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STM32CubeMX系列|串口通讯

2023-05-16

串口通讯

1. 串口简介

在串行通信中，一个字符一个字符地传输，每个字符一位一位地传输，并且传输一个字符时，总是以“起始位”开始，以“停止位”结束。在进行传输之前，双方一定要使用相同的波特率设置。波特率就是每秒钟传输的数据位数。常用的两种基本串行通信方式包括同步通信和异步通信。我们通常使用的是异步通信，异步通信规定传输的数据格式由起始位（start bit）、数据位（data bit）、奇偶校验位（parity bit）和停止位（stop bit）组成。串口通讯有HAL 库轮询，中断，DMA 三种通信模式：

  • 轮询方式：CPU不断查询IO设备，如设备有请求则加以处理。例如CPU不断查询串口是否传输完成，如传输超过则返回超时错误。轮询方式会占用CPU处理时间，效率较低。
  • 中断控制方式：当I/O操作完成时，输入输出设备控制器通过中断请求线向处理器发出中断信号，处理器收到中断信号之后，转到中断处理程序，对数据传送工作进行相应的处理。
  • 直接内存存取技术（DMA）方式：所谓直接传送，即在内存与IO设备间传送一个数据块的过程中，不需要CPU的任何中间干涉，只需要CPU在过程开始时向设备发出“传送块数据”的命令，然后通过中断来得知过程是否结束和下次操作是否准备就绪。
  • USART框图

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  • 串口通讯过程

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2. 硬件设计

本实验通过CH340芯片把STM32F1的串口1与PC的USB口进行连接，实现串口连接。串口通讯需要将数据收发管脚交叉连接，电路中的其他部分是自动下载电路部分，目的是控制BOOT的启动模式与复位
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3. 软件设计

3.1 STM32CubeMX设置
  • RCC设置外接HSE，时钟设置为72M
  • PC0设置为GPIO推挽输出模式、上拉、高速、默认输出电平为高电平
  • USART1选择为异步通讯方式，波特率设置为115200Bits/s，传输数据长度为8Bit，无奇偶校验，1位停止位

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  • 若使用中断通讯方式，还需要开启串口中断

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  • 若使用直接内存存取（DMA）方式，除以上步骤外（串口中断要开启，否则程序只能发送一次数据，且不能判断DMA传输是否完成，USART一直处于busy状态）还需要设置DMA传输方向、通道、优先级、数据长度以及指针递增与否

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  • 输入工程名，选择工程路径（不要有中文），选择MDK-ARM V5；勾选Generated periphera initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per IP ；点击GENERATE CODE，生成工程代码
3.2 MDK-ARM软件编程
  • 轮询方式
/*****usart.c文件中的UART初始化函数以及IO口配置函数*****/
void MX_USART1_UART_Init(void){
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK){
    Error_Handler();
  }
}

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef* uartHandle){
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  if(uartHandle->Instance==USART1){
  /* USER CODE BEGIN USART1_MspInit 0 */
  /* USER CODE END USART1_MspInit 0 */
    /* USART1 clock enable */
    __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();  
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    /**USART1 GPIO Configuration    
    PA9     ------> USART1_TX
    PA10     ------> USART1_RX*/
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  /* USER CODE BEGIN USART1_MspInit 1 */
  /* USER CODE END USART1_MspInit 1 */
  }
}

C语言中的标准库中所用的标准输出函数，默认的输出设备是显示屏，要实现串口或LCD的输出，必须重新定义标准库函数里与输出函数相关的函数，例如printf输出到串口，需要将fputc函数里面的输出指向串口(重定向)

/*****在usart.c中添加如下函数*****/
int fputc(int ch, FILE *f){
	HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xffff);
	return ch;
}

/*****main.c文件中编写相关代码*****/
while (1){
    HAL_UART_Transmit(&huart1,"HAL_UART_Transmit Test...",25,0xffff);
    printf("\r\n printf test...\r\n");
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_0);
	HAL_Delay(1000);
    /* USER CODE END WHILE */
}
  • 中断方式
/*****usart.c文件中的UART初始化函数以及IO口配置函数*****/
void MX_USART1_UART_Init(void){
	//....该函数与轮询方式的UART初始化函数相同....
}

