【经验分享】基于STM32之UART串口通信协议（一）详解

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STMCU小助手发布时间：2022-1-13 20:53

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文章简介:	基于STM32之UART串口通信协议（一）详解

一、前言1、简介

　　写的这篇博客，是为了简单讲解一下UART通信协议，以及UART能够实现的一些功能，还有有关使用STM32CubeMX来配置芯片的一些操作，在后面我会以我使用的STM32F429开发板来举例讲解（其他STM32系列芯片大多数都可以按照这些步骤来操作的），如有不足请多多指教。

2、UART简介

　　嵌入式开发中，UART串口通信协议是我们常用的通信协议（UART、I2C、SPI等）之一，全称叫做通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）。

3、准备工作1）Keil5
2）STMCubeMX5.1.0版本
3）STMF429开发板

注：
　　只要是stm32的开发板都可以用到的，在STM32CubeMx里选对型号、配置好就行了。

二、UART详解
1、UART简介

　　嵌入式开发中，UART串口通信协议是我们常用的通信协议（UART、I2C、SPI等）之一，全称叫做通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），是异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输，它能将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换，能够灵活地与外部设备进行全双工数据交换。

注：
　　在此开发板中，是有USART（Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter通用同步异步收发器）串口的，USART相当于UART的升级版，USART支持同步模式，因此USART 需要同步始终信号USART_CK（如STM32 单片机），通常情况同步信号很少使用，因此一般的单片机UART和USART使用方式是一样的，都使用异步模式。因为USART的使用方法上跟UART基本相同，所以在此就以UART来讲该通信协议了。

2、UART通信协议

1）起始位

　　当未有数据发送时，数据线处于逻辑“1”状态；先发出一个逻辑“0”信号，表示开始传输字符。

2）数据位

　　紧接着起始位之后。资料位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。

3）奇偶校验位

　　资料为加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数（偶校验）或奇数（奇校验），以此来校验资料传送的正确性。

4）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。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。

5）空闲位或起始位

　　处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资料传送，进入空闲状态。

　　处于逻辑“0”状态，表示开始传送下一数据段。

6）波特率

　　表示每秒钟传送的码元符号的个数，是衡量数据传送速率的指标，它用单位时间内载波调制状态改变的次数来表示。

　　常用的波特率有：9600、115200……

　　时间间隔计算：1秒除以波特率得出的时间，例如，波特率为9600的时间间隔为1s / 9600（波特率） = 104us。

3、UART功能说明

　　接口通过三个引脚从外部连接到其它设备。任何 USART 双向通信均需要至少两个引脚：接收数据输入引脚 (RX) 和发送数据引脚输出 (TX)：
　　RX：接收数据输入引脚就是串行数据输入引脚。过采样技术可区分有效输入数据和噪声，从而用于恢复数据。
　　TX：发送数据输出引脚。如果关闭发送器，该输出引脚模式由其 I/O 端口配置决定。如果使能了发送器但没有待发送的数据，则 TX 引脚处于高电平。在单线和智能卡模式下，该 I/O 用于发送和接收数据（USART 电平下，随后在 SW_RX 上接收数据）。

1）正常 USART 模式下，通过这些引脚以帧的形式发送和接收串行数据：

发送或接收前保持空闲线路
起始位
数据（字长 8 位或 9 位），最低有效位在前
用于指示帧传输已完成的 0.5 个、1 个、1.5 个、2 个停止位
该接口使用小数波特率发生器 - 带 12 位尾数和 4 位小数
状态寄存器 (USART_SR)
数据寄存器 (USART_DR)
波特率寄存器 (USART_BRR) - 12 位尾数和 4 位小数。
智能卡模式下的保护时间寄存器 (USART_GTPR)。3 t. @* I, _( i; |, ?

