“USARTDIV”是一个无符号的定点数，存放在波特率寄存器（USART_BRR）的低 16 位，DIV_Mantissa[11:0]存放的是 USARTDIV 的整数部分，DIV_Fractionp[3:0]存放的是 USARTDIV 的小数部分；

例如：当串口 1 需要设置 115200 的波特率，且此时fck = 84MHz时，那么根据上式可得：

解得：USARTDIV ≈ 45.5729，

因此，USARTDIV 的整数部分为45，即0x2D，则DIV_Mantissa[11:0]=0x2D；小数部分为 0.5729，转换为十六进制，0.5729*16=9.1664，USARTDIV 允许有余数，对结果四舍五入取整，因此，DIV_Fractionp = 0x9。

三、USART 的配置步骤

1、把 USART_CR1 寄存器的 UE位 置位，以此激活 USART；

2、编程 USART_CR1 的 M 位，以此定义字长；

3、在 USART_CR2 中编程停止位的位数；

4、如果采用多缓冲器通信，配置 USART_CR3 中的 DMA 使能位(DMAT)。按多缓冲器通信中的描述配置 DMA 寄存器；

5、利用 USART_BRR 寄存器选择要求的波特率；

6、设置 USART_CR1 中的 TE 位，发送一个空闲帧作为第一次数据发送；

7、把要发送的数据写进 USART_DR 寄存器(此动作清除 TXE 位)。

#注意：在只有一个缓冲器的情况下，对每个待发送的数据重复步骤 7。

8、在 USART_DR 寄存器中写入最后一个数据字后，要等待 TC=1，它表示最后一个数据帧的传输结束。当需要关闭 USART 或需要进入停机模式之前，需要确认传输结束，避免破坏最后一次传输。

四、相关HAL库函数

1. HAL_UART_Init 函数

HAL_StatusTypeDef    HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart);

⚫ 函数描述

该函数用于初始化异步模式的收发器。

⚫ 函数形参

形参 1（UART_HandleTypeDef *huart）是结构体指针类型的串口句柄，其定义如下：

typedef struct

{

USART_TypeDef                            *Instance;                    /* UART 寄存器基地址 */

UART_InitTypeDef                          Init;                             /* UART 通信参数 */

UART_AdvFeatureInitTypeDef       AdvancedInit;             /* UART 高级功能配置结构体 */

uint8_t                                            *pTxBuffPtr;                /* 指向 UART 发送缓冲区 */

uint16_t                                          TxXferSize;                 /* UART 发送数据的大小 */

__IO uint16_t                                 TxXferCount;              /* UART 发送数据的个数 */

uint8_t                                           *pRxBuffPtr;                /* 指向 UART 接收缓冲区 */

uint16_t                                         RxXferSize;                 /* UART 接收数据大小 */ __IO

uint16_t                                         RxXferCount;               /* UART 接收数据的个数 */

uint16_t                                         Mask;                           /* UART 数据接收寄存器掩码 */

DMA_HandleTypeDef                   *hdmatx;                       /* UART 发送参数设置（DMA） */

DMA_HandleTypeDef                   *hdmarx;                      /* UART 接收参数设置（DMA） */

HAL_LockTypeDef                         Lock;                         /* 锁定对象 */

_IO HAL_UART_StateTypeDef     gState;                       /* UART 发送状态结构体 */

_IO HAL_UART_StateTypeDef     RxState;                    /* UART 接收状态结构体 */

_IO uint32_t                                  ErrorCode;                 /* UART 操作错误信息 */

}UART_HandleTypeDef;

1）Instance：指向 UART 寄存器基地址。实际上这个基地址 HAL 库已经定义好了，可以选择USART1~ USART3、USART6、UART4、UART5。

2）Init：UART 初始化结构体，用于配置通讯参数，如波特率、数据位数、停止位等等。将在下文叙述。

3）AdvancedInit：用于配置高级功能，如自动波特率，MSB 先行等。

4）pTxBuffPtr，TxXferSize，TxXferCount：分别是指向发送数据缓冲区的指针，发送数据的大 小，发送数据的个数。

5）pRxBuffPtr，RxXferSize，RxXferCount：分别是指向接收数据缓冲区的指针，接受数据的大 小，接收数据的个数。

6）Mask：UART 数据接收寄存器的掩码，用于存放数据的校验位。

7）hdmatx，hdmarx：配置串口发送接收数据的 DMA 具体参数。

8）Lock：对资源操作增加操作锁保护，可选 HAL_UNLOCKED 或者 HAL_LOCKED 两个参数。 如果 gState 的值等于 HAL_UART_STATE_RESET，则认为串口未被初始化，此时，分配锁资 源，并且调用 HAL_UART_MspInit 函数来对串口的 GPIO 和时钟进行初始化。

