⑦ STM32基础学习— 串口
1 串口UART
通用同步异步收发器 (Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter) 是一个串行通信设备，可以灵活地与外部设备进行全双工数据交换。有别于 USART 还有一个 UART(UniversalAsynchronous Receiver and Transmitter)，它是在 USART 基础上裁剪掉了同步通信功能，只有异步通信。简单区分同步和异步就是看通信时需不需要对外提供时钟输出，我们平时用的串口通信基本都是 UART。
串行通信一般是以帧格式传输数据，即是一帧一帧的传输，每帧包含有起始信号、数据信息、停止信息，可能还有校验信息。USART 就是对这些传输参数有具体规定，当然也不是只有唯一一个参数值，很多参数值都可以自定义设置，只是增强它的兼容性。
USART 满足外部设备对工业标准 NRZ 异步串行数据格式的要求，并且使用了小数波特率发生器，可以提供多种波特率，使得它的应用更加广泛。USART 支持同步单向通信和半双工单线通信；还支持局域互连网络 LIN、智能卡 (SmartCard) 协议与 lrDA(红外线数据协会) SIR ENDEC 规范。
通用同步异步收发器(USART)提供一种灵活的方法与外部设备之间进行全双工数据交换,USART利用分数波特率发生器提供宽范围的波特率选择,使用多缓冲器配置的DMA方式，可以实现高速数据通信。串口作为 MCU 的重要外部接口，同时也是软件开发重要的调试手段，现在基本上所有的 MCU 都会带有串口。STM32 的串口资源相当丰富的，STM32F103C8T6 最多可提供 3 路串口，有分数波特率发生器、支持同步单线通信和半双工单线通讯、支持 LIN、支持调制解调器操作、智能卡协议和 IrDA SIR ENDEC 规范、具有 DMA等。
串口设置的一般步骤可以总结为如下几个步骤：
- 串口时钟使能，GPIO 时钟使能
- 串口复位
- GPIO 端口模式设置
- 串口参数初始化
- 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）
- 使能串口
- 编写中断处理函数
与串口基本配置直接相关的几个固件库函数和定义主要分布在 stm32f10x_usart.h 和 stm32f10x_usart.c 文件中。
接线方式
接口通过三个引脚与其他设备连接在一起，任何USART双向通信至少需要两个脚：接收数据输入(RX)和发送数据输出(TX)。
RX：接收数据串行输。通过过采样技术来区别数据和噪音，从而恢复数据TX：发送数据输出。当发送器被禁止时，输出引脚恢复到它的I/O端口配置。当发送器被激活，
并且不发送数据时，TX引脚处于高电平。
2 USART框架图
2.1 引脚说明
功能引脚
TX：发送数据输出引脚。SW_RX：数据接收引脚，属于内部引脚。RX：接收数据输入引脚。SW_RX：数据接收引脚，只用于单线和智能卡模式，属于内部引脚，没有具体外部引脚。nCTS：清除以发送 (Clear To Send)，n 表示低电平有效。如果使能 CTS 流控制，发送器在发送下一帧数据之前会检测 nCTS 引脚，如果为低电平，表示可以发送数据，如果为高电平则在发送完当前数据帧之后停止发送。该引脚只适用于硬件流控制。SCLK：发送器时钟输出引脚。这个引脚仅适用于同步模式。nRTS：请求以发送，n表示低电平有效。如果使能 RTS 流控制，当USART接收器准备好接收新数据时就会将nRTS变成低电平；当接收寄存器已满时，nRTS将被设置为高电平。该引脚只适用于硬件流控制。nCTS：清除以发送(Clear To Send)，n表示低电平有效。如果使能 CTS流控制，发送器在发送下一帧数据之前会检测 nCTS 引脚，如果为低电平，表示可以发送数据，如果为高电平则在发送完当前数据帧之后停止发送。该引脚只适用于硬件流控制。SCLK：发送器时钟输出引脚。这个引脚仅适用于同步模式。
STM32F103C8T6芯片的 _USART_ 引脚
STM32F103C8T6 系统控制器有三个 USART，其中 USART1 和时钟来源于 APB2 总线时钟，其最大频率为 72MHz，其他四个的时钟来源于 APB1 总线时钟，其最大频率为 36MHz。如果是UART 只是异步传输功能，所以没有 SCLK、nCTS 和 nRTS 功能引脚。
2.2 接收发送数据寄存器
USART数据寄存器(USART_DR)只有低 9 位有效。
2.3 串口时钟
USART1的时钟来源于APB2总线时钟，最大频率为72MHZ，其他4个时钟来源于APB1总线时钟，最大频率36MHZ。UART只有异步传输功能，没有SCLK、nCTS和nRTS功能引脚。
2.4 波特率发生器
接收器和发送器的波特率在USARTDIV的整数和小数寄存器中的值应设置成相同。
- 其中，fPLCK 为 USART 时钟，USARTDIV 是一个存放在波特率寄存器 (USART_BRR) 的一个无符号定点数。其中 DIV_Mantissa[11:0] 位定义 USARTDIV 的整数部分，DIV_Fraction[3:0] 位定义USARTDIV 的小数部分。
- 例如：DIV_Mantissa=24(0x18)，DIV_Fraction=10(0x0A)，此时 USART_BRR 值为 0x18A；那么 USARTDIV 的小数位 10/16=0.625；整数位 24，最终 USARTDIV 的值为 24.625。
- 如果知道 USARTDIV 值为 27.68，那么 DIV_Fraction=16*0.68=10.88，最接近的正整数为 11，所以 DIV_Fraction[3:0] 为 0xB；DIV_Mantissa= 整数(27.68)=27，即为 0x1B。
- 波特率的常用值有 2400、9600、19200、115200。
2.5 串口中断事件
2.6 printf 函数支持
通过 加入printf 函数支持的代码，printf 函数向串口发送我们需要的内容，方便开发过程中查看代码执行情况以及一些变量值。
//加入以下代码,支持 printf 函数,而不需要选择 use MicroLIB
