STM32心得：串口通信相关知识及配置方法

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STMCU小助手发布时间：2022-11-20 18:08

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文章简介:	STM32心得：串口通信相关知识及配置方法

主要内容：
1）串行通信接口背景知识；
2） STM32F1串口框图讲解；
3） STM32串口部分常用寄存器和库函数；
4）串口配置一般方法；
5） ALIENTEK提供的公用代码usart.c和usart.h解读。

1. 处理器与外部设备通信的两种方式
1.1 并行通信，传输原理：数据各个位同时传输。优点：速度快。缺点：占用引脚资源多。
1.2 串行通信，传输原理：数据按位顺序传输。优点：占用引脚资源少。缺点：速度相对较慢。
2. 串行通信（按照数据传送方向可分为）
2.1 单工：数据传输只支持数据在一个方向上传输（图a）；
2.2 半双工：允许数据在两个方向上传输，但在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，实际上是一种切换方向的单工通信（图b）；
2.3 全双工：允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力（图c）。

3. 串行通信的通信方式
3.1 同步通信：带时钟同步信号传输，包括SPI，IIC通信接口；
3.2 异步通信：不带时钟同步信号，包括UART(通用异步收发器，双方需事先约定好波特率)，单总线。

4. 常见的串行通讯接口

5. STM32的串口通信接口
5.1 UART:通用异步收发器；
5.2 USART:通用同步异步收发器。
备注：大容量STM32F10x系列芯片，包含3个USART和2个UART。

6. UART异步通信方式引脚连接方法
6.1 RXD:数据输入引脚。数据接受；
6.2 TXD:数据发送引脚。数据发送。

6.3 开发版上的串口引脚如下表所示：

7. UART异步通信方式特点
7.1 全双工异步通信；
7.2 分数波特率发生器系统，提供精确的波特率。发送和接受共用的可编程波特率，最高可达4.5Mbits/s；
7.3 可编程的数据字长度（8位或者9位）；
7.4 可配置的停止位（支持1或者2位停止位）；
7.5 可配置的使用DMA多缓冲器通信；
7.6 单独的发送器和接收器使能位；
7.7 检测标志：① 接受缓冲器 ②发送缓冲器空 ③传输结束标志；
7.8 多个带标志的中断源。触发中断；
7.9 其他：校验控制，四个错误检测标志。

8. 串口通信过程

9. STM32串口异步通信需要定义的参数
9.1 起始位；
9.2 数据位（8位或者9位）；
9.3 奇偶校验位（第9位）；
9.4 停止位（1,15,2位）；
9.5 波特率设置。

10. STM32串口框图
10.1 对于大容量的STM32F10x芯片，有5个串口，串口1时钟来源PCLK2，串口2~4时钟来源PCLK1。

11. 常用的串口相关寄存器
11.1 USART_SR状态寄存器（串口通信的状态位）；
11.2 USART_DR数据寄存器（读写都通过该寄存器）；
11.3 USART_BRR波特率寄存器。

12. 串口操作相关库函数

void USART_Init(); //串口初始化：波特率，数据字长，奇偶校验，硬件流控以及收发使能//
void USART_Cmd(); //使能串口//
void USART_ITConfig(); //使能相关中断//
void USART_SendData(); //发送数据到串口，针对DR寄存器//
uint16_t USART_ReceiveData(); //接受数据，从DR读取接受到的数据，针对DR寄存器//
FlagStatus USART_GetFlagStatus(); //获取状态标志位，针对SR寄存器//
void USART_ClearFlag(); //清除状态标志位，针对SR寄存器//
ITStatus USART_GetITStatus(); //获取中断状态标志位，针对SR寄存器//
void USART_ClearITPendingBit(); //清除中断状态标志位，针对SR寄存器//

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13. 串口常用寄存器解读
13.1 状态寄存器（USART_SR）

FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);

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13.2 数据寄存器（USART_DR）

void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);

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13.3 波特比率寄存器（USART_BRR）

void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);

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14. 波特率计算方法

15. 串口配置一般步骤
15.1 串口时钟使能，GPIO时钟使能；

RCC_APB2PeriphClockCmd(); //USART1位于RCC_APB2PeriphClockCmd中//

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15.2 串口复位；

USART_DeInit(); //这一步不是必须的//

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15.3 GPIO端口模式设置；

GPIO_Init(); //TX模式设置为GPIO_Mode_AF_PP，RX模式设置为GPIO_Mode_IN_FLOATING //

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15.4 串口参数初始化；

USART_Init();

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15.5 开启中断并且初始化NVIC（如果需要开启中断才需要这个步骤）；

NVIC_Init();
USART_ITConfig();

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15.6 使能串口；

USART_Cmd();

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15.7 编写中断处理函数；

USARTx_IRQHandler();

