2020年03月31日 | STM32F407ZGT6串口通信讲解

串口(UART)

1 .UART概述

串口其实就是一种通信协议。

什么是通信协议？

通信双方在数据交流的过程中需要遵守的规则。

1.1 补充(常用通信协议分类及其特征介绍)

1. 同步、异步

同步：通信双方在同一个时钟脉冲下进行通信

异步：通信双方的时钟脉冲由各自提供

2. 单工、半双工、全双工

单工：在一个通信系统中，发送数据的一方叫发送发，接受数据的一方叫接受方，一旦角色确定下来后，永远不会改变。（遥控器）

半双工：在一个通信系统中，一个设备既可以作为发送方发送数据，也可以作为接收方接受数据，但是同一时刻只能拥有一种身份。----可以切换方向的单工 （对讲机）

全双工：在一个通信系统中，同一个设备同一时刻既是发送方，也是接收方，同时收发数据。（电话，手机）

3. 串行、并行

串行：只有一根数据线，数据一位一位地传输

并行：有多跟数据线，数据多位传输

4. 现场总线、板级总线

现场总线：没有固定在PCB板上的总线。（ can ）

板级总线：固定在PCB班上的总线。（串口、IIC、SPI）

UART原理示意图：

UART数据帧格式

启动位：

一个bit的低电平时间，一帧的数据的开始

数据位：

传输的有效数据，可以是5-8位

奇偶校验位：

当开启了奇偶校验功能时，数据位的最高位就作为奇偶校验位；如果不开启奇偶校验功能时，就不奇偶校验位。用于验证数据传输过程中是否有数据丢失。

奇偶校验精度只有50%。

CRC校验精度高达99.7%。

停止位：

1个位的高电平时间。（可设置成0.5、1、1.5、2bit）

一取数据位为8，不开奇偶校验，停止位为1。

UART四要素

数据位

奇偶校验位

停止位

波特率(bps):bit per second,每秒传输多少位数据。

通信双方必须在同一个波特率下进行通信

2. STM32的UART

异步串行全双工

universal synchronous asynchronous receiver transmitter

  通用同步异步收发器 (USART) 能够灵活地与外部设备进行全双工数据交换，满足外部设备对工业标准 NRZ 异步串行数据格式的要求。 USART 通过小数波特率发生器提供了多种波特率。

  它支持同步单向通信和半双工单线通信；还支持 LIN（局域互连网络）、智能卡协议与 IrDA（红外线数据协会） SIR ENDEC 规范，以及调制解调器操作 (CTS/RTS)。而且，它还支持多处理器通信。通过配置多个缓冲区使用 DMA 可实现高速数据通信。

STM32的UART特征(节选)

● 全双工异步通信

● NRZ 标准格式（标记/空格）

● 可配置为 16 倍过采样或 8 倍过采样，因而为速度容差与时钟容差的灵活配置提供了可能

● 小数波特率发生器系统

— 通用可编程收发波特率（有关最大 APB 频率时的波特率值，请参见数据手册）。

● 数据字长度可编程（8 位或 9 位）

● 停止位可配置 - 支持 1 或 2 个停止位

● 传输检测标志：

— 接收缓冲区已满

— 发送缓冲区为空

— 传输结束标志

STM32的UART框架

框架分析

将框架划分成4个部分：

外部接口部分

TX：数据发送管脚

RX：数据接收管脚

SW_RX:不属于标准串口

nRTS:问对方忙不忙（不属于标准串口）

nCTS:告诉对方你忙不忙（不属于标准串口）

SCLK：在同步模式下发送同步信号的（不属于标准串口）

数据收发传输部分

数据寄存器（DR）其实在内部分成两个寄存器，一个是用于发送的TDR寄存器，另一个是用于接收的RDR寄存器。我们对DR寄存器进行写操作时，实际上实在操作TDR寄存器，对DR寄存器进行读操作时，实际上是在操作RDR寄存器。