#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(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)==RESET);
USART_SendData(USART1,(uint8_t)ch); //printf 定义串口1
return ch;
}
#endif
==串口时钟使能== 使能相应的 GPIO 时钟，然后使能复用功能时钟和内置外设时钟，串口是挂载在 APB2 下面的外设。
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //使能 USART1，GPIOA 时钟
==串口复位==
当外设出现异常的时候可以通过复位设置，实现该外设的复位，然后重新配置这个外设达到让其重新工作的目的。一般在系统刚开始配置外设的时候，都会先执行复位该外设的操作。复位的是在函数 USART_DeInit()中完成：
void USART_DeInit(USART_TypeDef* USARTx);//串口复位
例如复位串口1：
USART_DeInit(USART1); //复位串口 1
==串口初始化==串口初始化是通过 USART_Init()函数实现的
void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct)；
==GPIO 端口为特定的状态==
所以接下来的两段代码就是将 TX(PA9)设置为推挽复用输出模式，将 RX(PA10)设置为浮空输入模式：
//USART1_TX PA.9
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; //PA.9 复用推挽输出
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);
//USART1_RX PA.10 浮空输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
==GPIO中断==
//Usart1 NVIC 中断配置 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
==置串口 1 的初始化参数==
//USART 初始化设置
USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//波特率设置;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长为 8 位
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
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl=
USART_HardwareFlowControl_None;//无硬件数据流控制
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;//收发
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); //初始化串口
==USART_Init()函数结构体==
typedef struct
{
uint32_t USART_BaudRate;
uint16_t USART_WordLength;
uint16_t USART_StopBits;
uint16_t USART_Parity;
uint16_t USART_Mode;
uint16_t USART_HardwareFlowControl;
} USART_InitTypeDef;
USART_BaudRate：波特率设置。一般设置为 2400、9600、19200、115200。标准库函数会根据设定值计算得到 USARTDIV 值，从而设置 USART_BRR 寄存器值。USART_WordLength：数据帧字长，可选 8 位或 9 位。它设定 USART_CR1 寄存器的 M 位的值。如果没有使能奇偶校验控制，一般使用 8 数据位；如果使能了奇偶校验则一般设置为 9 数据位。USART_StopBits：停止位设置，可选 0.5 个、1 个、1.5 个和 2 个停止位，它设定 USART_CR2寄存器的 STOP[1:0] 位的值，一般我们选择 1 个停止位。USART_Parity：奇偶校验控制选择，可选 USART_Parity_No(无校验)、USART_Parity_Even(偶校验) 以及 USART_Parity_Odd(奇校验)，它设定 USART_CR1 寄存器的 PCE 位和 PS 位的值。USART_Mode：USART 模式选择，有 USART_Mode_Rx 和 USART_Mode_Tx，允许使用逻辑或运算选择两个，它设定 USART_CR1 寄存器的 RE 位和 TE 位。USART_HardwareFlowControl：硬件流控制选择，只有在硬件流控制模式才有效，可选有
==USART 时钟初始化结构体==
typedef struct {
uint16_t USART_Clock; // 时钟使能控制
uint16_t USART_CPOL; // 时钟极性
uint16_t USART_CPHA; // 时钟相位
uint16_t USART_LastBit; // 最尾位时钟脉冲
} USART_ClockInitTypeDef;
USART_Clock：同步模式下 SCLK 引脚上时钟输出使能控制，可选禁止时钟输出 (USART_Clock_Disable) 或开启时钟输出 (USART_Clock_Enable)；如果使用同步模式发送，一般都需要开启时钟。它设定 USART_CR2 寄存器的 CLKEN 位的值。USART_CPOL：同步模式下 SCLK 引脚上输出时钟极性设置，可设置在空闲时 SCLK 引脚为低电平 (USART_CPOL_Low) 或高电平 (USART_CPOL_High)。它设定 USART_CR2 寄存器的 CPOL位的值。USART_CPHA：同步模式下 SCLK 引脚上输出时钟相位设置，可设置在时钟第一个变化沿捕获数据 (USART_CPHA_1Edge) 或在时钟第二个变化沿捕获数据。它设定 USART_CR2 寄存器的CPHA 位的值。USART_CPHA 与 USART_CPOL 配合使用可以获得多种模式时钟关系。USART_LastBit：选择在发送最后一个数据位的时候时钟脉冲是否在 SCLK 引脚输出，可以是不输出脉冲 (USART_LastBit_Disable)、输出脉冲 (USART_LastBit_Enable)。它设定 USART_CR2 寄存器的 LBCL 位的值。