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15.8 串口数据收发；

void USART_SendData(); //发送数据到串口，DR//
uint16_t USART_ReceiveData(); //接受数据，从DR读取接受到的数据//

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15.9 串口传输状态获取；

FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);

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void USART_ClearITPendingBit(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);

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16. 串口配置案例

//案例说明：设置PA9和PA10位USART1的TX和RX，开启USART_IT_RXNE接收中断，中断服务函数目的为，当USART_IT_RXNE发生，USART1接收数据并发送回去，需配合串口调试助手进行实验//
#include "stm32f10x.h"
//编写我的初始化函数//
void My_USART1_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
USART_InitTypeDef USART_InitStruct;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
//第一步，使能相关时钟//
//使能GPIOA时钟,RCC_APB2PeriphClockCmd()位于stm32f10x.rcc.c文件中//
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
//使能USART1时钟//
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
//第二步，串口复位//
//将外设 USARTx 寄存器重设为缺省值,复位USART1,USART_DeInit()位于stm32f10x.usart.c文件中//
USART_DeInit(USART1);
//第三步，GPIO端口模式设置，PA9对应RXD，PA10对应TXD//
//先对PA9进行设置，模式为复用推挽输出，引脚9，速度随意//
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出//
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9; //引脚9//
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_10MHz; //随意设置//
//根据上述GPIO_InitStruct中指定的参数初始化外设GPIOA寄存器,,GPIO_Init()位于stm32f10x.gpio.c文件中//
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);
//再对PA10进行设置，模式为浮空输入或带上拉输入，引脚10，速度随意//
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入//
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10; //引脚9//
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_10MHz; //随意设置//
//根据GPIO_InitStruct中指定的参数初始化外设GPIOA寄存器,GPIO_Init()位于stm32f10x.gpio.c文件中//
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);
//第四步，串口参数初始化，在电脑上进行串口通信时，串口调试软件也需按下述参数设置//
USART_InitStruct.USART_BaudRate=115200; //波特率为115200//
USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None; //不使用硬件流控制//
USART_InitStruct.USART_Mode=USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; //收发都使能，可用或运算//
USART_InitStruct.USART_Parity=USART_Parity_No; //不用奇偶校验位//
USART_InitStruct.USART_StopBits=USART_StopBits_1; //设置1个停止位//
USART_InitStruct.USART_WordLength=USART_WordLength_8b; //设字长为8，因为不用奇偶校验//
//根据上述USART_InitStruct中指定的参数初始化外设USART1寄存器,USART_Init()位于stm32f10x.usart.c文件中//
USART_Init(USART1,&USART_InitStruct);
//第五步，开启指定中断，并初始化NVIC//
//NVIC初始化//
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel=USART1_IRQn; //选择位于stm32f10x.h文件中STM32F10X_HD中的USART1_IRQn//
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE; //使能上述中断通道//
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1; //因为没有别的中断,根据中断分组2,参数可设0~3之间//
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority=1; //因为没有别的中断,根据中断分组2,参数可设0~3之间//
//根据上述NVIC_InitStruct中指定的参数初始化外设NVIC寄存器，NVIC_Init()位于misc.c文件中//
NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
//使能USART1的USART_IT_RXNE中断，RXNE是状态寄存器USART_SR的第5位，意思是接收中断//
USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE);
//第六步，使能串口//
//使能USART1外设,USART_Cmd()位于stm32f10x.usart.c文件中//
USART_Cmd(USART1,ENABLE);
}
//第七步，编写中断服务函数//
//函数名称USART1_IRQHandler是由位于启动文件startup_stm32f10x_hs.s文件里定义的//
void USART1_IRQHandler(void)
{
u8 data;
//第八步，串口状态获取//
//检查USART1的接受中断USART_IT_RXNE发生与否,USART_GetITStatus()函数位于stm32f10x_usart.c文件中//
if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_RXNE))
{
//第九步，串口数据收发，较为常用//
//返回USART1最近接收到的数据,USART_ReceiveData()函数位于stm32f10x_usart.c文件中//
data=USART_ReceiveData(USART1);
//通过外设USART1发送单个数据,USART_SendData()函数位于stm32f10x_usart.c文件中//
USART_SendData(USART1,data);
}
}
//编写主函数//
int main(void)
{
//设置优先级分组：先占优先级和从优先级//
//设置分组2，即2位抢占优先级，2位响应优先级，NVIC_PriorityGroupConfig()位于misc.c文件中//
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
My_USART1_Init();
while(1)
{
}
}

