stm32串口通信 —— USART通信实践

于 2020-11-25 14:56:50 发布
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分类专栏： 嵌入式 STM32 文章标签： stm32 嵌入式 串口通信 物联网
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本文介绍了通讯的基本概念，包括数据传输方式、通讯方向和同步方式。重点讲解了STM32的USART串口通信，包括协议简介、功能框图。还给出了USART串口通信实践，涵盖实验环境、硬件原理、代码实现及执行流程，最后进行了效果演示并提供参考资料和源码。

摘要生成于 C知道 ，由 DeepSeek-R1 满血版支持， 前往体验 >

文章目录

一、通讯的基本概念

  1. 数据传输的方式

    ① 串行通讯

    指设备之间通过少 量数据信号线(一般是 8根以下)，地线以及控制信号线，按数据位形式一位一位地传输数据的通讯方式。就像是单车道的公路，同一时刻只能传输一个数据为的数据。

    ② 并行通讯

    指使用 8、16、32 及 64 根或更多的数据线进行传输的通讯方式，就像多个车道的公路，可以同时传输多个数据位的数据。

    ③ 两者对比

    特性串行通讯并行通信讯
    通讯距离较远较近
    抗干扰能力较强较弱
    传输速率较慢较快
    成本较低较高

    不过由于并行传输对同步要求较高，且随着通讯速率的提高，信号干扰的问题会显著 影响通讯性能，现在随着技术的发展，越来越多的应用场合采用高速率的串行差分传输。

  2. 数据通讯的方向

    ① 全双工

    在同一时间，两个设备之间可以同时收发数据，如：手机等。

    ② 半双工

    两个设备之间可以收发数据，但不能在同一时刻进行，如：对讲机等。

    ③ 单工

    在任何时刻都只能进行一个方向的通讯，即一个固定为发送设备，另一个固定为接收设备，如：饭卡和读卡器之间，收音机等。

  3. 通讯的数据同步方式

    ① 同步通讯

    收发设备双方会使用一根信号线表示时钟信号，在时钟信号的驱动下双方进行协调，同步数据，即：发送方发出数据后，等接收方发回响应以后才发下一个数据包的通讯方式。

    ② 异步通讯

    不使用时钟信号进行数据同步，它们直接在数据信号中穿插一些同步用的信号位，或者把主体数据进行打包，以数据帧的格式传输数据，即：发送方发出数据后，不等接收方发回响应，接着发送下个数据包的通讯方式。

二、USART串口通信（简单介绍）

  1. 串口通讯协议简介

    ① 物理层规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性，确保原始数据在物理媒体的传输

    ② 协议层主要规定通讯逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准

  2. STM32 的 USART 简介

    通用同步异步收发器(Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter)是一 个串行通信设备，可以灵活地与外部设备进行全双工数据交换。有别于 USART 还有一个 UART(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)，它是在 USART基础上裁剪掉了同步通信功能，只有异步通信。

    USART 在 STM32 应用最多莫过于“打印”程序信息，一般在硬件设计时都会预留一 个USART通信接口连接电脑，用于在调试程序是可以把一些调试信息“打印”在电脑端的 串口调试助手工具上，从而了解程序运行是否正确、如果出错哪具体哪里出错等等

  3. USART 功能框图

    具体说明请参考野火的 《零死角玩转STM32—F103指南者》，上面的原理和功能部分的概述已经讲得十分详细。或者也可参考这篇文章：STM32系统学习——USART（串口通信）

三、USART串口通信实践

  1. 实验环境

    ① 野火指南者(STM32F103VE)

    ② IDE：KEIL5 MDK

    ③ 实验所用串口：USART1

    硬件原理图：

    这里 CH340G芯片 的作用是将电脑的USB电平转换为串口的TTL电平。

    因此在实验前，确保自己的电脑已经安装了CH340的驱动。

  2. 实验要求

    STM32不断的给电脑发送 “hello windows!”；只有当输入 “Stop,stm32!” 后，STM32才终止向电脑发送消息。

  3. 在已建好的工程文件(已经引用了STM32的固件库)中，新建一个main.c，bsp_usart.h、bsp_usart.c文件

    注意需要把新建头文件的路径引入到工程中，不然编译时将找不到该头文件 (固件库的头文件已默认引入好了)

