15.1 关于串口
15.1.1 串口理论知识

说到串口，经常提到TTL、RS232、RS422、RS485，简单的说，就是为了适应不同的环境条件，使用了不同的电平标准。假如微处理器和板载的蓝牙透传模块通信时，一般就使用TTL电平，引脚直接连接即可。假如微处理器在工业现场，需要连接一个几十米外的装置，则应该考虑将TTL电平转为RS232、RS422、RS485。

图 15.1.1 不同通信电平应用的场景

如下表 15.1.1 是几个通信接口标准总结。可以发现为了加大传输距离，人们依次尝试了增加电压、差分传输等方式。

表 15.1.1 常见通信接口标准

以TTL电平的接口为例讲解串口怎么传输数据，对于RS232/RS422/RS485等接口，仅仅是把TTL电平转换为不同的电平值，或者转换为差分信号。

TTL接口的串口，硬件连接如图 15.1.2 所示。

图 15.1.2 TTL电平的串口硬件连接示意图

串口传输中的一些概念如下：

波特率：一般选波特率都会有9600,19200,115200等选项。其实意思就是每秒传输这么多个比特位数(bit)；

起始位：先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输数据的开始；

数据位：可以是5~8位逻辑”0”或”1”，先传输bit 0，再传输bit 1，依次类推；

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。校验位是可选的，可以不传输；

停止位：它是一个字符数据的结束标志，数据线变回逻辑”1”；



怎么发送一字节数据，比如“A”？“A”的ASCII值是0x41，二进制就是01000001，怎样把这8位数据发送给对方呢？

双方约定好波特率、数据格式(数据位个数、停止位个数、是否使用校验位、奇校验还是偶校验)，假设数据位是8，停止位是1，校验位是1；

初始电平为逻辑1；

发送方输出逻辑0，并保持1位的时间；接收方检测到逻辑0，就知道对方准备发送数据了；

发送方根据数据的bit 0设置引脚电平，并保持1位的时间；接收方读取引脚电平，得到bit 0；

发送方根据数据的bit 1设置引脚电平，并保持1位的时间；接收方读取引脚电平，得到bit 1；

以此类推，发出8位数据；

l发送方计算出校验值，设置引脚，并保持1位的时间；接收方读取引脚电平，得到校验值；注意，这步可以省略；

发送方输出逻辑1，并保持1位的时间；接收方读取引脚电平，直到数据传输结束；

信号的波形图如图 15.1.3 所示。

图 15.1.3 串口信号传输波形图

15.1.2 STM32的串口

在嵌入式中，很多MCU和外设模块都集成有UART外设。STM32F103系列最多有3个通用同步异步收发器（Universal synchronous asynchronous receiver transmitter，USART），2个通用异步收发器（Universal asynchronous receiver transmitter，UART）。USART和UART的主要区别在于，USART支持同步通信，该模式有一根时钟线提供时钟。