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef* uartHandle){
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  if(uartHandle->Instance==USART1){
  /* USER CODE BEGIN USART1_MspInit 0 */
  /* USER CODE END USART1_MspInit 0 */
    /* USART1 clock enable */
    __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();  
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    /**USART1 GPIO Configuration    
    PA9     ------> USART1_TX
    PA10     ------> USART1_RX*/
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    /* USART1 interrupt Init */
    HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 0, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
  /* USER CODE BEGIN USART1_MspInit 1 */
  /* USER CODE END USART1_MspInit 1 */
  }
}

找到弱符号中断接收完成回调函数原型，并在usart.c中自定义该回调函数
__weak void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart){
	if(huart->Instance == USART1){
		HAL_UART_Transmit(&huart1,RxMsg,10,0xffff);	//将接收的数据通过串口1发送回去
		HAL_UART_Receive_IT(&huart1,RxMsg,10);		//再次开启接收中断
	}
}

/*****main.c文件中编写相关代码*****/
/* USER CODE BEGIN PV */
uint8_t TxMsg[] = "\r\n*****USART communication based on IT*****\r\n";
uint8_t RxMsg[20];
/* USER CODE END PV */
/* USER CODE BEGIN 2 */
	HAL_UART_Transmit_IT(&huart1,TxMsg,sizeof(TxMsg));
	HAL_UART_Receive_IT(&huart1,RxMsg,10);
/* USER CODE END 2 */
while (1){
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_0);
	HAL_Delay(1000);
    /* USER CODE END WHILE */
}
  • DMA方式
/*****dma.c文件中的DMA初始化函数*****/
void MX_DMA_Init(void) {
  /* DMA controller clock enable */
  __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();
  /* DMA interrupt init */
  /* DMA1_Channel4_IRQn interrupt configuration */
  HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Channel4_IRQn, 0, 0);
  HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel4_IRQn);
  /* DMA1_Channel5_IRQn interrupt configuration */
  HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Channel5_IRQn, 0, 0);
  HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel5_IRQn);
}

/*****usart.c文件中的UART初始化函数以及IO口和DMA配置函数*****/
void MX_USART1_UART_Init(void){
	//....该函数与轮询方式的UART初始化函数相同....
}

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef* uartHandle){
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  if(uartHandle->Instance==USART1){
  /* USER CODE BEGIN USART1_MspInit 0 */
  /* USER CODE END USART1_MspInit 0 */
    /* USART1 clock enable */
    __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();  
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    /**USART1 GPIO Configuration    
    PA9     ------> USART1_TX
    PA10     ------> USART1_RX */
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    /* USART1 DMA Init */
    /* USART1_RX Init */
    hdma_usart1_rx.Instance = DMA1_Channel5;
    hdma_usart1_rx.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
    hdma_usart1_rx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
    hdma_usart1_rx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
    hdma_usart1_rx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
    hdma_usart1_rx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
    hdma_usart1_rx.Init.Mode = DMA_NORMAL;
    hdma_usart1_rx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;
    if (HAL_DMA_Init(&hdma_usart1_rx) != HAL_OK){
      Error_Handler();
    }

    __HAL_LINKDMA(uartHandle,hdmarx,hdma_usart1_rx);
    /* USART1_TX Init */
    hdma_usart1_tx.Instance = DMA1_Channel4;
    hdma_usart1_tx.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;
    hdma_usart1_tx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
    hdma_usart1_tx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
    hdma_usart1_tx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
    hdma_usart1_tx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
    hdma_usart1_tx.Init.Mode = DMA_NORMAL;
    hdma_usart1_tx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;
    if (HAL_DMA_Init(&hdma_usart1_tx) != HAL_OK){
      Error_Handler();
    }

    __HAL_LINKDMA(uartHandle,hdmatx,hdma_usart1_tx);
    /* USART1 interrupt Init */
    HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 0, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
  /* USER CODE BEGIN USART1_MspInit 1 */
  /* USER CODE END USART1_MspInit 1 */
  }
}

/*****main.c文件中编写相关代码*****/
/* USER CODE BEGIN PV */
uint8_t TxMsg[] = "\r\n*****USART communication based on DMA*****\r\n";
/* USER CODE END PV */
while (1){
    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1,TxMsg,sizeof(TxMsg));
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_0);
	HAL_Delay(1000);
    /* USER CODE END WHILE */
}

4. 下载验证

  • 轮询方式

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  • 串口中断：使用串口助手发送10个字符，串口助手回显发送的数据；串口要发够10个字符才会触发中断；超过10个字符，串口只会发送10个字符（注意不要勾选‘发送新行’）

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  • DMA方式

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玩转STM32CubeMX | 串口通讯

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