  4. 在 bsp_usart.h 中添加如下代码

    #ifndef __BSP_USART_H__
#define __BSP_USART_H__

#include "stm32f10x.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>

/******************************************************
		串口的宏定义：总线时钟宏和GPIO的宏
*******************************************************/

// 串口USART1
#define  DEBUG_USARTx                   USART1
#define  DEBUG_USART_CLK                RCC_APB2Periph_USART1
#define  DEBUG_USART_APBxClkCmd         RCC_APB2PeriphClockCmd
#define  DEBUG_USART_BAUDRATE           115200


// USART GPIO 引脚宏定义
#define  DEBUG_USART_GPIO_CLK           (RCC_APB2Periph_GPIOA)
#define  DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd    RCC_APB2PeriphClockCmd
    
#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT       GPIOA   
#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_9
#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT       GPIOA
#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_10

#define  DEBUG_USART_IRQ                USART1_IRQn
#define  DEBUG_USART_IRQHandler         USART1_IRQHandler


// 函数
void USART_Config(void);
void Usart_SendByte(USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t ch);
void Usart_SendString(USART_TypeDef * pUSARTx, char *str);
void delay_ms(uint16_t delay_ms);
	
#endif /*__BSP_USART_H__*/

  5. 在 bsp_usart.c 中添加如下代码：

    #include "bsp_usart.h"


/**************************************************
		配置嵌套向量中断控制器NVIC
**************************************************/
static void NVIC_Configuration(void)
{
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
  
  // 嵌套向量中断控制器组选择
  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
  
  // 配置USART为中断源
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DEBUG_USART_IRQ;
  // 抢断优先级
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
  // 子优先级
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
  // 使能中断
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
  // 初始化配置NVIC
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}


/**************************************************
			USART初始化配置
**************************************************/
void USART_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

	// 打开串口GPIO的时钟
	DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE);
	
	// 打开串口外设的时钟
	DEBUG_USART_APBxClkCmd(DEBUG_USART_CLK, ENABLE);

	// 将USART Tx的GPIO配置为推挽复用模式
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    // 将USART Rx的GPIO配置为浮空输入模式
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
	GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
	
	// 配置串口的工作参数
	// 配置波特率
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = DEBUG_USART_BAUDRATE;
	// 配置 针数据字长
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
	// 配置停止位
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	// 配置校验位
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;
	// 配置硬件流控制
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = 
	USART_HardwareFlowControl_None;
	// 配置工作模式，收发一起
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
	// 完成串口的初始化配置
	USART_Init(DEBUG_USARTx, &USART_InitStructure);
	
	// 串口中断优先级配置
	NVIC_Configuration();
	
	// 使能串口接收中断
	USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE, ENABLE);	
	
	// 使能串口
	USART_Cmd(DEBUG_USARTx, ENABLE);
}


/**************************************************
			发送一个字节
**************************************************/
void Usart_SendByte(USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t ch)
{
	// 发送一个字节数据到USART
	USART_SendData(pUSARTx, ch);
	// 等待发送数据寄存器为空
	while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}


/**************************************************
				发送字符串
**************************************************/
void Usart_SendString(USART_TypeDef * pUSARTx, char *str)
{
	do
	{
		Usart_SendByte(pUSARTx, *str++);
	}while(*str != '\0');
	// 等待发送完成
	while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx,USART_FLAG_TC) == RESET);
}


/**************************************************
				微秒级的延时
**************************************************/
void delay_us(uint32_t delay_us)
{    
  volatile unsigned int num;
  volatile unsigned int t;
 
  
  for (num = 0; num < delay_us; num++)
  {
    t = 11;
    while (t != 0)
    {
      t--;
    }
  }
}