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17. usart.h代码讲解

#ifndef __USART_H
#define __USART_H
#include "stdio.h"
#include "sys.h"
#define USART_REC_LEN 200 //定义最大接收字节数 200//
#define EN_USART1_RX 1 //使能（1）/禁止（0）串口1接收//
extern u8 USART_RX_BUF[USART_REC_LEN]; //接收缓冲,最大USART_REC_LEN个字节.末字节为换行符//
extern u16 USART_RX_STA; //接收状态标记//
//如果想串口中断接收，请不要注释以下宏定义//
void uart_init(u32 bound); //设置波特率//
#endif

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18. usart.c里中断服务函数USART1_IRQHandler函数代码讲解

void USART1_IRQHandler(void) //串口1中断服务程序//
{
u8 Res; //定义一个变量Res，用来接收数据//
#if SYSTEM_SUPPORT_OS //如果SYSTEM_SUPPORT_OS为真，则需要支持OS//
OSIntEnter();
#endif
//*判断接收中断USART_IT_RXNE是否发生，发生则为1，不发生为*0//
if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) //RESET=0//
{
//*若接收中断USART_IT_RXNE发生，Res读取接收到的数据*//
Res =USART_ReceiveData(USART1);
//判断变量U16 USART_RX_STA的位15是否为0，当USART_RX_STA的位15为0时，则与运算后值为0，if返回1（真），反之if返回0（假）*//
if((USART_RX_STA&0x8000)==0)
{
//*若USART_RX_STA的位15为0时，判断USART_RX_STA的位14是否为0*//
if(USART_RX_STA&0x4000)
{
//*若USART_RX_STA的位14为1时，则判断Res接收的数据是否为0x0A，0x0A为换行标志*//
if(Res!=0x0A)
//*若Res接收的数据不是换行标志，则接收错误，重新开始*//
USART_RX_STA=0;
//*若Res接收的数据是换行标志，则USART_RX_STA的位15至1* //
else USART_RX_STA|=0x8000;
}
//*若USART_RX_STA的位14为0时，执行else *//
else
{
//*判断Res是否等于（接收到）0x0D，0x0D为回车标志*//
if(Res==0x0d)
//*若Res接收到回车标志，if为1（真），则USART_RX_STA位14至1 //
USART_RX_STA|=0x4000;
//*若Res未接收到回车标志，if为0（假），执行else//
else
{
USART_RX_BUF[USART_RX_STA&0X3FFF]=Res;
USART_RX_STA++;
//*若USART_RX_STA值大于所设最大接收字节数，则接收数据错误,重新开始接收*//
if(USART_RX_STA>(USART_REC_LEN-1))USART_RX_STA=0;
}
}
}
}

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上述代码中，变量U16 USART_RX_STA用法如下图所示:

19. main.c文件里主函数代码讲解

int main(void)
{
u16 t;
u16 len;
u16 times=0;
delay_init(); //*延时函数初始化*//
//设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级//
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
uart_init(115200); //串口初始化为115200//
LED_Init(); //LED端口初始化//
KEY_Init(); //初始化与按键连接的硬件接口//
while(1)
{
//*判断USART_RX_STA的位15是否为1*//
if(USART_RX_STA&0x8000)
{
//*若USART_RX_STA的位15为1*//
len=USART_RX_STA&0x3fff; //得到此次接收到的数据长度//
printf("\r\n您发送的消息为:\r\n\r\n");
for(t=0;t<len;t++)
{
USART_SendData(USART1, USART_RX_BUF[t]); //向串口1发送第t个数据//
//*等待发送结束，USART_FLAG_TC意思是Transmission Complete flag*//
while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET);
}
printf("\r\n\r\n"); //插入换行//
USART_RX_STA=0;
}else
{
times++;
if(times%5000==0) //*times为5000的整数倍时*//
{
printf("\r\n战舰STM32开发板串口实验\r\n");
printf("正点原子@ALIENTEK\r\n\r\n");
}
if(times%200==0)printf("请输入数据,以回车键结束\n"); //*times为200的整数倍时*//
//*times为30的整数倍时，闪烁LED,提示系统正在运行*//
if(times%30==0)LED0=!LED0;
delay_ms(10);
}
}
}

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20. usart.c里中断服务函数printf()函数代码讲解

#if 1
#pragma import(__use_no_semihosting)
//标准库需要的支持函数//
struct __FILE
{
int handle;
};
FILE __stdout;
//定义_sys_exit()以避免使用半主机模式//
_sys_exit(int x)
{
x = x;
}
//重定义fputc函数//
int fputc(int ch, FILE *f)
{
while((USART1->SR&0X40)==0);//循环发送,直到发送完毕//
USART1->DR = (u8) ch;
return ch;
}
#endif
//若要对其他串口进行操作，只需将上述代码中的USART1改成USARTx即可。这段代码方便开发过程中查看代码执行情况以及一些变量值，该代码不需要修改，引入到 usart.h 即可//