串口在嵌入式中经常使用，一般使用UART就足够了，常见的用途如下：

1. 作为调试口，打印程序运行的状态信息；

2. 连接串口接口的模块（比如GPS模块），传输数据；

3. 通过电平转换芯片变为RS232/RS485电平，连接工控设备；


STM32F103系列不同USART所支持的功能如表 15.1.2 所示，STM32F103C8T6只有USART1/2/3。

表 15.1.2 STM32F103系列不同USART所支持功能

USART内部结构的结构如图 15.1.4 所示。

图 15.1.4 USART内部结构

可以把USART分成四部分：

①：USART引脚

TX：数据发送；

RX：数据接收；

SW_RX：在单线和智能卡模式下接收数据，属于内部引脚，没有具体外部引脚；

RTS：在硬件流控制时，用于指示本设备准备好可接收数据，低电平说明本设备可以接收数据；

CTS：在硬件流控制时，用于指示本设备准备好可发送数据，低电平说明本设备可以发送数据；

CK：在同步模式时，用于输出时钟；

②：波特率发生器

通过设置USART_BRR寄存器的值，实现串口通信数据传输速率的设置。由《参考手册》可知计算公式为：



其中“Tx/Rx Baudrate”为波特率，“f_PCLK”为该外设USART的时钟频率，“USARTDIV”为USART_BRR寄存器的值。

假设所需波特率为115200，当前USART时钟为72MHz，则USARTDIV=72000000/(115200*16)=39.0625。USART_BRR寄存器使用高12位[15:4]存放整数部分，低4位[3:0]存放小数部分，小数部分每一位对应1/24=0.0625。因此，整数39对应16进制为0x27，左移4位为0x270，小数0.0625，对应0x1，USART_BRR=0x271即可。

在利用寄存器配置USART的波特率的时候需要依据此公式计算USART_BRR的值，而在HAL库中无需计算，只需传入所需波特率，自动写USART_BRR寄存器值，但是我们仍然要学习这个波特率的计算公式，也许的开发调试过程中会使用到。

前面计算波特率需要知道外设时钟的值，由前面图 6.1.2 可知，USART1挂载APB1上，USART2/3和USART4/5挂载APB2上。由前面图 9.1.1 可知，APB1时钟最大为36MHz，APB2时钟最大为72MHz。因此，只有USART1的波特率计算中的能取最大系统时钟72MHz，而其它的USART/UART只能取36MHz。



③：发送器/接收器控制单元

通过向控制寄存器CR1、CR2、CR3和状态寄存器SR写入相应的位，可实现对USART数据的发送和接收控制。其中CR1主要用于配置USART的数据位、校验位和中断使能，CR2用于配置USART的停止位和SCLK时钟控制，CR3用于CTS硬件流控制、DMA多缓冲控制等。通过读取状态寄存器SR的值，可查询USART的状态。



④：数据收发寄存器单元

该部分主要由发送数据寄存器（TDR）、发送移位寄存器、接收数据寄存器（RDR）、接收移位寄存器组成。发送移位寄存和接收移位寄存器，分别负责将发送数据并串转换和接收数据串并转换，从而实现数据在传输时，是一位一位的发送和接收。

15.2 硬件设计
如图 15.2.1 为开发板USB串口部分的原理图，U2是UART转USB的芯片CH340G，可自动将UART信号转换为USB信号，右边是串口自动下载电路，在前面5.2.4 调试/下载电路有过分析，这里不再赘述。

MCU的USART1_TX（PA9）和USART1_RX（PA10）接到U2，U2收到数据后自动将UART信号转换成USB信号。

如图 15.2.2 所示为开发板USB切换电路，拨码开关P2决定开关芯片U4、U5的6脚电平高低。如果6脚为低，开关芯片3脚与4脚接通，即串口的USB信号连接USB口；如果6脚为高，开关芯片1脚与4脚接通，即MCU的USB信号连接USB口，实现了USB口的两种状态。

图 15.2.1 USB调试串口电路

图 15.2.2 USB切换电路

15.3 软件设计
15.3.1 软件设计思路

实验目的：本实验使用USART1向电脑发送打印信息。

1) 初始化USART：设置波特率，收发选择，有效数据位等

2) 串口引脚初始化：USART使能、GPIO端口时钟使能、GPIO引脚设置为USART复用；

3) 重定向printf和scanf；

4) 主函数调用USRAT初始化函数，使用printf打印输出，使用scanf获取输入；

本实验配套代码位于“5_程序源码\7_通信—调试串口\”。



15.3.2 软件设计讲解

1) GPIO引脚选择与串口选择

代码段 15.3.1 引脚宏定义（driver_usart.h）

1. /*********************
   
2. * 引脚宏定义
   
3. **********************/
   
4. #define USARTx                  USART1
   
5. #define USARTx_TX_PIN           GPIO_PIN_9
   
6. #define USARTx_RX_PIN           GPIO_PIN_10
   
7. #define USARTx_PORT             GPIOA
   
8. #define USARTx_GPIO_CLK_EN()    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
   