/**************************************************
				毫秒级的延时
**************************************************/
void delay_ms(uint16_t delay_ms)
{    
  volatile unsigned int num;
  for (num = 0; num < delay_ms; num++)
  {
    delay_us(1000);
  }
}


/***************************************************
    重定向c库函数printf到串口，重定向后可使用printf函数
****************************************************/
int fputc(int ch, FILE *f)
{
	// 发送一个字节数据到串口
	USART_SendData(DEBUG_USARTx, (uint8_t) ch);
	// 等待发送完毕
	while(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
	return (ch);
}


/*********************************************************
    重定向c库函数scanf到串口，重定向后可使用scanf、getchar函数
**********************************************************/
int fgetc(FILE *f)
{
	// 等待串口输入数据
	while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
	return (int)USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);
}

  6. 在 main.c 中添加如下代码

    #include "stm32f10x.h"
#include "bsp_usart.h"


// 接收缓冲，最大100个字节
uint8_t USART_RX_BUF[100];
// 接收状态标记位
uint16_t USART_RX_FLAG=0;


/*********************************************************
    					串口中断函数
**********************************************************/
void DEBUG_USART_IRQHandler(void)
{
	uint8_t temp;
	//接收中断
	if(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE) != RESET)
	{
		// 读取接收的数据
		temp = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);
		//接收未完成
		if((USART_RX_FLAG & 0x8000)==0)
		{
			//接收到了0x0d
			if(USART_RX_FLAG & 0x4000)
			{
				// 接收错误,重新开始
				if(temp != 0x0a) USART_RX_FLAG=0;
				// 接收完成
				else USART_RX_FLAG |= 0x8000;
			}
			// 还未接收到0x0d
			else
			{
				if(temp == 0x0d) USART_RX_FLAG |= 0x4000;
				else
				{
					USART_RX_BUF[USART_RX_FLAG & 0x3FFF]=temp;
					USART_RX_FLAG++;
					//接收数据错误，重新开始接收
					if(USART_RX_FLAG > 99) USART_RX_FLAG=0;
				}
			}
		}
	}
}


int main(void)
{
	uint8_t len=0;
	uint8_t i=0;
	// USART初始化
	USART_Config();
	while(1)
	{
		if(USART_RX_FLAG & 0x8000)
		{
			// 获取接收到的数据长度
			len = USART_RX_FLAG & 0x3FFF;
			printf("你发送的消息为：");
			for(i=0; i<len;i++)
			{
				// 向串口发送数据
				USART_SendData(DEBUG_USARTx, USART_RX_BUF[i]);
				//等待发送结束
				while(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TC)!=SET);
			}
			printf("\n\n");
			if(strcmp((char *)USART_RX_BUF,"Stop,stm32!")==0)
			{
				printf("stm32已停止发送！");
				break;
			}
			USART_RX_FLAG=0;
			memset(USART_RX_BUF,0,sizeof(USART_RX_BUF));
		}
		else
		{
			printf("hello windows!\n");
			delay_ms(800);
		}
	}
}

  7. 程序执行流程说明

    在while循环中，stm32不断向电脑发送 “hello windows!”；当程序产生接收中断时(USART_IT_RXNE)，主程序停下，然后执行中断函数，当中断程序执行完成后，将继续返回到主程序停下的地方继续执行主程序；然后就是判断接收的数据是否为 “Stop,stm32!”，如果是，则跳出循环，终止程序；如果否，则继续循环。

    中断执行流程：

  8. 中断函数 DEBUG_USART_IRQHandler() 代码解析

    ① 判断接收数据是否为"Stop,stm32!"，因此我们要事先缓存接收数据，用于比较是否相等，即存储在USART_RX_BUF数组中。

    ② 判断是否接收完成，即判断USART_RX_FLAG的接收状态(规定，发送的字符以回车换行结束(0x0d, 0x0a)，即只接受一行数据，并且最大接收量为100)