完成上面的操作后就可以写中断函数了：
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启中断
USART_Cmd(USART1, ENABLE); //使能串口
==USART1_IRQHandler函数==
void USART1_IRQHandler(void)函数是串口 1 的中断响应函数，当串口 1 发生了相应的中断后，就会跳到该函数执行。中断相应函数的名字是不能随便定义的，一般我们都遵循 MDK定义的函数名。在启动文件 startup_stm32f10x_hd.s 文件中可以找到。
if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)
判断是否接受中断，如果是串口接受中断，则读取串口接受到的数据：
Usart1Data =USART_ReceiveData(USART1);//(USART1->DR); //读取接收到的数据
后面就可以根据自己接收需求制定收发协议。
void USART1_IRQHandler(void) //串口 1 中断服务程序
{
u8 Usart1Data;
if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)
//接收中断(接收到的数据必须是 0x0d 0x0a 结尾)
{
Usart1Data =USART_ReceiveData(USART1);//(USART1->DR); //读取接收到的数据
// 下面根据接收需求制定接收协议
}
}
==通过寄存器数据发送与接收==
STM32 的发送与接收是通过数据寄存器 USART_DR 来实现的，这是一个双寄存器，包含了 TDR 和 RDR。当向该寄存器写数据的时候，串口就会自动发送，当收到数据的时候，也是存在该寄存器内。
STM32 库函数操作 USART_DR 寄存器发送数据的函数:
void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);
通过该函数向串口寄存器 USART_DR 写入一个数据。
STM32 库函数操作 USART_DR 寄存器读取串口接收到的数据的函数:
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);
通过该函数可以读取串口接受到的数据。
==串口状态==串口的状态可以通过状态寄存器 USART_SR 读取
-
RXNE（读数据寄存器非空），当该位被置 1 的时候，就是提示已经有数据被接收到了，并且可以读出来了。这时候我们要做的就是尽快去读取 USART_DR，通过读 USART_DR 可以将该位清零，也可以向该位写 0，直接清除。 -
TC（发送完成），当该位被置位的时候，表示 USART_DR 内的数据已经被发送完成了。如果设置了这个位的中断，则会产生中断。该位也有两种清零方式：-
1、读 USART_SR，写USART_DR。
-
2、直接向该位写 0。
-
==读取串口状态的函数==
FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
==要判断读寄存器是否非空(RXNE)==
USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE);
==判断发送是否完成(TC)==
USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC);
//这些标识号在 MDK 里面是通过宏定义定义的：
#define USART_IT_PE ((uint16_t)0x0028)
#define USART_IT_TXE ((uint16_t)0x0727)
#define USART_IT_TC ((uint16_t)0x0626)
#define USART_IT_RXNE ((uint16_t)0x0525)
#define USART_IT_IDLE ((uint16_t)0x0424)
#define USART_IT_LBD ((uint16_t)0x0846)
#define USART_IT_CTS ((uint16_t)0x096A)
#define USART_IT_ERR ((uint16_t)0x0060)
#define USART_IT_ORE ((uint16_t)0x0360)
#define USART_IT_NE ((uint16_t)0x0260)
#define USART_IT_FE ((uint16_t)0x0160)
==串口使能==串口使能是通过函数 USART_Cmd()来实现
USART_Cmd(USART1, ENABLE); //使能串口
==开启串口响应中断==使能串口中断的函数
void USART_ITConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT,
FunctionalState NewState)
详细可以请参考《STM32 参考手册》第 516 页至 548 页！！！！！！！！！
2.7 串口初始化代码
void uart_init(u32 bound){
//GPIO 端口设置
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA
, ENABLE); //使能 USART1，GPIOA 时钟
//USART1_TX PA.9
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; //PA.9 复用推挽输出