9）gState，RxState：分别是 UART 的发送状态、工作状态的结构体和 UART 接受状态的结构 体。HAL_UART_StateTypeDef 是一个枚举类型，列出串口在工作过程中的状态值，有些值只适用于 gState，如 HAL_UART_STATE_BUSY。

10）ErrorCode：串口错误操作信息。主要用于存放串口操作的错误信息。

UART_InitTypeDef 结构体类型，用于配置 UART 的各个 通信参数，包括波特率，停止位等，具体说明如下：

typedef struct

{

uint32_t   BaudRate;                    /* 波特率 */

uint32_t   WordLength;                /* 字长 */

uint32_t   StopBits;                      /* 停止位 */

uint32_t   Parity;                          /* 校验位 */

uint32_t   Mode;                          /* UART 模式 */

uint32_t   HwFlowCtl;                 /* 硬件流设置 */

uint32_t   OverSampling;           /* 过采样设置 */

}UART_InitTypeDef

1）BaudRate：波特率设置。一般设置为 2400、9600、19200、115200。

2）WordLength：数据帧字长，可选 8 位或 9 位。这里我们设置为 8 位字长数据格式。

3）StopBits：停止位设置，可选 0.5 个、1 个、1.5 个和 2 个停止位，一般我们选择 1 个停止位。

4）Parity：奇偶校验控制选择，我们设定为无奇偶校验位。

5）Mode：UART 模式选择，可以设置为只收模式，只发模式，或者收发模式。

6）HwFlowCtl：硬件流控制选择，我们设置为无硬件流控制。

7）OverSampling：过采样选择，选择 8 倍过采样或者 16 倍过采样，一般选择 16 倍过采样。

⚫ 函数返回值

HAL_StatusTypeDef 枚举类型的值，有 4 个，分别是 HAL_OK 表示成功，HAL_ERROR 表 示错误，HAL_BUSY 表示忙碌，HAL_TIMEOUT 超时。

2. HAL_UART_Receive_IT 函数

HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart,

                                                                                                uint8_t  *pData, uint16_t Size);

⚫ 函数描述

该函数用于开启以中断的方式接收指定字节。数据接收在中断处理函数里面实现。

⚫ 函数形参

形参 1（UART_HandleTypeDef *huart）是结构体指针类型的串口的句柄，其定义如上文所述。

形参 2（uint8_t  *pData） 是要接收的数据地址。

形参 3（uint16_t  Size） 是要接收的数据大小，以字节为单位。

⚫ 函数返回值

HAL_StatusTypeDef 枚举类型的值。

3. HAL_UART_IRQHandler 函数

void HAL_UART_IRQHandler(UART_HandleTypeDef *huart);

⚫ 函数描述

该函数是 HAL 库中断处理公共函数，在串口中断服务函数中被调用，用于处理串口中断程序。

⚫ 函数形参

形参 1（UART_HandleTypeDef *huart）是结构体指针类型的串口的句柄，其定义如上文所述。

⚫ 函数返回值

无。

五、串口通信配置步骤

1）串口参数初始化（波特率、字长、奇偶校验等）；

调用 HAL_UART_Init() 函数，进行串口参数初始化；

2）使能串口和GPIO时钟；

调用__HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE() 函数使能串口时钟；

调用__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE() 函数使能GPIO时钟；

3）GPIO设置

调用 HAL_GPIO_Init() 函数，对GPIO模式设置；

4）开启串口相关中断，配置串口中断优先级

调用 HAL_UART_Receive_IT() 函数开启串口中断；

调用 HAL_NVIC_EnableIRQ() 函数使能串口中断；

调用 HAL_NVIC_SetPriority() 函数设置中断优先级；

5）编写中断服务函数

编写 HAL_UART_IRQHandler() 函数执行中断服务程序；

编写 HAL_UART_RxCpltCallback() 函数实现数据接收处理;

6）串口数据接收和发送

HAL_UART_Receive() 函数，用于接收数据；

HAL_UART_Transmit() 函数，用于发送数据；

六、串口通信程序流程图

main函数中的程序流程如下图所示，

usart.c文件中的程序流程图下图所示，