STM32——USART原理及应用

STM32——USART原理及应用

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/m0_60503814/article/details/142891326

USART是STM32微控制器中一个重要的通信外设，用于实现设备间的数据传输。本文将从USART的基本概念、硬件结构、软件配置等多个维度，深入讲解USART的工作原理及应用方法。

1.什么是USART？

1.1 基本概念

USART英文全称：universal asynchronous receiver and transmitter ，翻译过来就是：通用同步异步收/发器。USART是STM32内部集成的硬件外设，可根据数据寄存器的一个字节数据自动生成数据帧时序，从TX(Transmit Exchange)引脚发送出去，也可自动接收RX引脚的数据帧时序，拼接为一个字节数据，存放在数据寄存器里。简单来说USART就是一个STM32的外设，用于设备之间传输数据，常见的通信外设还有IIC、SPI等。

1.2 USART实物图

1.3USART简约框图

1. TX（Transmit）：传输线路，负责发送数据。连接到其他设备的接收端

2. RX（Receive）：接收线路，负责接收数据。连接到其他设备的发送端

3. GND（Ground）：地线，电路的公共参考点，确保信号的正常传输和电路的正常工作

4. VCC：电源输入，提供电源给USART模块或相关的电路设备，通常是正电压（如5V或3.3V）

1.5USART发送接收方式

可以通过触发中断发送接收

可以利用DMA搬运发送接收

2.USART硬件部分

2.1USART外设

1.自带波特率发生器，最高达4.5Mbits/s

2.可配置数据位长度（8/9）、停止位长度（0.5/1/1.5/2）

3.可选校验位（无校验/奇校验/偶校验）

4.支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN

5.支持DMA

6.数据传输是低位先行

7.USART通信：异步、全双工通信

8.支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN

什么是硬件流控制？-- 硬件流控制：比如A设备有个TX向B设备的RX发送数据，A设备发送的快，B设备处理不过来，如果没有硬件流控制，那么B设备只能抛弃新数据或者覆盖原来的数据，如果有硬件流控制，在硬件电路上，会多出一根线，如果B设备没准备好接收，就置高电平，如果准备好了，就置低电平。A接受了B反馈的信号，就只会在B准备好的时候，才发送数据；如果B没准备好，数据就不会发送出去。这就是硬件流控制，可以防止因为B处理慢而导致数据丢失问题。

注：UART只有异步传输功能，所以没有SCLK、nCTS、nRTS功能引脚（这是UART与USART的区别）

2.USART框图

USART框图非常重要，掌握USART框图，就能比较深入的理解USART的工作原理

1线路是USART接收数据的流程：数据从RX接收数据引脚进入→接收移位寄存器（该寄存器的作用是将数据一位一位的移到接收数据寄存器RDR中），利用USART_ReceiveData()函数可以直接读取出接收数据寄存器RDR的数据。

