STM32速成笔记(五)—串口通信

简介: 本文介绍了串口通信的概念,用途以及一些相关概念。介绍了如何进行printf重定向,如何根据接收到的特定信息,执行特定操作。此外,本文以通过上位机发送特殊指令控制LED亮灭的小项目,给出了详细的配置方法和程序设计。


🎀 文章作者:二土电子
🐸 期待大家一起学习交流!


一、什么是串口通信

串口通信是指外部设备与主控芯片之间,通过数据信号线、地线等,按位进行数据传输的一种通信方式,属于串行通信方式。串行通信是指使用一条数据线依次逐位传输数据,每一位数据占据固定长度的时间。可以看一下简单的串行通信示意图。
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二、串口通信有什么用

这里简单列举一下串口通信的用途

  • 下载程序
  • 外设与单片机通信
    单片机给外设发送一些指令或者配置信息,外设给单片机回传一些信息。
  • 打印信息
    比如将ADC采集到的电压发送给上位机的串口调试助手,或者实时监测某一个变量的变化。

    三、STM32的串口通信

    普中核心板上使用的STM32F103ZET6有三个USART,两个UART,他们都支持串口通信功能。USART(通用同步异步收发器)与UART(通用异步收发器)相比,多了一个同步功能,可以认为USART是UART的增强型。

    四、串口通信相关概念

    4.1 波特率

    引用专业的说法,波特率表示单位时间内传送的码元符号的个数,它是对符号传输速率的一种度量。其实意思就是波特率表示1s内传输码元的个数。在单片机中数字都是二进制的01表示的,所以波特率可以说是1s内传输01的个数。常见的波特率有38400、9600和115200等。

波特率通常由波特率发生器产生,串口要想实现收发首先要有波特率发生器,网上介绍波特率发生器的作用是输入时钟转换出需要的波特率CLK。个人理解,波特率发生器就是提供一个时钟,这样才能发送出正确波特率的信息,比如1和0需要多久的高/低电平表示。

在串口通信时如果收发双方波特率不相同会导致通信失败,要么是接收不到,要么是接收到的是乱码。

4.2 全双工和半双工

  • 全双工可以简单解释为,我在接收消息的同时,你也可以发送消息。
  • 半双工可以简单解释为,我在接收消息时,没办法发送消息。类似于对讲机,你说话时占用了信道,对方无法跟你讲话,只有当你说完了,他才可以对你讲话。

4.3 同步通信和异步通信

同步通信和异步通信的区别在于通信双方是否需要时钟同步。同步通信的接收双方之间除了需要数据线之外,还需要一根时钟线,而异步通信不需要。关于二者的详细定义与区别,请大家自行搜索。

五、硬件连接

串口通信只需几条线即可在两个系统间交换信息,特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的通信,常用的串口通信接口标准有很多,比如RS-232C、RS-232、RS-485等。但是放在单片机开发里,最简单的串口通信就是用四根线VCC、GND、TXD和RXD实现通信。

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普中核心板上常用的是USART1,其引脚对应如下

  • TXD——PA9
  • RXD——PA10

    六、串口通信程序配置

    下面以配置USART1为例,来简单展示一下USART的配置方法。

    6.1 使能串口时钟和GPIO时钟

// 使能USART1,GPIOA时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd (RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

6.2 初始化GPIO

初始化USART1用到的GPIO。TXD引脚设置为复用推挽式输出,RXD引脚设置为输入浮空。

// USART1_TX   GPIOA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;   // PA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;   // 复用推挽输出
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);   // 初始化GPIOA.9

    // USART1_RX      GPIOA.10初始化
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;   // PA10
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;   // 输入浮空
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);   // 初始化GPIOA.10

6.3 初始化串口参数

库函数提供了一个结构体,用于初始化串口。其中包括

    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

    // USART 初始化设置
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;   // 串口波特率
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;   // 字长为8位数据格式
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;   // 一个停止位
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;   // 无奇偶校验位
    // 无硬件数据流控制
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;   // 收发模式
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);   // 初始化串口1