9. #define USARTx_CLK_EN()         __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE()
   
10. #define USARTx_CLK_DIS()        __HAL_RCC_USART1_CLK_DISABLE()

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定义使用串口、对应GPIO、时钟使能，方便代码复用。



2) 初始化USART

USART初始化包含两部分：协议部分和硬件部分。

协议部分与硬件无关，比如USART的波特率、奇偶校验、停止位等，通过“HAL_UART_Init()”设置。

硬件部分指承载的硬件载体，比如串口所使用的发送、接收引脚的复用，通过“HAL_UART_MspInit()”设置。函数名中的Msp（MCU Specific Package，MCU特定软件包），就是指MCU相关的硬件初始化。

代码段 15.3.2 USART初始化（driver_usart.c）

1. /*
   
2. * 定义全局变量
   
3. */
   
4. UART_HandleTypeDef husart;
   
5. 
   
6. /*
   
7. *  函数名：void UsartInit(uint32_t baudrate)
   
8. *  输入参数：baudrate-串口波特率
   
9. *  输出参数：无
   
10. *  返回值：无
    
11. *  函数作用：初始化USART的波特率，收发选择，有效数据位等
    
12. */
    
13. void UsartInit(uint32_t baudrate)
    
14. {
    
15.     husart.Instance         = USARTx;                  // 选择USART1
    
16.     husart.Init.BaudRate    = baudrate;                // 配置波特率
    
17.     husart.Init.WordLength  = USART_WORDLENGTH_8B;     // 配置数据有效位为8bit
    
18.     husart.Init.StopBits    = USART_STOPBITS_1;        // 配置一位停止位
    
19.     husart.Init.Parity      = USART_PARITY_NONE;       // 不设校验位
    
20.     husart.Init.Mode        = USART_MODE_TX_RX;        // 可收可发
    
21.     husart.Init.HwFlowCtl   = UART_HWCONTROL_NONE;
    
22. 
    
23.     // 使用库函数初始化USART1的参数
    
24.     if (HAL_UART_Init(&husart) != HAL_OK)
    
25.     {
    
26.         Error_Handler();
    
27.     }
    
28. }

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4行：定义一个“UART_HandleTypeDef”结构体（官方也称句柄）变量husart，用于保存串口参数设置；

15~21行：设置串口参数，也就是husart：

Instance：USART寄存器及地址，即哪一个USART；

Init.BaudRate：“UART_HandleTypeDef”结构体里“UART_InitTypeDef”结构体成员，该属性为波特率；

Init.WordLength：每次发送的字节长度，通常设置为8bit；

Init.StopBits：每次发送后停止位长度，通常设置为1bit；

Init.Parity：奇偶校验，通常设置为不校验；

Init.Mode：收发模式，通常设置为可收可发；

Init.HwFlowCtl：流控设置，没有用到（CTS/RTS）,通常设置为None;

24行：调用“HAL_UART_Init()”，传入设置的husart，初始化串口；

“HAL_UART_Init()”会调用“HAL_UART_MspInit()”，从而实现对涉及的硬件初始化，用户需要覆写（HAL库提供函数名，函数内容需要自己编写）该函数，完成使能串口时钟、初始化TX/RX的引脚、设置USART1的中断优先级且使能中断等。

代码段 15.3.3 USART MSP初始化（driver_usart.c）

1. /*
   
2. *  函数名：void HAL_USART_MspInit(USART_HandleTypeDef* husart)
   
3. *  输入参数：husart-USART句柄
   
4. *  输出参数：无
   
5. *  返回值：无
   
6. *  函数作用：使能USART1的时钟，使能引脚时钟，并配置引脚的复用功能
   
7. */
   
8. void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef* husart)
   
9. {
   
10.     // 定义GPIO结构体对象
    
11.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
12.     if(husart->Instance==USARTx)
    
13.     {
    
14.         // 使能USART1的时钟
    
15.         USARTx_CLK_EN();
    
16. 
    
