2021年12月23日 | STM32串口通信-USART全面讲解

通用同步异步收发器(Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter)是一个全双工的串行通信设备；UART(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)是在USART基础上裁掉了同步通信功能，只有异步通信。

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。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、智能卡协议与LrDA SIR ENDEC规范；还支持DMA，可实现高速数据通信。

如下图是USART功能框图，我们将对此框图进行分析。

1.功能引脚

TX：发送数据输出引脚

RX：接收数据输入引脚

SW_RX：数据接收引脚，内部引脚，只用于单线和智能卡模式

nRTS：发送请求输出端，n表示低电平有效。如果是能RTS流控制，当USART接收器准备好接收新的数据时会将nRTS编程低电平；当接收寄存器已满时，nRTS将会被设置为高电平，该引脚至适用于硬件流控制。

nCTS：请求发送输入端，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，如果为低电平则发送数据，如果为高电平则在发送完当前数据之后停止发送，该引脚只适用于硬件流控制。

SCLK：发送器时钟输出引脚，仅适用于同步模式。

注意：UART只有异步传输功能，故没有SCLK、nRTS和nCTS引脚。

2.数据寄存器

USART数据寄存器（USART_DR）包含TDR和RDR，两者是介于系统总线和移位寄存器之间，只有低9位或低8有效，两者选择取决于USART控制寄存器1（USART_CR1）的M位，M=0为8位数据字长，M=1为9位数据字长。

3.控制器

USART有专门的控制发送的发送器、控制接收的接收器，还有唤醒单元、中断控制等。使用USART之前，需要将USART_CR1的UE置1，使能串口时钟供给。

发送器：

USART_CR1的TE置1，启动数据发送，发送移位寄存器的数据会以低位在前、高位在后的形式从TX引脚输出，如果是同步模式SCLK也将输出时钟信号。

如下，字符发送时序图所示，一个字符帧发送需要三个部分：起始位+数据帧+停止位。起始位是一个位周期的低电平；数据帧是我们发送的8位或9位数据；停止位是一定时间周期的高电平，可以设置为0.5、1、1.5、2个停止位，默认使用1个停止位，2个停止位适用于USART模式、单线模式和调制解调器模式，0.5和1.5适用于智能卡模式。

发送数据重要的标志位

接收器

如果USART_CR1的RE置位，使能USART接受，使得接收器在RX线开始搜索起始位。接收数据时，几个比较重要的标志位如下

4.小波特率生成

波特率指数据信号对载波的调制速率，它用单位时间内载波调制状态改变次数来表示，单位为波特。比特率指单位时间内传播的比特数。对于USART波特率与比特率相等。

USART的发送器和接收器使用相同的波特率，计算公式如下

其中，f为USART时钟，USARTDIV是一个放在波特率寄存器（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。

5.校验控制

USART支持奇偶校验。使用校验位时，串口传输的数据长度将是在8位的数据帧基础上加上1位，此时需要将USART_CR1的M为置1，然后将USART_CR1的PCE置1启动奇偶校验。

奇偶校验在发送和接收都是由硬件自动完成，如果在接收出现奇偶校验失败，会将USART_SR的PE置1，并可以产生奇偶校验中断。

6.中断控制

USART有多个中断请求事件，如下

7.USART初始化结构体详解

HAL库函数对每个外设都建立了一个初始化结构体和初始化配置函数，如USART_InitTypeDef和USART_Init()，USART_InitTypeDef用于配置外设工作参数，USART_Init()则将参数配置到相应的寄存器。

typedef struct {

 uint32_t BaudRate; //波特率

 uint32_t WordLength; //字长

 uint32_t StopBits; //停止位

 uint32_t Parity; //校验位

 uint32_t Mode; //UART 模式

 uint32_t HwFlowCtl; //硬件流控制

 uint32_t OverSampling; // 过采样模式

 uint32_t CLKLastBit; // 最尾位时钟脉冲

} USART_InitTypeDef;

BaudRate：波特率设置。一般设置为 2400、9600、19200、115200。HAL 库函数会根据设定值计算得到 UARTDIV 值。

WordLength：数据帧字长，可选 8 位或 9 位。

StopBits：停止位设置，可选 0.5 个、1 个、1.5 个和 2 个停止位。

Parity ： 奇 偶 校 验 控 制 选 择 ， 可 选 USART_PARITY_NONE ( 无校验 ) 、USART_PARITY_EVEN (偶校验)以及 USART_PARITY_ODD (奇校验)。

Mode：UART 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。

8.编程要点

1) 使能 RX 和 TX 引脚 GPIO 时钟和 USART 时钟；

2) 初始化 GPIO，并将 GPIO 复用到 USART 上；

3) 配置 USART 参数；

4) 配置中断控制器并使能 USART 接收中断；

5) 使能 USART；

6) 在 USART 接收中断服务函数实现数据接收和发送

9.代码分析

GPIO和USART宏定义

//串口波特率

#define DEBUG_USART_BAUDRATE                    115200

//引脚定义

/*******************************************************/

#define DEBUG_USART                             USART1

#define DEBUG_USART_CLK_ENABLE()                __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();