6.4 使能串口

USART_Cmd(USART1, ENABLE);   // 使能串口1

6.5 串口接收中断

平时开发过程中经常需要开启串口接收中断,配置串口接收中断的方法与上一篇的外部中断有些类似,主要包括以下步骤

  • 配置中断分组(通常在main函数中初始化中配置)
  • 设置中断优先级
  • 使能中断

配置中断优先级

    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    // Usart1 NVIC 配置
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;   // 抢占优先级3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;   // 子优先级3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   // IRQ通道使能
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);   // 根据指定的参数初始化VIC寄存器

使能串口接收中断

USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);   // 开启串口接收中断

6.6 串口接收中断服务函数

通常接收到的数据会是一帧,很少是一个单独的字符,这里给出一个接收一帧数据的串口中断服务函数。需要注意的是,在初始化串口时,需要使能空闲中断。

使能空闲中断的程序如下

USART_ITConfig(USART1, USART_IT_IDLE, ENABLE);   // 使能空闲中断
/*
 *==============================================================================
 *函数名称:USART1_IRQHandler
 *函数功能:USART1中断服务函数
 *输入参数:无
 *返回值:无
 *备  注:无
 *==============================================================================
 */
u32 gReceCount = 0;   // 接收计数变量
u32 gClearCount = 0;   // 清空接收数组计数变量
u8 gReceFifo[1500];   // 接收数组
u8 gReceEndFlag = 0;   // 接收完成标志位 

void USART1_IRQHandler(void)  
{
   
   
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)   //接收到一个字节  
    {
   
   
        gReceFifo[gReceCount++] = USART_ReceiveData(USART1);
    }
    else if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_IDLE) != RESET)   //接收到一帧数据
    {
   
   
        USART1->SR;   // 先读SR
        USART1->DR;   // 再读DR

        gReceEndFlag = 1;   // 接收完成标志置1 
    } 
}

接收完成后,接收完成标志位会置1。此时,对接收到的帧进行解析处理。解析完成后需要清除接收数组,同时,不要忘记清除接收完成标志位。

/*
 *==============================================================================
 *函数名称:Uart_Rece_Pares
 *函数功能:解析串口接收内容
 *输入参数:无
 *返回值:无
 *备  注:无
 *==============================================================================
 */
void Uart_Rece_Pares(void)   // 串口接收内容解析函数
{
   
   
    if (gReceEndFlag  == 1)   // 如果接收完成
    {
   
   
        // 解析接收内容

        // 清空接收数组
        for (gClearCount = 0;gClearCount < gReceCount;gClearCount ++)
        {
   
   
            gReceFifo[gClearCount] = ' ';
        }

        gReceEndFlag = 0;   // 清除接收完成标志位
        gReceCount = 0;   // 清零接收计数变量
    }
}

6.7 串口发送函数

//串口发送函数
void USART1_Send(u8*str)
{
   
   
    u8 index=0;
    do
    {
   
   
        USART_SendData(USART1,str[index++]);
        while(USART1,str[index++]);
        while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) == RESET);
    }
    while(str[index]!=0);
}

其实这里最根本的USART_SendData()本质就是将数据搬运到串口发送的寄存器。当然除了直接用发送函数发送,也可以直接重定向之后用printf发送,这里就不详细介绍了,有需要的友友可以直接去看普中或者正点的教程视频。

七、拓展

7.1 printf重定向

关于重定向的概念这里就不再做介绍了,重定向之后就可以在程序中使用printf直接打印或者发送字符串,不再需要串口发送函数。重定向的方法就是在串口的.c文件中添加下面的程序

// 加入以下函数可以使用printf
#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    
void _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;
}

7.2 接收帧解析

这里的接收帧解析比较简单,比如有些项目要求接收到某些特定字符执行某些操作。这时需要根据接收帧的长度和固定位置的字符来解析命令。

比如项目要求上位机(电脑)发送“BEEP ON”时,蜂鸣器响。这时在解析时只要接收到长度为6,第5和第6个字符分别为“O”,“N”时,开启蜂鸣器即可。

// 解析接收内容
if (gReceCount == 6 && gReceFifo[5] == 'O' && gReceFifo[6] == 'N')
{
   
   
   // 开启蜂鸣器
}

当然上面的只是粗略的卡命令,也可以写的更详细。

八、实战项目

8.1 前期准备

  • CH340驱动
  • USB转TTL,用于单片机与电脑的通信
  • 串口调试助手

刚买来的普中核心板,不拔短接片的话可以直接通过USB下载程序,或者与电脑进行串口通信,串口为USART1。注意一定要插图中标出来的USB接口,另一个只能用来供电。
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8.2 项目要求

  • 单片机上电发送“Sys Ready!”
  • 电脑串口助手发送“LED1 ON”(带回车换行),LED1点亮,同时单片机回复“OK!”
  • 电脑串口助手发送“LED1 OFF”(带回车换行),LED2熄灭,同时单片机回复“OK!”