17.         // 使能USART1的输入输出引脚的时钟
    
18.         USARTx_GPIO_CLK_EN();
    
19.         /**USART1 GPIO Configuration
    
20.         PA9      ------> USART1_TX
    
21.         PA10     ------> USART1_RX
    
22.         */
    
23.         GPIO_InitStruct.Pin = USARTx_TX_PIN;            // 选择USART1的TX引脚
    
24.         GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;         // 配置为复用推挽功能
    
25.         GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
    
26.         GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;   // 引脚翻转速率快
    
27.         HAL_GPIO_Init(USARTx_PORT, &GPIO_InitStruct);   // 初始化TX引脚
    
28. 
    
29.         GPIO_InitStruct.Pin = USARTx_RX_PIN;            // 选择RX引脚
    
30.         GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT;      // 配置为输入
    
31.         HAL_GPIO_Init(USARTx_PORT, &GPIO_InitStruct);   // 初始化RX引脚
    
32.     }
    
33. }
    

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11行：定义一个“GPIO_InitTypeDef”结构体变量GPIO_InitStruct，用于保存GPIO参数设置；

12行：当系统中用到多个串口时，都会调用“HAL_USART_MspInit”进行硬件初始化，因此需要判断是否为USARTx（宏定义对应USART1）；

15行：使能USART1时钟；

18行：使能USART1_TX（PA9）和USART1_RX（PA10）所在组时钟；

23~26行：设置USART的发送引脚：

Pin：指定引脚号；

Mode：配置为复用推挽功能；

Pull：默认上拉即可；

Speed：作为通信信号引脚，设置为High；

27行：使用“HAL_GPIO_Init()”初始化该引脚；

29~31行：设置USART的接收引脚；



3) 重定向打印函数

以上初始化完成后，就可以使用HAL库提供的“HAL_UART_Transmit()”从串口发送数据，使用“HAL_UART_Receive()”接收数据，但这样使用不方便，需要自己处理数据类型。在学习C语言时，通常使用printf将数据格式化打印，比较方便。因此，这里需要重定向打印函数，在使用printf时调用“HAL_UART_Transmit()”打印。

代码段 15.3.4 重定向打印函数（driver_usart.c）

1. /*****************************************************
   
2. *function:  写字符文件函数
   
3. *param1:    输出的字符
   
4. *param2:    文件指针
   
5. *return:    输出字符的ASCII码
   
6. ******************************************************/
   
7. int fputc(int ch, FILE *f)
   
8. {
   
9.     HAL_UART_Transmit(&husart, (uint8_t*)&ch, 1, 10);
   
10.     return ch;
    
11. }
    
12. 
    
13. /*****************************************************
    
14. *function:  读字符文件函数
    
15. *param1:    文件指针
    
16. *return:    读取字符的ASCII码
    
17. ******************************************************/
    
18. int fgetc(FILE *f)
    
19. {
    
20.     uint8_t ch = 0;
    
21.     HAL_UART_Receive(&husart, (uint8_t*)&ch, 1, 10);
    
22.     return (int)ch;
    
23. }

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printf和scanf会分别调用“fputc()”和“fgetc()”，因此这里覆写这两个函数，使用HAL提供的函数实现收发数据。

同时，还需要需要点击“   ”，打开工程选项界面，切换到“Target”标签，勾选上“Use MicroLIB”，如图 15.3.1 所示。

图 15.3.1 勾选“Use MicroLIB”

也可以添加如下代码，就不用勾选“Use MicroLIB”，两个方法二选其一即可。

代码段 15.3.5 可选添加内容（driver_usart.c）

1. /*
   
2. * 添加如下代码，可不在工程设置中勾选Use MicroLIB
   
3. */
   
4. 
   
