UART串口通信

2023-05-16

一、通信特点

异步、串行、全双工

一般描述某种通信的特点为：同步/异步，串行/并行，半双工/全双工
同步：要求一个芯片控制另一芯片的时序，一般，两者之间至少采用一个总线连接以控制时钟（“时钟线”），
其中主机主动控制时钟线（通过时钟线输出），从机被动接受时钟线（通过时钟线输入）。
异步：双方不会通过总线连接时钟，异步通信要求双方使用独立的时钟生成装置（波特率发生器），生成相同的通信速度。
串行：在每个数据方向上仅有一根数据线。每次仅传输一位数据。并行：在每个数据方向上有多根数据线。每次可以传输数据的多个位（一般是8/16位）
半双工：数据线仅有一组，同一时刻，只有一方控制数据线的发送，另一方接收数据（即双方不能同时发送数据）
全双工：数据线有两组或以上，同一时刻，通信双方都可以给对方发送数据。
一种通信的特点与它的总线构成是相关的。

二、通信应用

部分无线通信模块具有UART通信接口，比如蓝牙模块、NBIOT模块、WIFI模块、GSM模块、GPS模块
是一种容易实现的MCU和电脑间的通信方式，用于辅助调试代码（MCU传送变量、寄存器的值给电脑）
用于电脑控制MCU（电脑传送指令数据给MCU），通过上位机控制下位机

三、接线示意图

在这里插入图片描述
TX：发送引脚
RX：接收引脚

三、UART通信协议

一帧数据的构成：起始位+ 数据位 + 校验位 + 停止位
起始位：1位，逻辑’0’
数据位：5~8位，可以在MCU中设置
校验位：0~1位，无校验/奇校验/偶校验
奇校验：在数据位中有奇数个逻辑‘1’时，该位为0；否则为1
偶校验：在数据位中有偶数个逻辑‘1’时，该位为0；否则为1
停止位：0.5~2位，（传输每个都会占用固定时长），逻辑‘1’
数据传输顺序：先传送数据的低位
通信速度(波特率baud)：在单片机应用，常用通信速度有2400、4800、9600、19200、115200 bit/s

四、STM32F4 串口使用

1、资源分布

查看芯片的数据手册
一共有6个，分别是USART1和USART6挂载在APB2总线（84MHz）
USART2、USART3、UART4、UART5挂载在APB1总线（42MHz）

USART：表示通用同步异步收发器（由于其同步功能应用较少，一般不使用其同步功能）
UART ：表示通用异步收发器

2、特性

查看芯片的参考手册第26章 USART

主要特性：
同步\异步、串行、全双工
过采样倍数可以设置（16倍/8倍）
可以编程设置该接口的通信速度
数据字长度可编程（8 位或 9 位）（这里的数据字包含数据位 + 校验位）
发送器和接收器具有单独使能位
传输检测标志：（通过查看这些标志，可以确定发生过的事件；若发生了这些事件，则该外设的状态寄存器SR的特定位会被置位）
— 接收缓冲区已满
— 发送缓冲区为空
— 传输结束标志
四个错误检测标志：(SR上有相应的位)
— 溢出错误
— 噪声检测
— 帧错误
— 奇偶校验错误
十个具有标志位的中断源（指该外设有最多10种可以触发中断的事件）

3、UART框图

在这里插入图片描述
结合框图和USARTx->CR1寄存器可以确定，对USARTx外设常见配置有：

数据帧格式设置（起始位、数据位、校验位、停止位）
通信速度设置
发送器和接收器使能
使能USARTx

框图中可以看出发送寄存器和接收寄存器共同构成DR（数据寄存器），CPU通过对USARTx->DR进行写/读操作可以分别实现发送/接收数据。
由于串行通信传输一个字节数据需要一定的时间，在上一帧数据传输完成前，不可以立刻传送下一帧数据（强行传输会导致数据丢失）。所以在传输数据时，需要查询发送器/接收器状态，确认是否发生了一帧数据传送完成或准备好接收一帧数据的事件。

4、使用方法

在这里插入图片描述
当相应的GPIO引脚被复用为USRATx的Tx和Rx后，将由此USARTx外设控制这两个GPIO引脚，实现串口通信中的发送和接收（即这两个GPIO引脚将不再受到GPIOx->ODR等寄存器的影响了)，开发板相关原理图如下。

5、相关库函数

附：引脚复用库函数
void GPIO_PinAFConfig (GPIO_TypeDef *GPIOx, uint16_t GPIO_PinSource, uint8_t GPIO_AF)
改变指定引脚的映射功能（复用功能）【该操作需要在将GPIO引脚配置为复用模式后使用】
比如，将PA9复用为USART1_Tx
(所有引脚的详细复用功能参考芯片数据手册第3.7表格—复用功能映射)
GPIO_PinAFConfig (GPIOA, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_USART1);

