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USART串口协议和USART串口外设(USART串口发送&串口发送和接收)

2023-11-14

1、通信接口

A.基本概念

• 通信的目的：将一个设备的数据传送到另一个设备，扩展硬件系统

• 通信协议：制定通信的规则，通信双方按照协议规则进行数据收发

 异步：需要双方约定一个频率

B.数据通信方式

按数据通信方式分类，可分为串行通信和并行通信两种。串行和并行的对比如下图所示：

 

串行通信的基本特征是数据逐位顺序依次传输，优点是传输线少、布线成本低、灵活度高 等优点，一般用于近距离人机交互，特殊处理后也可以用于远距离，缺点就是传输速率低。

而并行通信是数据各位可以通过多条线同时传输，优点是传输速率高，缺点就是布线成本 高，抗干扰能力差因而适用于短距离、高速率的通信。

C.数据同步方式

同步通信要求通信双方共用同一时钟信号，在总线上保持统一的时序和周期完成信息传输。 优点：可以实现高速率、大容量的数据传输，以及点对多点传输。缺点：要求发送时钟和接收 时钟保持严格同步，收发双方时钟允许的误差较小，同时硬件复杂。

异步通信不需要时钟信号，而是在数据信号中加入开始位和停止位等一些同步信号，以便 使接收端能够正确地将每一个字符接收下来，某些通信中还需要双方约定传输速率。优点：没 有时钟信号硬件简单，双方时钟可允许一定误差。缺点：通信速率较低，只适用点对点传输。

D.通信速率

在数字通信系统中，通信速率（传输速率）指数据在信道中传输的速度，它分为两种：传信率和传码率。

传信率：每秒钟传输的信息量，即每秒钟传输的二进制位数，单位为 bit/s（即比特每秒）， 因而又称为比特率。

传码率：每秒钟传输的码元个数，单位为 Baud（即波特每秒），因而又称为波特率。

比特率和波特率这两个概念又常常被人们混淆。比特率很好理解，我们来看看波特率，波 特率被传输的是码元，码元是信号被调制后的概念，每个码元都可以表示一定 bit 的数据信息 量。举个例子，在 TTL 电平标准的通信中，用 0V 表示逻辑 0，5V 表示逻辑 1，这时候这个码 元就可以表示两种状态。如果电平信号 0V、2V、4V 和 6V 分别表示二进制数 00、01、10、11， 这时候每一个码元就可以表示四种状态。

由上述可以看出，码元携带一定的比特信息，所以比特率和波特率也是有一定的关系的。

比特率和波特率的关系可以用以下式子表示：

                                        比特率 = 波特率 * log2M

其中 M 表示码元承载的信息量。我们也可以理解 M 为码元的进制数。

举个例子：波特率为 100 Baud，即每秒传输 100 个码元，如果码元采用十六进制编码（即M=8，代入上述式子），那么这时候的比特率就是 400 bit/s。如果码元采用二进制编码（即 M=2， 代入上述式子），那么这时候的比特率就是 100 bit/s。

 

2、 硬件电路 

• 简单双向串口通信有两根通信线（发送端 TX 和接收端 RX ）
• TX 与 RX 要交叉连接
• 当只需单向的数据传输时，可以只接一根通信线
• 当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片

 两个设备之间的GND一定要接在一起，但是VCC可以各自接

 3、电平标准

• TTL 电平： +3.3V 或 +5V 表示 1 ， 0V 表示 0
• RS232 电平： -3~-15V 表示 1 ， +3~+15V 表示 0
• RS485 电平：两线压差 +2~+6V 表示 1 ， -2~-6V 表示 0 （差分信号）

4、串口参数及时序 

• 波特率：串口通信的速率
速率的参数就是波特率，波特率就是每秒传输码元的个数，单位是码元/s（baud）
比特率：每秒传输的比特数，单位是bit/s,或者是bps
在二进制的情况下，一个码元及时一个bit，此时波特率等于比特率
• 起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平
• 数据位：数据帧的有效载荷， 1 为高电平， 0 为低电平，低位先行
• 校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来
• 停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平