    我们按上图规定，定义USART_RX_FLAG为一个16位的变量，bit13 - 0用于存储接收数据，实则用不到这么多，因为最大接收量为100；bit14用于存储是否接收到"回车\r(ASCLL：0x0d)"，如果接收到则执行：USART_RX_FLAG |= 0x4000，将bit14置1，否则不变化保持为0；如果接收了"回车\r"，然后在判断下一个接收数据是否为"换行\n(ASCLL：0x0a)"，如果是则执行：USART_RX_FLAG |= 0x8000，将bit15置1，表明数据接收已完成，如果有剩余的接收数据将不再存入缓存USART_RX_BUF中；如果否，则执行USART_RX_FLAG=0，表明接收错误，重新开始接收。

    如果还不清楚这里中断函数的执行流程，请参考：原子哥的视频串口通信实验讲解

  9. 代码精简

    既然我们规定以接收到(0x0d，0x0a)为接收完成，那么我们再加一个标记位FLAG，即只判断如果接收到0x0d，则执行FLAG=1，表明接收已经完成，如果有剩余的接收数据将不再存入缓存USART_RX_BUF中。

    修改后的 main.c 代码如下：

    #include "stm32f10x.h"
#include "bsp_usart.h"


// 接收缓冲，最大100个字节
uint8_t USART_RX_BUF[200];
// 接收状态标记位
uint16_t USART_RX_FLAG=0;
// 是否接受完标记位
uint16_t FLAG=0;


/*********************************************************
    					串口中断函数
**********************************************************/
void DEBUG_USART_IRQHandler(void)
{
	uint8_t temp;
	//接收中断
	if(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE) != RESET)
	{
		// 读取接收的数据
		temp = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);
		// 接收到了0xd，即换行符
		if(temp == 0x0d)
		{
			FLAG = 1;
		}
		if(FLAG==0)
		{
			USART_RX_BUF[USART_RX_FLAG++]=temp;
		}
	}
}


int main(void)
{
	uint8_t len=0;
	uint8_t i=0;
	USART_Config();
	while(1)
	{
		if(FLAG)
		{
			// 获取接收到的数据长度
			len = USART_RX_FLAG;
			printf("你发送的消息为：");
			for(i=0; i<len;i++)
			{
				// 向串口发送数据
				USART_SendData(DEBUG_USARTx, USART_RX_BUF[i]);
				//等待发送结束
				while(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TC)!=SET);
			}
			printf("\n\n");
			if(strcmp((char *)USART_RX_BUF,"Stop,stm32!")==0)
			{
				printf("stm32已停止发送！");
				break;
			}
			USART_RX_FLAG=0;
			memset(USART_RX_BUF,0,sizeof(USART_RX_BUF));
			FLAG=0;
		}
		else
		{
			printf("hello windows!\n");
			delay_ms(800);
		}
	}
}

  10. 为什么能用 printf 将数据发送到串口

    因为执行 printf 函数时，其内部将会调用 fputc 函数，我们只需重新修改 fputc 函数的内容，即把字符指定发送到串口中即可

    /***************************************************
    重定向c库函数printf到串口，重定向后可使用printf函数
****************************************************/
int fputc(int ch, FILE *f)
{
	// 发送一个字节数据到串口
	USART_SendData(DEBUG_USARTx, (uint8_t) ch);
	// 等待发送完毕
	while(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
	return (ch);
}

四、效果演示

  1. 烧录程序之前需要先勾选Output中的Create HEX File选项

  2. 设置Debug，这里用的时野火官方的DAP仿真器

    ①

    ②

  3. 烧录程序，然后打开野火的调试助手，设置如下

    注意：这里的端口是自己电脑CH340驱动的端口，每个人可能不一样（可在设备管理器中查看）

  4. 演示效果如下

    发送消息前，需先在输入框中按下回车再发送消息，不然程序将无法判断是否接收完成。

五、参考资料

野火官方的 《零死角玩转STM32—F103指南者》

完整源码：

链接：https://pan.baidu.com/s/1h1ItZyTxBTZDVRLJm1RTLw
提取码：uuy4

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