串口接受数据：数据从RX管脚一位一位地传输到接受移位寄存器里面，当接受移位寄存器接受满了后，就会自动送上接受数据寄存器（RDR），硬件就会使接受满标志位置1，我们直接读取DR寄存器就可以读取到串口接收到的数据。

串口发送数据：当发送缓冲区为空时，我们把要发送的数据直接写入到DR寄存器中，发送数据寄存器（TDR）就会将此数据传输到发送移位寄存器中，然后一位一位输出到TX端。

控制器部分

通过配置发送控制器和接受控制器来控制数据收发传输过程。主要是配置CR1控制寄存器。

小数波特率部分

以USART1为例:

fck=84Mhz.OVER8=0(过采样模式),波特率的值为bond.这些都是已知量。从此可以求出USARTDIV的值，将这个值写入到USART_BRR寄存器里面。

float USARTDIV;u32 DIV_Man;u32 DIV_Fra;

USARTDIV=84000000.0/(16*bond);

DIV_Man=USARTDIV;

DIV_Fra=(USARTDIV-DIV_Man)*16+0.5;

USART_BRR = DIV_Man<<4 | DIV_Fra;

注意：USART_BRR是寄存器，看手册

位 31:16 保留，必须保持复位值

位 15:4 DIV_Mantissa[11:0]：USARTDIV 的尾数

这 12 个位用于定义 USART 除数 (USARTDIV) 的尾数

位 3:0 DIV_Fraction[3:0]：USARTDIV 的小数

这 4 个位用于定义 USART 除数 (USARTDIV) 的小数。当 OVER8 = 1 时，不考虑 DIV_Fraction3

位，且必须将该位保持清零。

3.4 STM32的UART寄存器

3.4.1 状态寄存器 (USART_SR)

位 7 TXE：发送数据寄存器为空 (Transmit data register empty)

当 TDR 寄存器的内容已传输到移位寄存器时，该位由硬件置 1。如果 USART_CR1 寄存器

中 TXEIE 位 = 1，则会生成中断。通过对 USART_DR 寄存器执行写入操作将该位清零。

0：数据未传输到移位寄存器

1：数据传输到移位寄存器

注意： 单缓冲区发送期间使用该位。

位 5 RXNE：读取数据寄存器不为空 (Read data register not empty)

当 RDR 移 位 寄 存 器 的 内 容 已 传 输 到 USART_DR 寄 存 器 时，该 位 由 硬 件 置 1。如 果

USART_CR1 寄存器中 RXNEIE = 1，则会生成中断。通过对 USART_DR 寄存器执行读入

操作将该位清零。 RXNE 标志也可以通过向该位写入零来清零。建议仅在多缓冲区通信时使

用此清零序列。

0：未接收到数据

1：已准备好读取接收到的数据

3.4.2 数据寄存器 (USART_DR)

位 8:0 DR[8:0]：数据值

3.4.3 波特率寄存器 (USART_BRR)

3.4.4 控制寄存器 1 (USART_CR1)

位 15 OVER8：过采样模式 (Oversampling mode)

0： 16 倍过采样

1： 8 倍过采样

注意： 8 倍过采样在智能卡、 IrDA 和 LIN 模式下不可用：当 SCEN=1、 IREN=1 或 LINEN=1 时，

OVER8 由硬件强制清零。

位 13 UE： USART 使能 (USART enable)

该位清零后， USART 预分频器和输出将停止，并会结束当前字节传输以降低功耗。此位由软

件置 1 和清零。

0：禁止 USART 预分频器和输出

1：使能 USART

位 12 M：字长 (Word length)

该位决定了字长。该位由软件置 1 或清零。

0： 1 起始位， 8 数据位， n 停止位

1： 1 起始位， 9 数据位， n 停止位

注意： 在数据传输（发送和接收）期间不得更改 M 位

位 10 PCE：奇偶校验控制使能 (Parity control enable)