 字节装载在数据帧中，数据帧由起始位、数据位、停止位组成
数据位有8个，代表一个字节的8位置，可以在最右边加一个奇偶校验位，则数据位总共是9位。接收方在接收数据后，会验证数据位和校验位
若规定发送的波特率是1000bps，表示1s要发1000位，每一位的时间就是1ms，发送方每隔1ms发送一位，接收方每隔1ms接受一位，决定了每隔多久发送一位
空闲状态下，起始位为高电平，起始位给低电平，使其产生下降沿，表示数据帧要开始

 字节装载在数据帧中，数据帧由起始位、数据位、停止位组成
数据位有8个，代表一个字节的8位置，可以在最右边加一个奇偶校验位，则数据位总共是9位。接收方在接收数据后，会验证数据位和校验位
若规定发送的波特率是1000bps，表示1s要发1000位，每一位的时间就是1ms，发送方每隔1ms发送一位，接收方每隔1ms接受一位，决定了每隔多久发送一位
空闲状态下，起始位为高电平，起始位给低电平，使其产生下降沿，表示数据帧要开始

5、USART简介

• USART： 通用同步 / 异步收发器
• USART 是 STM32 内部集成的硬件外设，可根据数据寄存器的一个字节数据自动生成数据帧时序，从 TX 引脚发送出去，也可自动接收 RX 引脚的数据帧时序，拼接为一个字节数据，存放在数据寄存器里.
• 自带波特率（一般设置为9600/115200）发生器，最高达 4.5Mbits/s
• 可配置数据位长度（ 8/9 ）、停止位长度（ 0.5/1/1.5/2 ）
• 可选校验位（无校验 / 奇校验 / 偶校验）
• 支持同步模式、硬件流控制、 DMA 、智能卡、 IrDA 、 LIN
同步模式：多了个时钟CLK的输出
• STM32F103C8T6 USART 资源： USART1（APB2总线上的设备） 、 USART2（APB1）、 USART3（APB1）

6、USART工作 

（1）写操作

 当数据移位完成后，数据会立刻自动从TDR发送移位寄存器

TDR和移位寄存器的双重缓存，保证在连续发送数据时，数据帧之间不会有空闲，提高了工作效率

（2）读操作 

  因为串口协议规定是低位先行，所以接收移位寄存器时从高位往低位方向移动

（3）帧头和帧尾的添加和除由电路自动执行

（4）硬件数据控制流

 A向B发送数据，当A一直发，B处理不过来；
若无硬件控制流，B只能抛弃新数据或者覆盖元数据；
有硬件控制流，硬件电路上会多出一条线，B没准备好置高电平，准备好置低电平；
A收到B的反馈决定数据发送，防止因为B处理慢而导致数据丢失。

能接收的时候，RTS就置低电平，请求对方发送，对方的CTS接收到后，就可以一直发

处理不过来时，RTS就置高电平，对方的CTS接收到后，就会暂停发送

nRTS：发送请求，若是低电平，表示 USART 准备好接收数据 nCTS：清除发送，若是高电平，在当前数据传输结束时阻断下一次的数据发送

波特率，即每秒钟传输的码元个数，在二进制系统中（串口的数据帧就是二进制的形式）， 波特率与波特率的数值相等，所以我们今后在把串口波特率理解为每秒钟传输的二进制位数。

波特率通过以下公式得出：

我们在这里仔细讲一下怎么设置波特率

fck 是给串口的时钟（USART2\3\3\4\5 的时钟源为 PCLK1，USART1 的时钟源为 PCLK2），

USARTDIV 是一个无符号的定点数，存放在波特率寄存器（USART_BRR）的低 16 位，DIV_Mantissa[11:0]存放的是 USARTDIV 的整数部分，DIV_Fractionp[3:0]存放的是 USARTDIV 的小数部 分。

下面举个例子说明：

当串口 1 设置需要得到 115200 的波特率，fck = 72MHz，那么可得：

 

 