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.0 发送端
//USART1_RX PA.10 浮空输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //初始化 GPIOA.10 接收端
//Usart1 NVIC 中断配置 配置
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn; //对应中断通道
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); //中断优先级配置
//USART 初始化设置
USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//波特率设置;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长为 8 位
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
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl=
USART_HardwareFlowControl_None;//无硬件数据流控制
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx |USART_Mode_Tx;//收发模式
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); //初始化串口
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启中断
USART_Cmd(USART1, ENABLE); //使能串口
}
因为蓝牙使用串口操作，我们可以通过蓝牙去测试串口收发情况，下一个文章就是进行蓝牙的收发实验。
DMA连续通信
串口DMA发送
使用串口DMA方式将SRAM的数据通过串口发送出发
#define USART1_DR_ADDR (USART1_BASE+4)
#define BUFSIZE 28
char tx_buf[BUFSIZE] = {\
'a','b','c','d','e',\
'f','g','h','i','j',\
'k','l','m','n','o',\
'p','q','r','s','t',\
'u','v','w','x','y',\
'z','z','z'};
void uart_dma_init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
USART_InitTypeDef USART_InitStruct;
RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA | \
RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
//GPIO Init(PA9‐>TX,PA10‐>RX)
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
//usart init
USART_InitStruct.USART_BaudRate = 115200;
USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = \
USART_HardwareFlowControl_None;
USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;
USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Tx|USART_Mode_Rx;
USART_Init(USART1, &USART_InitStruct);
//DMA init
DMA_InitStruct.DMA_PeripheralBaseAddr = USART1_DR_ADDR;
DMA_InitStruct.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)tx_buf;
DMA_InitStruct.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST;
DMA_InitStruct.DMA_BufferSize = BUFSIZE;
DMA_InitStruct.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
DMA_InitStruct.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
DMA_InitStruct.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;
DMA_InitStruct.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;
DMA_InitStruct.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;
DMA_InitStruct.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
DMA_InitStruct.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
DMA_Init(DMA1_Channel4, &DMA_InitStruct); //usart1_tx
USART_DMACmd(USART1, USART_DMAReq_Tx, ENABLE);
USART_Cmd(USART1, ENABLE);
DMA_Cmd(DMA1_Channel4, ENABLE);
}
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