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2023年01月11日 | 学习笔记之STM32 USART串口应用

2023-01-11 来源：elecfans

　　一、USART简介

　　通用同步异步收发器(USART)提供了一种灵活的方法与使用工业标准NRZ异步串行数据格式的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。（文章下方有USART串口视频资料）

　　STM32 的串口资源相当丰富的，功能也相当强劲。STM32F103ZET6 最多可提供 5 路串口，有分数波特率发生器，支持同步单向通信和半双工单线通信，支持LIN(局部互连网)，智能卡协议和IrDA(红外数据组织)SIR ENDEC规范，以及调制解调器(CTS/RTS)操作。它还允许多处理器通信。使用多缓冲器配置的DMA方式，可以实现高速数据通信。

　　二、USART功能概述

　　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。在单线和智能卡模式里，此I/O口被同时用于数据的发送和接收。

　　串口外设主要由三个部分组成，分别是波特率的控制部分、收发控制部分及数据存储转移部分。

　　1、波特率控制

　　波特率，即每秒传输的二进制位数，用 b/s (bps)表示，通过对时钟的控制可以改变波特率。在配置波特率时，我们向波特比率寄存器 USART_BRR 写入参数，修改了串口时钟的分频值 USARTDIV。USART_BRR 寄存器包括两部分，分别是 DIV_Mantissa(USARTDIV 的整数部分)和 DIVFraction(USARTDIV的小数)部分，最终，计算公式为：

　　USARTDIV=DIV_Mantissa+(DIVFraction/16)。

　　2、分数波特率的产生

　　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。　　　　Tx / Rx 波特率 =fCK/(16*USARTDIV)

　　这里的fCK是给外设的时钟(PCLK1用于USART2、3、4、5，PCLK2用于USART1) USARTDIV是一个无符号的定点数。这12位的值设置在USART_BRR寄存器。

　　注：在写入USART_BRR之后，波特率计数器会被波特率寄存器的新值替换。因此，不要在通信进行中改变波特率寄存器的数值。

　　USARTDIV 是对串口外设的时钟源进行分频的，对于 USART1，由于它是挂载在 APB2 总线上的，所以它的时钟源为 fPCLK2;而 USART2、3 挂载在APB1 上，时钟源则为 fPCLK1，串口的时钟源经过 USARTDIV 分频后分别输出作为发送器时钟及接收器时钟，控制发送和接收的时序。

　　3、收发控制

　　围绕着发送器和接收器控制部分，有好多个寄存器：CR1、CR2、CR3、SR，即 USART 的三个控制寄存器(Control Register)及一个状态寄存器(Status Register)。通过向寄存器写入各种控制参数，来控制发送和接收，如奇偶校验位，停止位等，还包括对 USART 中断的控制;串口的状态在任何时候都可以从状态寄存器中查询得到。具体的控制和状态检查，我们都是使用库函数来实现的，在此就不具体分析这些寄存器位了。

　　4、数据存储转移部分

　　收发控制器根据我们的寄存器配置，对数据存储转移部分的移位寄存器进行控制。

　　当我们需要发送数据时，内核或 DMA 外设(一种数据传输方式，在下一章介绍)把数据从内存(变量)写入到发送数据寄存器 TDR 后，发送控制器将适时地自动把数据从 TDR 加载到发送移位寄存器，然后通过串口线 Tx，把数据一位一位地发送出去，在数据从 TDR 转移到移位寄存器时，会产生发送寄存器TDR 已空事件 TXE，当数据从移位寄存器全部发送出去时，会产生数据发送完成事件 TC，这些事件可以在状态寄存器中查询到。

　　而接收数据则是一个逆过程，数据从串口线 Rx 一位一位地输入到接收移位寄存器，然后自动地转移到接收数据寄存器 RDR，最后用内核指令或 DMA读取到内存(变量)中。

　　三、串口设置

　　对于复用功能的 IO，我们首先要使能 GPIO 时钟，然后使能复用功能时钟，同时要把 GPIO 模式设置为复用功能对应的模式，串口参数的初始化设置，包括波特率，停止位等等参数。在设置完成后就是使能串口。同时，如果开启了串口的中断，当然要初始化 NVIC 设置中断优先级别，最后编写中断服务函数。

　　串口设置的一般步骤可以总结为如下几个步骤：

　　1) 串口时钟使能，GPIO 时钟使能

　　2) 串口复位

　　3) GPIO 端口模式设置

　　4) 串口参数初始化

　　5) 开启中断并且初始化 NVIC(如果开启中断才需要这个步骤)

　　6) 使能串口

　　7) 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。这些函数和定义主要分布在 stm32f10x_usart.h 和 stm32f10x_usart.c 文件中。

　　1、串口时钟使能。

　　串口是挂载在 APB2 下面的外设，所以使能函数为：　　　　RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1);

　　2、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

　　比如要复位串口 1，方法为：　　　　USART_DeInit(USART1); //复位串口 1

　　3、串口参数初始化。

　　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);

　　这个函数的第一个入口参数是指定初始化的串口标号，这里选择 USART1。第二个入口参数是一个 USART_InitTypeDef 类型的结构体指针，这个结构体指针的成员变量用来设置串口的一些参数。一般的实现格式为：