得到 USARTDIV = 39.0625，分离 USARTDIV 的整数部分与小数部分，整数部分为 39，即

0x27，那么 DIV_Mantissa = 0x27；小数部分为 0.0625，转化为十六进制即 0.0625*16 = 1，所以

DIV_Fractionp = 0x1，USART_BRR 寄存器应该赋值为 0x271，成功设置波特率为 115200。

值得注意 USARTDIV 是允许有余数的，我们用四舍五入进行取整，这样会导致波特率会有 所偏差，而这样的小误差是可以被允许的。

7、USART基本结构

8、数据帧 

 

 有8位字长和9位字长，分别可以选择有校验和无校验

 9位建议有校验，8位建议无校验

 停止位有0.5，1，1.5，2，建于选择1位

9、USART串口发送

1.连线图

要交叉连接，所以RX接TX

2、printf函数的移植方法

使用printf之前，先打开工程选项 

 再serial.c中,添加#include <stdio.h>，再在文件中重写fputc函数

int fputc(int ch, FILE *f)
{
	Serial_SendByte(ch);
	return ch;
}

fputc是printf函数的底层，printf在打印的时候，就是不断调用fputc函数一个个打印的，现在把fputc函数重定向到了串口，则printf自然就输出到串口

在serial.h文件中要包含头文件

#include <stdio.h>

这种方法printf只能有一个，若重定向到串口1了，则串口2不能使用

若多个串口都想用printf，则使用sprintf，sprintf可以把格式化字符输出到一个字符串中

3、serial.c 

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
 
void Serial_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
 
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	//TX引脚是USART外设控制的输出引脚，所以要选复用推挽输出
	//RX引脚是USART外设数据输入脚，所以要选择输入模式
	//一根线只能有一个输出，可以有多个输入，故输入脚，外设和GPIO都可以用
	//一般RX配置是浮空输入或者上拉输入，因为串口波形空闲状态是高电平，故不选择下拉输入
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;//复用推挽输出，数据只需要数据发送
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;//9600波特率
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//硬件流控制
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//无校验
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//1位停止位
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//8位字长
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
	
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}
 
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendData(USART1, Byte);//发送数据
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}
 
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length)
{
	uint16_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Array[i]);
	}
}
 
void Serial_SendString(char *String)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; String[i] != '\0'; i ++)
	{
		Serial_SendByte(String[i]);
	}
}
 
uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{
	uint32_t Result = 1;
	while (Y --)
	{
		Result *= X;
	}
	return Result;
}
 
//传输12345，相当于12345/10000%10=1,12345/1000%10=2
void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');
	}
}
 
int fputc(int ch, FILE *f)
{
	Serial_SendByte(ch);//改发送给串口
	return ch;
}
 
//用来接收后面的可变参数列表
void Serial_Printf(char *format, ...)
{
	char String[100];
	va_list arg;
	va_start(arg, format);
	vsprintf(String, format, arg);
	va_end(arg);
	Serial_SendString(String);
}

4、main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"
 
int main(void)
{
	OLED_Init();
	
	Serial_Init();
	
	Serial_SendByte(0x41);//发送字节
	
	uint8_t MyArray[] = {0x42, 0x43, 0x44, 0x45};
	Serial_SendArray(MyArray, 4);//发送数组
	
	Serial_SendString("\r\nNum1=");//发送字符串
	
	Serial_SendNumber(111, 3);//发送n位数字
	
	printf("\r\nNum2=%d", 222);
	
	char String[100];
	sprintf(String, "\r\nNum3=%d", 333);
	Serial_SendString(String);
	
	Serial_Printf("\r\nNum4=%d", 444);
	Serial_Printf("\r\n");
	
	while (1)
	{
		
	}
}

 5、解决直接写汉字，编译器报错

 --no-multibyte-chars 

Serial_Printf("你好，世界");便可以在显示屏中显示汉字

 10 、USART串口发送和接收

1、查询实现

查询流程：在主函数里不断判断那RXNE标志位，如果置1，说明接收到数据了

再调用ReceiveData读取DR寄存器的值即可

	while(1)
	{
		if (USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_RXNE) == RET )
		{
            //DR完成读操作后会自动清零，故需要手动清0
			RxData = USART_ReceiveData(USART1);
			OLED_ShowHexNum(1 , 1 , RxData , 2);
		}
	}