该位选择硬件奇偶校验控制（生成和检测）。使能奇偶校验控制时，计算出的奇偶校验位被插入到 MSB 位置（如果 M=1，则为第 9 位；如果 M=0，则为第 8 位），并对接收到的数据检查奇偶校验位。此位由软件置 1 和清零。一旦该位置 1， PCE 在当前字节的后面处于活动状态（在接收和发送时）。

0：禁止奇偶校验控制

1：使能奇偶校验控制

位 3 TE：发送器使能 (Transmitter enable)

该位使能发送器。该位由软件置 1 和清零。

0：禁止发送器

1：使能发送器

注意： 1：除了在智能卡模式下以外，传送期间 TE 位上的“0”脉冲（“0”后紧跟的是“1”）

会在当前字的后面发送一个报头（空闲线路）。

2：当 TE 置 1 时，在发送开始前存在 1 位的时间延迟。

位 2 RE：接收器使能 (Receiver enable)

该位使能接收器。该位由软件置 1 和清零。

0：禁止接收器

1：使能接收器并开始搜索起始位

3.4.5 控制寄存器 2 (USART_CR2)

位 13:12 STOP：停止位 (STOP bit)

这些位用于编程停止位。

00： 1 个停止位

01： 0.5 个停止位

10： 2 个停止位

11： 1.5 个停止位

3.5 STM32的UART实验

PC通过串口发送数据给开发板，然后开发板通过串口接收到数据后回发给PC。

利用串口助手把数据从PC端发送到开发板

程序改进：

在demo1中，下载链接：https://download.csdn.net/download/qq_40860986/10962073

使用查询方式，查询接收缓冲区是否为空，不为空表示接收到数据完毕，将数据从数据寄存器保存到自己定义的char data;接收到马上发送出去。

demo2，使用串口中断，在中断完成收发，提高效率。但是有个问题，使用串口中断后并不知道串口接收在什么时候接收完成，需要在串口调试助手添加特殊结束符作为发送结束标志，当单片机接收到结束符，表示接收完成。下载链接：

u8 rev_buf[100];//接收缓冲区

u8 addr=0;     //地址偏移量

u8 revice_ok=0;//接收完成标志

//串口1中断服务函数

/*

注意：

1.接收过程发生多次中断，并不是一次就接收完，PC端是一个字节一个字节的发送

单片机一个字节一个字节的接收，当发送完再读出一个完整的字符串。读取过程与

查询方式一样。

2.串口助手发送时，要以#做结尾，同时取消发送新行模式。

*/

void USART1_IRQHandler(void)

{

u8 data;

data=USART1->DR;//读取同时会清除标志

if(data=='#')//接收完成

{

rev_buf[addr]='';

addr=0;

revice_ok=1;

}

else//正常接收

{

rev_buf[addr++]=data;

}

}

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demo3，使用串口中断，在中断完成收发，提高效率。取消用特殊标识符作为接收完成的标志。使用超时判断。（一个字节一个字节接收，每次接收计数值清零，当停止接收后，计数值不再清零，超过预设值就代表接收完成）

下载链接：

中断服务函数：

u8 rev_buf[100];//接收缓冲区

u8 addr=0;     //地址偏移量

u8 revice_ok=0;//接收完成标志

u8 revice_start=0;//开始接收受标志

u32 time_out=0;//超时计数值

//串口1中断服务函数

void USART1_IRQHandler(void)

{

u8 data;

data=USART1->DR;//读取同时会清除标志

rev_buf[addr++]=data;

revice_start=1;//开始接收

time_out=0;//超级计数值清零

}

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主函数判断：

if(revice_start)//开始接收

{

Main_delay();

time_out++;

if(time_out>=50)//超时就

{

revice_ok=1;

rev_buf[addr]='';

addr=0;

time_out=0;

revice_start=0;

}

}