UART库函数
1、void USART_Init (USART_TypeDef *USARTx, USART_InitTypeDef *USART_InitStruct)
基于参数USART_InitStruct 初始化USARTx外设
2、void USART_Cmd (USART_TypeDef *USARTx, FunctionalState NewState)
USARTx外设使能
3、void USART_SendData (USART_TypeDef *USARTx, uint16_t Data)
通过串口发送数据（一个字节）
4、uint16_t USART_ReceiveData (USART_TypeDef *USARTx)
通过串口接收数据（一个字节）
5、void USART_ClearFlag (USART_TypeDef *USARTx, uint16_t USART_FLAG)
清除USARTx的挂起标志
6、FlagStatus USART_GetFlagStatus (USART_TypeDef *USARTx, uint16_t USART_FLAG)
查询USARTx的指定事件是否发生

6、函数实例

（1）初始化
USART1_init();

激活GPIOx时钟
将使用到引脚配置复用模式
将这些引脚映射到USARTx（此后，PA9和PA10作为USART1的发送和接收引脚）
激活USARTx时钟
USARTx库函数初始化
USART_Init ()
使能USARTx
USART_Cmd ()

/***********************************
函数名：uart1_init
参数：u32 baud 波特率
返回值：无
功能：uart1初始化
备注：pa9 (usart1_tx)
			pa10(usart1_rx)
***********************************/
void uart1_init(u32 baud)
{
		//创建一个清单
	GPIO_InitTypeDef gpio_InitStruct;
	USART_InitTypeDef usart_InitStruct;
	
	/*将PA9,PA10作为USART1的Tx和Rx*/
	//1.激活GPIOA时钟
	RCC_AHB1PeriphClockCmd (RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
	//2.配置PA9和PA10为复用模式
		//填写清单
	gpio_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF ;
	gpio_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP ;
	gpio_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10 ;
	gpio_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL ;
	gpio_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Low_Speed ;
		//导入清单，完成配置
	GPIO_Init (GPIOA, &gpio_InitStruct);
	//3.将PA9和PA10映射到USART1
	GPIO_PinAFConfig (GPIOA, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_USART1);
	GPIO_PinAFConfig (GPIOA, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_USART1);
	/*激活，初始化，使能USART1*/
	//4.激活USART1
	RCC_APB2PeriphClockCmd (RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
	//5.配置USART1
		//填写清单
	usart_InitStruct.USART_BaudRate 						= baud ;
	usart_InitStruct.USART_HardwareFlowControl 	= USART_HardwareFlowControl_None ;
	usart_InitStruct.USART_Mode 								= USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx ;
	usart_InitStruct.USART_Parity 							= USART_Parity_No ;
	usart_InitStruct.USART_StopBits 						= USART_StopBits_1 ;
	usart_InitStruct.USART_WordLength 					= USART_WordLength_8b ;
		//导入清单，完成配置
	USART_Init (USART1, &usart_InitStruct);
	//6.使能USART1
	USART_Cmd (USART1, ENABLE);
}

（2）发送一个字节

/***********************************
函数名：uart1_sendByte
参数：u8 data 待发送内容
返回值：无
功能：通过串口1发送单字节
备注：等待发送完成
***********************************/
void uart1_sendByte(u8 data)
{
	//1.往DR写入数据
	USART_SendData (USART1, data);
	//2.等待本帧的数据位发送完成，清除标志位
	while(SET != USART_GetFlagStatus (USART1, USART_FLAG_TXE));
	//之后对DR进行写操作，TXE标志位自动清除
}

（3）发送一个字符串

/***********************************
函数名：uart1_sendString
参数：const char *str 指向待发送的字符串
返回值：无
功能：通过串口1发送字符串
备注：字符串（多次调用发送单字节函数）
调用次数 和 字符串长度有关
***********************************/
//(const) char *p / char str[] / (const) u8 *p / u8 str[]
void uart1_sendString(const char *str)
{
	//多次调用发送单字节函数
	while(*str != '\0')
	{
		uart1_sendByte(*str);
		str++;
	}
	//由于上方结构未发送'\0'，补发'\0'
	uart1_sendByte('\0');
}

（4）接收一个字节

/***********************************
函数名：uart1_recvByte
参数：无
返回值：u8 接收到数据
功能：通过串口1接收单字节
备注：等待可以接收
			该函数具有阻塞特性
***********************************/
u8 uart1_recvByte(void)
{
	//1.等待可以接收一帧数据，考虑清除标志位
	while(SET !=  USART_GetFlagStatus (USART1, USART_FLAG_RXNE));
	//2.USARTx库函数接收数据，清除RXNE标志位
	return USART_ReceiveData (USART1);
}

（5）接收一个字符串

/***********************************
函数名：uart1_recvString
参数：char *p 指向接收字符串的空间
返回值：无
功能：通过串口1接收字符串
备注：等待可以接收
			该函数具有阻塞特性
若接收电脑端XCOM发送字符串，由于该软件
无法发送字符串，但可以勾选发送新行
***********************************/
void uart1_recvString(char *p)
{
	u8 data;
	do
	{
		//调用接收单字节函数
		data = uart1_recvByte();
		*p = data;
		p++;
	}
	while( (data != '\0') && (data != '\n') );//&& (data != '\n') 若不是电脑端发送可以不要
	//!((data == '\0') || (data == '\n'))
	*p = '\0';	//补充接收'\0'是考虑到会接收到'\n'的情况
}

五、实战《上位机控制开发板小灯》

思路：电脑通过串口与开发板相连，电脑通过串口发送指令（eg：LED_ON），开发板接收指令识别并进行LED灯的操作。
工程代码：
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