5. #pragma import(__use_no_semihosting)
   
6. 
   
7. struct __FILE
   
8. {
   
9.     int a;
   
10. };
    
11. 
    
12. FILE __stdout;
    
13. FILE __stdin;
    
14. void _sys_exit(int x)
    
15. {
    
16. }
    

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4) 主函数测试

1. // 初始化USART1，设置波特率为115200 bps
   
2.    UsartInit(115200);
   
3. 
   
4.    // 在windows下字符串\n\r表示回车
   
5.    // 如果工程在编译下面这句中文的时候报错，请在魔术棒“Option for target”->"C/C++"->"Misc Controls"添加“--locale=english”
   
6.    printf("百问科技<a href="http://www.100ask.net" target="_blank">www.100ask.net</a>\n\r");
   
7.    printf("UART实验\n\r");
   
8.    printf("test char            = %c,%c\n\r", 'H', 'c');
   
9.    printf("test string1         = %s\n\r", "www.100ask.net");
   
10.    printf("test string2         = %s\n\r", "深圳百问网科技有限公司");
    
11.    printf("test decimal1 number = %d\n\r", 123456);
    
12.    printf("test decimal2 number = %d\n\r", -123456);
    
13.    printf("test hex1     number = 0x%x\n\r", 0x123456);
    
14.    printf("test hex2     number = 0x%08x\n\r", 0x123456);
    
15.    printf("test float           = %.5f\n\r", 3.1415);
    
16.    printf("test double          = %.10lf\n\r", 3.141592653);
    
17. 
    
18. 
    
19.    printf("\r\n键盘输入‘C’或者‘c’控制串口打印‘Hello world’");
    
20.    while(1)
    
21.    {
    
22.        scanf("%c", &cmd);
    
23.        if(cmd=='C' || cmd=='c')
    
24.        {
    
25.            cmd = 0;
    
26.            printf("\r\nHello World.");
    
27.        }
    
28.        HAL_Delay(100);
    
29.    }

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主函数直接使用“printf()”便可调用USART1打印，使用“scanf()”便可调用USART1接收数据。

2行：初始化USART1，设置波特率为常用的115200；

6~7行：中文打印测试；如果编译报错，需要点击“   ”，打开工程选项界面，切换到“C/C++”标签，在“Misc Controls”里加上“"--locale=english"”，如图 15.3.2 所示。

8行：字符打印测试；

9~10行：字符串打印测试；

11~12行：正负整打印疑测试；

13~14行：十六进制打印测试；

15~16行：浮点数打印测试；

21~29行：通过“scanf()”函数获取输入，如果输入的指定内容，则打印指定内容；

图 15.3.2 指定本地编译环境

15.4 实验效果
本实验对应配套资料的“5_程序源码\7_通信—调试串口\”。首先如图 15.4.1 所示将开发板插入电脑USB口连接，注意拨码开关拨向非ON一端。打开MobaXterm，设置串口会话，如图 15.4.2 所示。

①点击做上角“Session”,创建会话；

②在中间弹出的窗口，选择“Serial”，即串口；

③下拉选择串口端口，我这里是COM6，读者可能编号不一样，但后面显示的芯片型号是一样的，选择“USB-SERIAL CH340 ”即可；

④波特率选择115200，与主函数中串口初始化设置的波特率保持一致；

⑤以为串口是异步通信，需要双方统一传输规则，这里和代码段 15.3.2 中的设置保持一致。数据位8位，停止位1位，无校验，无流控；

⑥设置完后，点击“OK”；



打开代码工程，使用Keil编译，下载程序，MobaXtrem显示如图 15.4.3 所示界面，所有打印正常显示。在电脑键盘输入“C”或“c”，即可控制串口打印“Hello World”。

图 15.4.1 调试串口连接实物图

图 15.4.2 创建串口会话

图 15.4.3 串口打印效果

作者：攻城狮子黄