% l0 d: n2 o% G8 K; T6 W2 v/ n

2）在同步模式下连接时需要以下引脚：

SCLK：发送器时钟输出。该引脚用于输出发送器数据时钟，以便按照 SPI 主模式进行同步发送（起始位和结束位上无时钟脉冲，可通过软件向最后一个数据位发送时钟脉冲）。RX 上可同步接收并行数据。这一点可用于控制带移位寄存器的外设（如 LCD 驱动器）。时钟相位和极性可通过软件编程。在智能卡模式下，SCLK 可向智能卡提供时钟。在硬件流控制模式下需要以下引脚：
- B0 a4 E/ O2 \( f! D8 c- ~5 f( y" B7 a

nCTS：“清除以发送”用于在当前传输结束时阻止数据发送（高电平时）。
nRTS：“请求以发送”用于指示 USART 已准备好接收数据（低电平时）。
: r! z2 f- s, R
a# F2 B1 H$ ~! L/ u

USART框图如下：

4、UART工作原理1）发送接收　　发送逻辑对从发送FIFO 读取的数据执行“并→串”转换。控制逻辑输出起始位在先的串行位流，并且根据控制寄存器中已编程的配置，后面紧跟着数据位（注意：最低位 LSB 先输出）、奇偶校验位和停止位。
　　在检测到一个有效的起始脉冲后，接收逻辑对接收到的位流执行“串→并”转换。此外还会对溢出错误、奇偶校验错误、帧错误和线中止（line-break）错误进行检测，并将检测到的状态附加到被写入接收FIFO 的数据中。
2）波特率产生

　　波特率除数（baud-rate divisor）是一个22 位数，它由16 位整数和6 位小数组成。波特率发生器使用这两个值组成的数字来决定位周期。通过带有小数波特率的除法器，在足够高的系统时钟速率下，UART 可以产生所有标准的波特率，而误差很小。

3）数据收发

　　发送时，数据被写入发送FIFO。如果UART 被使能，则会按照预先设置好的参数（波特率、数据位、停止位、校验位等）开始发送数据，一直到发送FIFO 中没有数据。一旦向发送FIFO 写数据（如果FIFO 未空），UART 的忙标志位BUSY 就有效，并且在发送数据期间一直保持有效。BUSY 位仅在发送FIFO 为空，且已从移位寄存器发送最后一个字符，包括停止位时才变无效。即 UART 不再使能，它也可以指示忙状态。

　　在UART 接收器空闲时，如果数据输入变成“低电平”，即接收到了起始位，则接收计数器开始运行，并且数据在Baud16 的第8 个周期被采样。如果Rx 在Baud16 的第8 周期仍然为低电平，则起始位有效，否则会被认为是错误的起始位并将其忽略。

　　如果起始位有效，则根据数据字符被编程的长度，在 Baud16 的每第 16 个周期（即一个位周期之后）对连续的数据位进行采样。如果奇偶校验模式使能，则还会检测奇偶校验位。
　　最后，如果Rx 为高电平，则有效的停止位被确认，否则发生帧错误。当接收到一个完整的字符时，将数据存放在接收FIFO 中。
4）中断控制

　　出现以下情况时，可使UART 产生中断：

FIFO 溢出错误
) }9 T3 S* M" V+ y
线中止错误（line-break，即Rx 信号一直为0 的状态，包括校验位和停止位在内）5 C5 K9 D" q( q* d. `' t
奇偶校验错误
4 @) j2 a* E# u
帧错误（停止位不为1）
+ B s$ l/ M' a4 @
接收超时（接收FIFO 已有数据但未满，而后续数据长时间不来）
3 [7 C9 f" u } r) @7 h1 [, V
发送 J! j2 C% ~, e- g) f3 H
接收7 Y8 ^1 a- i+ D- `8 X& K

　　由于所有中断事件在发送到中断控制器之前会一起进行“或运算”操作，所以任意时刻 UART 只能向中断产生一个中断请求。通过查询中断状态函数，软件可以在同一个中断服务函数里处理多个中断事件（多个并列的if 语句）。

5）FIFO 操作

　　FIFO 是“First-In First-Out”的缩写，意为“先进先出”，是一种常见的队列操作。 Stellaris 系列ARM 的UART 模块包含有2 个16 字节的FIFO：一个用于发送，另一个用于接收。可以将两个FIFO 分别配置为以不同深度触发中断。可供选择的配置包括：1/8、 1/4、1/2、3/4 和7/8 深度。例如，如果接收FIFO 选择1/4，则在UART 接收到4 个数据时产生接收中断。