 在串口调试助手中，发送AF，就会在单片机的显示屏上显示AF

2、中断实现  

（1）在Serial.c中添加的代码

     uint8_t Serial_RxData;
     uint8_t Serial_RxFlag;
     
    在初始化的函数中：
	//写入中断的代码
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启RXNE标志位到中断的输出
	
	//以下是配置NVIC
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//先分组
	
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
	
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);//使能
 
    
uint8_t Serial_GetRxFlag(void)//读后自动清除的功能
{
	if (Serial_RxFlag == 1)
	{
		Serial_RxFlag = 0;
		return 1;
	}
	return 0;
}
 
 
uint8_t Serial_GetRxData(void)
{
	return Serial_RxData;
}
 
void USART1_IRQHandler(void)
{
	if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)//判断标志位
	{
		//在中断中对数据进行转存
		Serial_RxData = USART_ReceiveData(USART1);//先读取模块的变量里
		Serial_RxFlag = 1;
		//如果读取DR，就自动清除，如果没有读取DR，就要手动清除
		USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);//清除标志位
	}
}

（2）主函数中调用

	while (1)
	{
		if (Serial_GetRxFlag() == 1)
		{
			RxData = Serial_GetRxData();
			Serial_SendByte(RxData);//把接收到的数据回传给电脑
			OLED_ShowHexNum(1, 8, RxData, 2);//显示在显示屏上
		}
	}

（3）思路

当RXNE=1时，也就是电脑串口小助手有数据传递给开发板时，进入中断
获取电脑上的数据，并手动清零，将获取到的数据用函数封装起来
在主函数中调用函数，将获取到的值显示在电脑上和显示屏中 

（4）完整的Serial.c代码 

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
 
uint8_t Serial_RxData;
uint8_t Serial_RxFlag;
 
void Serial_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;//复用推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//上拉输入模式
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;//接收＋发送
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
	
	//写入中断的代码
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启RXNE标志位到中断的输出
	
	//以下是配置NVIC
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//先分组
	
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
	
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);//使能
}
 
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendData(USART1, Byte);
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}
 
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length)
{
	uint16_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Array[i]);
	}
}
 
void Serial_SendString(char *String)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; String[i] != '\0'; i ++)
	{
		Serial_SendByte(String[i]);
	}
}
 
uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{
	uint32_t Result = 1;
	while (Y --)
	{
		Result *= X;
	}
	return Result;
}
 
void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');
	}
}
 
int fputc(int ch, FILE *f)
{
	Serial_SendByte(ch);
	return ch;
}
 
void Serial_Printf(char *format, ...)
{
	char String[100];
	va_list arg;
	va_start(arg, format);
	vsprintf(String, format, arg);
	va_end(arg);
	Serial_SendString(String);
}
 
 
uint8_t Serial_GetRxFlag(void)//读后自动清除的功能
{
	if (Serial_RxFlag == 1)
	{
		Serial_RxFlag = 0;
		return 1;
	}
	return 0;
}
 
 
uint8_t Serial_GetRxData(void)
{
	return Serial_RxData;
}
 
void USART1_IRQHandler(void)
{
	if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)//判断标志位
	{
		//在中断中对数据进行转存
		Serial_RxData = USART_ReceiveData(USART1);//先读取模块的变量里
		Serial_RxFlag = 1;
		//如果读取DR，就自动清除，如果没有读取DR，就要手动清除
		USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);//清除标志位
	}
}

（5）mian.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"
 
uint8_t RxData;
 
int main(void)
{
	OLED_Init();
	OLED_ShowString(1, 1, "RxData:");
	Serial_Init();
 
	while (1)
	{
		if (Serial_GetRxFlag() == 1)
		{
			RxData = Serial_GetRxData();
			Serial_SendByte(RxData);//把接收到的数据回传给电脑
			OLED_ShowHexNum(1, 8, RxData, 2);//显示在显示屏上
		}
	}
}

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