    8.3 串口程序

    8.3.1 初始化串口

    首先是串口初始化程序,需要开启接收中断和空闲中断。
/*
 *==============================================================================
 *函数名称:uart_init
 *函数功能:初始化USART1
 *输入参数:bound:波特率
 *返回值:无
 *备  注:可以修改成输入初始化哪个USART
 *==============================================================================
 */
void uart_init(u32 bound)
{
   
   
    // 相关结构体定义
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    // 使能USART1,GPIOA时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd (RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);    

    // USART1_TX   GPIOA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;   // PA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;   // 复用推挽输出
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);   // 初始化GPIOA.9

    // USART1_RX      GPIOA.10初始化
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;   // PA10
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;   // 浮空输入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);   // 初始化GPIOA.10  

    // Usart1 NVIC 配置
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;   // 抢占优先级3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;   // 子优先级3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   // IRQ通道使能
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);   // 根据指定的参数初始化VIC寄存器

    // USART 初始化设置
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;   // 串口波特率
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;   // 字长为8位数据格式
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;   // 一个停止位
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;   // 无奇偶校验位
    // 无硬件数据流控制
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;   // 收发模式
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);   // 初始化串口1

  USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);   // 开启串口接收中断
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_IDLE, ENABLE);   // 使能空闲中断

  USART_Cmd(USART1, ENABLE);   // 使能串口1 
}

其次需要加上重定向函数,直接复制上面的即可。

8.3.2 串口接收中断服务函数

/*
 *==============================================================================
 *函数名称:USART1_IRQHandler
 *函数功能:USART1中断服务函数
 *输入参数:无
 *返回值:无
 *备  注:无
 *==============================================================================
 */
u32 gReceCount = 0;   // 接收计数变量
u32 gClearCount = 0;   // 清空接收数组计数变量
u8 gReceFifo[1500];   // 接收数组
u8 gReceEndFlag = 0;   // 接收完成标志位 

void USART1_IRQHandler(void)  
{
   
   
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)   //接收到一个字节  
    {
   
   
        gReceFifo[gReceCount++] = USART_ReceiveData(USART1);
    }
    else if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_IDLE) != RESET)   //接收到一帧数据
    {
   
   
        USART1->SR;   // 先读SR
        USART1->DR;   // 再读DR

        gReceEndFlag = 1;   // 接收完成标志置1 
    } 
}

8.3.3 接收帧解析函数

/*
 *==============================================================================
 *函数名称:Uart_Rece_Pares
 *函数功能:解析串口接收内容
 *输入参数:无
 *返回值:无
 *备  注:无
 *==============================================================================
 */
void Uart_Rece_Pares(void)   // 串口接收内容解析函数
{
   
   
    if (gReceEndFlag  == 1)   // 如果接收完成
    {
   
   
        // 解析接收内容
        if (gReceFifo[6] == 'N')
        {
   
   
            Med_Led_StateCtrl (LED1,LED_ON);   // 点亮LED1
            printf ("OK!\r\n");
        }

        if (gReceFifo[6] == 'F' && gReceFifo[7] == 'F')
        {
   
   
            Med_Led_StateCtrl (LED1,LED_OFF);   // 熄灭LED1
            printf ("OK!\r\n");
        }

        // 清空接收数组
        for (gClearCount = 0;gClearCount < gReceCount;gClearCount ++)
        {
   
   
            gReceFifo[gClearCount] = ' ';
        }

        gReceEndFlag = 0;   // 清除接收完成标志位
        gReceCount = 0;   // 清零接收计数变量
    }
}

8.3.3 main函数

int main(void)
{
   
   
    Med_Mcu_Iint();   // 系统初始化
    printf ("Sys Ready!\r\n");

    while(1)
  {
   
   
        Uart_Rece_Pares ();   // 接收帧解析
    }
}
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