　　发送FIFO的基本工作过程： 只要有数据填充到发送FIFO 里，就会立即启动发送过程。由于发送本身是个相对缓慢的过程，因此在发送的同时其它需要发送的数据还可以继续填充到发送 FIFO 里。当发送 FIFO 被填满时就不能再继续填充了，否则会造成数据丢失，此时只能等待。这个等待并不会很久，以9600 的波特率为例，等待出现一个空位的时间在1ms 上下。发送 FIFO 会按照填入数据的先后顺序把数据一个个发送出去，直到发送 FIFO 全空时为止。已发送完毕的数据会被自动清除，在发送FIFO 里同时会多出一个空位。
　　接收FIFO的基本工作过程： 当硬件逻辑接收到数据时，就会往接收FIFO 里填充接收到的数据。程序应当及时取走这些数据，数据被取走也是在接收FIFO 里被自动删除的过程，因此在接收 FIFO 里同时会多出一个空位。如果在接收 FIFO 里的数据未被及时取走而造成接收FIFO 已满，则以后再接收到数据时因无空位可以填充而造成数据丢失。
　　收发FIFO 主要是为了解决UART 收发中断过于频繁而导致CPU 效率不高的问题而引入的。在进行 UART 通信时，中断方式比轮询方式要简便且效率高。但是，如果没有收发 FIFO，则每收发一个数据都要中断处理一次，效率仍然不够高。如果有了收发FIFO，则可以在连续收发若干个数据（可多至14 个）后才产生一次中断然后一并处理，这就大大提高了收发效率。
　　完全不必要担心FIFO 机制可能带来的数据丢失或得不到及时处理的问题，因为它已经帮你想到了收发过程中存在的任何问题，只要在初始化配置UART 后，就可以放心收发了， FIFO 和中断例程会自动搞定一切。
6）回环操作

　　UART 可以进入一个内部回环（Loopback）模式，用于诊断或调试。在回环模式下，从Tx 上发送的数据将被Rx 输入端接收。

三、CubeMx配置

说明：
　　在使用STM32CubeMx配置的时候，首先要选择正在使用的芯片的型号，再配置芯片的时钟，然后才去配置所需要用到的功能。

1、新建项目
1）选择新建

2）选择芯片型号

2、时钟配置
1）配置界面

2）时钟模式配置

3）设置调试接口

4）时钟配置（尽量将下面方框内的值设成最高值即可）

3、功能配置
1）启用串口

2）配置串口（默认即可，波特率为115200）

4、生成工程
1）项目信息设置

2）选择生成必要的代码

3）生成代码

4）打开项目（生成代码成功后会弹出窗口，可以直接打开工程）

注：
　　因为STM32CubeMX自动生成的代码中，没有设置把每次下载烧写都重置一下，所以生成代码后，我们需要自己选上该功能，步骤如下：
1）功能界面

2）选择小锤子

3）选择Debug->Settings

4）选择Flash Download->勾选Reset and Run

　　完成上面的操作后，在每次烧写都会重置，并运行新下载烧写的程序了。

四、HAL库关键函数说明
1、初始化/还原初始化函数

1 /* Initialization/de-initialization functions **********************************/" C, }, F7 T2 z6 O0 e g) [, @$ c1 P
2 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart); //根据UART_InitTypeDef中指定的参数初始化UART模式，并创建关联的句柄。
7 t- I+ c# q3 G( ?& u
3 HAL_StatusTypeDef HAL_HalfDuplex_Init(UART_HandleTypeDef *huart); //根据UART_InitTypeDef中指定的参数初始化半双工模式并创建关联句柄。
- z" \7 b/ C" }& ^& ?6 F& @) ^
4 HAL_StatusTypeDef HAL_LIN_Init(UART_HandleTypeDef *huart, uint32_t BreakDetectLength); //根据UART_InitTypeDef中指定的参数初始化LIN模式，并创建关联的句柄。
* ~4 T& Q) \& O7 w
5 HAL_StatusTypeDef HAL_MultiProcessor_Init(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t Address, uint32_t WakeUpMethod); //根据UART_InitTypeDef中指定的参数初始化多处理器模式，并创建关联的句柄。) I6 x# V$ w9 ^! x X4 s
6 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DeInit(UART_HandleTypeDef *huart); //非初始化UART外围设备。7 B8 b) d6 N; V
7 void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart); //弱函数UART MSP初始化7 p8 e# X- ^9 }0 T: }3 d% r
8 void HAL_UART_MspDeInit(UART_HandleTypeDef *huart);