1 USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound; //一般设置为 9600; 
2 USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长为 8 位数据格式
3 USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; //一个停止位
4 USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; //无奇偶校验位
5 USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl
6 　　　　　　　　　　= USART_HardwareFlowControl_None; //无硬件数据流控制
7 USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; //收发模式
8 USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); //初始化串口

　　从上面的初始化格式可以看出初始化需要设置的参数为：波特率，字长，停止位，奇偶校验位，硬件数据流控制，模式(收，发)。我们可以根据需要设置这些参数。

　　4、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是：

　　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是：

　　uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);

　　通过该函数可以读取串口接受到的数据。

　　5、串口状态。

　　串口的状态可以通过状态寄存器 USART_SR 读取。 USART_SR 的各位描述如图 1 所示：

　　图1 USART_SR寄存器各位描述

　　关注一下两个位，第 5、6 位 RXNE 和 TC。

　　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。

　　在我们固件库函数里面，读取串口状态的函数是：

　　FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);

　　这个函数的第二个入口参数非常关键，它是标示要查看串口的哪种状态，比如上面讲解的RXNE(读数据寄存器非空)以及 TC(发送完成)。例如要判断读寄存器是否非空(RXNE)，操作库函数的方法是：

　　USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE);

　　要判断发送是否成(T完C)，操作库函数的方法是：

　　USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC);

　　以上这些标识号在 MDK 里面是通过宏定义定义的：

1 #define USART_IT_PE ((uint16_t)0x0028)

2 #define USART_IT_TXE ((uint16_t)0x0727)

3 #define USART_IT_TC ((uint16_t)0x0626)

4 #define USART_IT_RXNE ((uint16_t)0x0525)

5 #define USART_IT_IDLE ((uint16_t)0x0424)

6 #define USART_IT_LBD ((uint16_t)0x0846)

7 #define USART_IT_CTS ((uint16_t)0x096A)

8 #define USART_IT_ERR ((uint16_t)0x0060)

9 #define USART_IT_ORE ((uint16_t)0x0360)

10 #define USART_IT_NE ((uint16_t)0x0260)

11 #define USART_IT_FE ((uint16_t)0x0160)

　　图1 USART_SR寄存器各位描述

　　关注一下两个位，第 5、6 位 RXNE 和 TC。

　　在我们固件库函数里面，读取串口状态的函数是：

　　FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);

　　USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE);

　　要判断发送是否成(T完C)，操作库函数的方法是：

　　USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC);

　　以上这些标识号在 MDK 里面是通过宏定义定义的：

1 //初始化 GPIO 和串口 1

2 //bound:波特率

3 void uart_init(u32 bound)

4 {

5 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

6 USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

7 NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

8 //①串口时钟使能，GPIO 时钟使能，复用时钟使能

9 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|

10 RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //使能 USART1,GPIOA 时钟

11 //②串口复位

12 USART_DeInit(USART1); //复位串口 1

13 //③GPIO 端口模式设置

14 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; //ISART1_TX PA.9

15 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

16 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出

17 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //初始化 GPIOA.9

18 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10; //USART1_RX PA.10

19 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入

20 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //初始化 GPIOA.10

21 //④串口参数初始化

22 USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound; //波特率设置

23 USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; //字长为 8 位

24 USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; //一个停止位

25 USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; //无奇偶校验位

26 USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl

27 　　　　　　　　　　= USART_HardwareFlowControl_None; //无硬件数据流控制

28 USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;//收发模式

29 USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); //初始化串口

30 #if EN_USART1_RX //如果使能了接收

31 //⑤初始化 NVIC

32 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;

33 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ; //抢占优先级 3

34 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3; //子优先级 3

35 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ 通道使能

36 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //中断优先级初始化

37 //⑤开启中断

38 USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE); //开启中断

39 #endif

40 //⑥使能串口

41 USART_Cmd(USART1, ENABLE); //使能串口

42 }

　　从该代码可以看出，其初始化串口的过程，和我们前面介绍的一致。我们用标号①~⑥标示了顺序：

　　① 串口时钟使能，GPIO 时钟使能

　　② 串口复位

　　③ GPIO 端口模式设置

　　④ 串口参数初始化

　　⑤ 初始化 NVIC 并且开启中断

　　⑥ 使能串口

　　五、

　　1、配置全双工的串口 1

　　TX(PA9)管脚需要配置为推挽复用输出;

　　RX(PA10)管脚配置为浮空输入或者带上拉输入。

　　模式配置参考下面表1：

　　表1 串口 GPIO 模式配置表

　　2、需要注意一点，如果使用到了串口的中断接收，必须在 usart.h 里面设置EN_USART1_RX 为 1(默认设置就是 1 的) 。该函数才会配置中断使能，以及开启串口 1 的NVIC 中断。这里把串口 1 中断放在组 2，优先级设置为组 2 里面的最低。

　　接下来还要编写中断服务函数。串口 1 的中断服务函数 USART1_IRQHandler 。

　　3、重点看下mian()函数中的以下两句：

　　USART_SendData(USART1, USART_RX_BUF[t]); //向串口 1 发送数据

　　while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET);

　　第一句，其实就是发送一个字节到串口。第二句呢，就是我们在我们发送一个数据到串口之后，要检测这个数据是否已经被发送完成了。 USART_FLAG_TC 是宏定义的数据发送完成标识符。

学习笔记 STM32 USART 串口应用

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