#define DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT                GPIOA

#define DEBUG_USART_RX_GPIO_CLK_ENABLE()        __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()

#define DEBUG_USART_RX_PIN                      GPIO_PIN_10

#define DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT                GPIOA

#define DEBUG_USART_TX_GPIO_CLK_ENABLE()       __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()

#define DEBUG_USART_TX_PIN                      GPIO_PIN_9

#define DEBUG_USART_IRQHandler                  USART1_IRQHandler

#define DEBUG_USART_IRQ                      USART1_IRQn

/************************************************************/

void Usart_SendString(uint8_t *str);

void DEBUG_USART_Config(void);

int fputc(int ch, FILE *f);

int fgetc(FILE *f);

extern UART_HandleTypeDef UartHandle;

USART初始化配置。函数体中UartHandle 是定义为 UART_HandleTypeDef 结构体类型的全局变量，它管理着串口的所有配置，该函数与硬件无关。

具体的MCU底层硬件相关的配置如引脚、时钟、DMA、中断等等是在HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)中完成，该函数被HAL_UART_Init 函数所调用，所以我们只需要重新定义HAL_UART_MspInit函数即可完成底层硬件的配置。

/**

  * @brief  DEBUG_USART GPIO 配置,工作模式配置。115200 8-N-1

  * @param  无

  * @retval 无

  */  

void DEBUG_USART_Config(void)

{ 

  UartHandle.Instance          = DEBUG_USART;

  UartHandle.Init.BaudRate     = DEBUG_USART_BAUDRATE;

  UartHandle.Init.WordLength   = UART_WORDLENGTH_8B;

  UartHandle.Init.StopBits     = UART_STOPBITS_1;

  UartHandle.Init.Parity       = UART_PARITY_NONE;

  UartHandle.Init.HwFlowCtl    = UART_HWCONTROL_NONE;

  UartHandle.Init.Mode         = UART_MODE_TX_RX;

  HAL_UART_Init(&UartHandle);

 /*使能串口接收断 */

  __HAL_UART_ENABLE_IT(&UartHandle,UART_IT_RXNE);  

}

/**

  * @brief UART MSP 初始化 

  * @param huart: UART handle

  * @retval 无

  */

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)

{  

  GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStruct;

  DEBUG_USART_CLK_ENABLE();

DEBUG_USART_RX_GPIO_CLK_ENABLE();

  DEBUG_USART_TX_GPIO_CLK_ENABLE();

/**USART1 GPIO Configuration    

  PA9     ------> USART1_TX

  PA10    ------> USART1_RX 

  */

  /* 配置Tx引脚为复用功能  */

  GPIO_InitStruct.Pin = DEBUG_USART_TX_PIN;

  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;

  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;

  GPIO_InitStruct.Speed =  GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;

  HAL_GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

  /* 配置Rx引脚为复用功能 */

  GPIO_InitStruct.Pin = DEBUG_USART_RX_PIN;

  GPIO_InitStruct.Mode=GPIO_MODE_AF_INPUT; //模式要设置为复用输入模式！

  HAL_GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct); 

  HAL_NVIC_SetPriority(DEBUG_USART_IRQ ,0,1); //抢占优先级0，子优先级1

  HAL_NVIC_EnableIRQ(DEBUG_USART_IRQ );     //使能USART1中断通道  

}

字符发送函数

/*****************  发送字符串 **********************/

void Usart_SendString(uint8_t *str)

{

unsigned int k=0;

  do 

  {

      HAL_UART_Transmit(&UartHandle,(uint8_t *)(str + k) ,1,1000);

      k++;

  } while(*(str + k)!='');

}

中断服务函数

void  DEBUG_USART_IRQHandler(void)

{

  uint8_t ch=0; 

if(__HAL_UART_GET_FLAG( &UartHandle, UART_FLAG_RXNE ) != RESET)

{

    ch=( uint16_t)READ_REG(UartHandle.Instance->DR);

    WRITE_REG(UartHandle.Instance->DR,ch); 

}

}

在嵌入式中，串口经常用作日志打印工具，下面代码功能是重定向printf和scanf函数，fputc是printf的内部函数，而fgetc是scanf的内部函数。

//重定向c库函数printf到串口DEBUG_USART，重定向后可使用printf函数

int fputc(int ch, FILE *f)

{

/* 发送一个字节数据到串口DEBUG_USART */

HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t *)&ch, 1, 1000);

return (ch);

}

//重定向c库函数scanf到串口DEBUG_USART，重写向后可使用scanf、getchar等函数

int fgetc(FILE *f)

{

int ch;

HAL_UART_Receive(&UartHandle, (uint8_t *)&ch, 1, 1000);

return (ch);

}