2线路是驱动接收移位寄存器工作：RE→接收控制器→接收移位寄存器

3线路是USART发送数据的流程：数据从发送数据寄存器TDR→发送移位寄存器→TX发送引脚

利用USART_SendData()函数可以将要发送的数据放在TDR发送寄存器中

4线路是驱动发送移位寄存器工作：TE→发送控制器→发送移位寄存器

5与6（TXEIE、RXNEIE）分别是使能发送中断使能、接收中断使能

7（TE、RE）分别是发送使能、接收使能

8与9(TXE、RXNE)分别是发送寄存器空、接收寄存器非空，这两个事件均可申请进入USART中断

发送寄存器空：表明发送寄存器空闲，可通知MCU向TDR写入数据

接收寄存器非空：表明已经接收到了数据，进入中断后可通知MCU读取RDR里的数据

注：发送数据寄存器TDR，接收数据寄存器RDR，这两个寄存器占用同一个地址，在程序上只表现为一个寄存器，就是数据寄存器DR。但实际硬件中是分成了两个寄存器

SW_RX IRDA_OUT IRDA_IN是只能卡与lrDA通信的引脚。

3.USART软件部分

3.1USART基本参数

•波特率：串口通信的速率（如：规定每隔1ms发送1位等）每秒传送码元的个数。

决定了每隔多久发送一位。

•起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平（空闲时为高电平）

•数据位：数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平，低位先行

•校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来

•停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平

3.2USART串口时序图

3.3USART结构体详解

USART初始化的结构体一般用来配置：USART传输的速率、一帧的长度、是否带校验位、USART模式等等

typedef struct {
    uint32_t USART_BaudRate;            // 波特率
    uint16_t USART_WordLength;          // 字长
    uint16_t USART_StopBits;            // 停止位
    uint16_t USART_Parity;              // 校验位
    uint16_t USART_Mode;                // USART模式
    uint16_t USART_HardwareFlowControl; // 硬件流控制
} USART_InitTypeDef;  

1. 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USARTBRR寄存器值。

2. USART_WordLength： 数据帧字长，可选8位或9位。它设定USARTCR1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。

3. 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USARTCR2寄存器的STOP[1:0]位的值，一般我们选择1个停止位。

4. USART_Parity： 奇偶校验控制选择，可选USARTParityNo(无校验)、USARTParityEven(偶校验)以及USARTParityOdd(奇校验)，它设定USARTCR1寄存器的PCE位和PS位的值。

5. USART_Mode： USART模式选择，有USARTModeRx和USARTModeTx，允许使用逻辑或运算选择两个，它设定USARTCR1寄存器的RE位和TE位。就是发送模式或接受模式。

6. USART_HardwareFlowControl： 硬件流控制选择，只有在硬件流控制模式才有效，可选有使能RTS、使能CTS、同时使能RTS和CTS、不使能硬件流。

当使用同步模式时需要配置SCLK引脚输出脉冲的属性，标准库使用一个时钟初始化结构体USART_ClockInitTypeDef来设置，该结构体内容也只有在同步模式才需要设置。

3.4 USART结构体配置

void Serial_Init(void)
{
    //第一步：开启时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
    
    //第二步：初始化GPIO引脚 USART1的TX引脚复用到PA9，RX引脚复用到PA10
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
    
    
    //第三步：初始化USART，9600波特率，无校验，1位停止位，无流控，只发送模式。
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    //波特率
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
    //硬件流控制
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    //串口模式
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
    //校验位
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    //停止位
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    //字长
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    
    USART_Init(USART1,&USART_InitStructure);
    
    
    //配置中断
    //开启RXNE标志位到NVIC的输出
    USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE);
    
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//优先级分组
    
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    //如果RXNE标志位为1，则向NVIC申请中断，就可以在中断中接收数据
    
    USART_Cmd(USART1,ENABLE);
    
}  

3.5USART发送与接收数据

//发送数据的函数，调用这个函数就可以从TX引脚发送一个字节的数据
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
    //Byte变量写入到TDR（发送数据寄存器）
    USART_SendData(USART1,Byte);
    //等待，TDR标志位是否为1（标志位是否空闲）
    while (USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) == RESET);
    
}
//接收数据
uint8_t Serial_GetRxData(void)
{
    return Serial_RxData;
}
//接收中断
void USART1_IRQHandler(void)
{
    if (USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_RXNE) == SET)
    {
        Serial_RxData = USART_ReceiveData(USART1);
        Serial_RxFlag = 1;
        USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE);	//清除RXNE，因为USART_DR的读操作可以将RXNE标志位清零，但是防止没有读操作，因此手动清除一次，保险一点。
    }
}
//main函数
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"
uint8_t RxData;
int main(void)
{
    OLED_Init();
    Serial_Init();
    //OLED_ShowNum(1,1,1,1);
    OLED_ShowString(1,1,"RxData:");
    
    
    while(1)
    {	
        if (Serial_GetRxFlag() == 1)		//中断中接收到了数据
        {
            RxData = Serial_GetRxData();	//将接收的数据转运到RxData
            Serial_SendByte(RxData);		//发送xData
            OLED_ShowHexNum(1,8,RxData,2);
        }
        
    }
}  

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