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2、IO口操作函数

1 /* IO operation functions *******************************************************/2 T- T, @" V- E4 h6 v
2 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);//以阻塞模式发送大量数据。) X7 g" i; m- H+ c
3 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout); //在阻塞模式下接收大量数据。
; ]) S1 P/ N6 u9 i% C( ~% e* V& d- X
4 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size); //以非阻塞模式发送大量数据。' z* ?& U: {3 m. l2 Y+ N; }
5 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size); //在非阻塞模式下接收大量数据。$ p& `) @5 m' j7 K! B- X7 J c
6 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size); //以非阻塞模式发送大量数据。4 s. k3 g O, U3 K
7 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size); //在非阻塞模式下接收大量数据。
" n5 e, D& J* J" {
8 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAPause(UART_HandleTypeDef *huart); //暂停DMA传输。
6 D( B( k5 R8 N9 y
9 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAResume(UART_HandleTypeDef *huart); //恢复DMA传输。
' B8 w4 k9 }' Z/ Y
10 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAStop(UART_HandleTypeDef *huart);

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3、传输中断函数

1 /* Transfer Abort functions */3 }! O. w2 j) r: @9 J, [+ ]
2 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Abort(UART_HandleTypeDef *huart); //中止正在进行的传输(阻塞模式)。
3 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_AbortTransmit(UART_HandleTypeDef *huart); //中止正在进行的传输传输(阻塞模式)。7 u. N* |1 m" y- G& |7 e* y7 S1 E. _5 u
4 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_AbortReceive(UART_HandleTypeDef *huart); //中止正在进行的接收传输(阻塞模式)。
: Z! v+ Q; p) w$ W, f9 {6 t
5 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Abort_IT(UART_HandleTypeDef *huart); //中止正在进行的传输(中断模式)。
: g9 A% U) [6 ^+ s" j
6 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_AbortTransmit_IT(UART_HandleTypeDef *huart); //中止正在进行的传输(中断模式)。/ t( u+ j5 c5 m' y! U9 S
7 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_AbortReceive_IT(UART_HandleTypeDef *huart); //中止正在进行的接收传输(中断模式)。

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4、中断处理及回调函数

1 void HAL_UART_IRQHandler(UART_HandleTypeDef *huart); //函数处理UART中断请求。
0 n @' C' }5 v, }
2 void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart); //Tx传输完成回调函数。
9 v- o0 v5 @9 }+ j% s2 ^% M8 d
3 void HAL_UART_TxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart); //Tx半传输完成回调函数。9 i6 d% f9 S- |* n w% a) [
4 void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart); //Rx传输完成回调函数。
3 } q% ?$ g8 F9 w- d( d. Q
5 void HAL_UART_RxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart); //Rx完成一半传输回调函数。; N4 T7 O* [) J4 t: R3 D( n+ X
6 void HAL_UART_ErrorCallback(UART_HandleTypeDef *huart); //UART错误回调函数。
X. c3 a* e; O
7 void HAL_UART_AbortCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart); //UART中止完成回调函数。! G5 `" V) m6 V# A& x, d$ v) h- {( Z/ D
8 void HAL_UART_AbortTransmitCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart); //UART中止完成回调函数。- r* E5 {, R# F0 U
9 void HAL_UART_AbortReceiveCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart); //UART中止接收完整的回调函数。

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五、结尾
1、总结

　　这篇博客主要是讲解一下UART串口通信协议的时序、功能以及工作原理，还有使用STM32CubeMX来配置USART。而还未讲到有关HAL库函数的函数调用，有了STM32CubeMX生成的这个HAL库函数，我们基本不用管协议上的事情了，可以直接调用里面的发送或接收函数来实现UART通信。而我也会在后续继续编写有关HAL库的调用说明，详细说一下HAL库是如何使用的。