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零基础STM32单片机编程入门(二十一) USART串口详解及实战含源码

创作时间:

作者:

@小白创作中心

零基础STM32单片机编程入门(二十一) USART串口详解及实战含源码

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/zy2232652/article/details/140684427

USART（通用同步/异步收发器）是嵌入式领域中使用十分广泛的一种串口通信协议，本文将详细介绍STM32单片机USART串口的基本概念、内部结构、波形时序，以及用串口进行数据通讯的例程。

一.概要

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）是通用同步/异步收发器，它是嵌入式领域中使用十分广泛的一种串口通信协议，大部分MCU都具备USART硬件接口。

USART串口通信的主要特点：

双向串口通信有两根通信线（发送端TX和接收端RX）。
发送的TX和接收的RX要交叉连接。
当只需单向的数据传输时，可以只接一根通信线。
两个设备之间当电平标准不一致时，比如3.3V系统和5V系统通讯最好加电平转换芯片或者隔离芯片。
两个设备之间的GND一定要接在一起，VCC可以各自供电。

本文介绍了STM32 USART串口的基本概念，内部结构，波形时序，以及用串口进行数据通讯的例程。

二.USART串口基本介绍

基本数据帧组成

1）波特率

USART波特率是指每秒钟传输的位数，‌它决定了数据传输的速率和精确度。
波特率是USART通信中的一个关键参数，‌它表征了串口的传输速度，‌即单位时间内传输的码元个数。‌对于USART而言，‌码元通常是二进制的，‌通过高低电平传输，‌因此波特率和比特率在数值上是相等的。‌例如，‌当波特率为115200时，‌意味着UART串口每秒传输115200个bit的数据量。‌常见的UART串口波特率包括300、‌600、‌1200、‌4800、‌9600、‌19200、‌38400、‌57600、‌115200等，‌这些标准波特率广泛应用于各种设备和通信接口中。例如：数据传送速率为120字符/秒，而每一个字符为10位，则传送的波特率为10×120＝1200位/秒＝1200波特

2）停止位

每个字发送后，紧跟停止位，停止位可以选择“1、2、0.5、1.5”bit（0.5实际代表停止位高电平持续半个周期的时间）。
不过F1的USART做通信时，停止位只支持1或2个，一般情况下，停止位选择1。

3）校验位

UART传送的每个字节都可以选择是否增加1bit的奇偶校验位，而且奇校验或偶校验都可以选择。

4）字长度

传送一个字的位数，一般情况下都会选择8bit字节，这也和国际标准单位的字节宽度相对应。

5）起始位

起始位是必须的，由硬件产生，无需软件配置。STM32单片机的起始位就是在发送每个字的第一个有效位之前，先发送1周期的低电平，表示发送开始。
嵌入式应用中， 包括STM32F1的应用，最常见的配置是：8位字节，1个停止位，无校验，波特率9600/115200。

三.STM32单片机USART内部结构图

USART内部结构图如下

四.USART内部信号流向

串口发送：

在配置串口的各个参数时，可以选择发送数据帧的数据位的大小，可选8位。串口发送数据实际上就是对发送数据寄存器TDR进行写操作。

1.当串口发送数据时，会检测发送移位寄存器是不是有数据正在移位，如果没有移位，那么这个数据就会立刻转移到发送移位寄存器里，准备发送。

2.当数据移动到移位寄存器时，会产生一个TXE发送寄存器空标志位，该位描述如下。当TXE被置1，那么就可以在TDR写入下一个数据了，即发送下一个数据。

3.发送移位寄存器在发送器控制的控制下，向右移位，一位一位的把数据传输到TX引脚。

4.数据移位完成后，新的数据就会再次从TDR转移到发送移位寄存器里来，依次重复1-3的过程。通过读取TXE标志位来判断是否发送下一个数据。

串口接收：

1.数据从RX引脚通向接收移位寄存器，在接收控制的控制下，一位一位的读取RX的电平，把第一位放在最高位，然后右移，移位8次之后就可以接收一个字节了。

2.当一个字节数据移位完成之后，这一个字节的数据就会整体的移到接收数据寄存器RDR里来。在转移时会置RXNE接收标志位，即RDR寄存器非空，就说明数据可以被读出。

串口数据收发程序相关：

串口发送一般以下操作：

写入数据：‌使用STM32提供的函数（‌如USART_SendData）‌将数据写入串口的发送数据寄存器。‌通过检查发送完成标志（‌如USART_FLAG_TC）‌来确认数据是否已经成功发送。‌

串口接收一般以下操作：

1.轮询方式：‌通过不断查询接收标志位（‌如RXNE）‌来判断数据是否到达接收缓冲区，这个效率比较低。‌

2.中断方式：通过配置收到1字节数据单片机串口产生一次中断，在中断服务例程中处理接收到的数据。有时候会遇到接收的数据长度不固定，STM32单片机串口提供了一个更好用的功能，就是空闲中断功能。也就是说当一帧数据接收结束后，就会产生一个空闲中断。这样就可以利用这个空闲中断来判断一帧数据接收是否完成。

五.USART示波器信号解析

用串口调试器软件发送0x12数据，9600波特率，8位数据，无校验，1位停止位，用示波器采集波形如下图所示。

根据下图分析，数据是低位在前，高位在后，二进制就是00010010。转换成十六进制就是0x12,分析的波形数据内容跟电脑串口调试器发送的内容一致。

六.CubeMX配置一个USART数据收发例程

电脑上的串口调试器软件通过USB转TTL模块发数据给板子，板子把收到的数据发送给模块，数据在串口调试器软件上显示。

用4根杜邦线把模块与开发板相连

板子3.3----模块VCC

板子A9-----模块RXD

板子A10----模块TXD

板子G------模块GND

打开STM32CubeMX软件,新建工程

Part Number处输入STM32F103C8，再双击就创建新的工程

配置下载口引脚

配置外部晶振引脚

配置系统主频

配置串口1，9600波特率，8位数据，1位停止位，无校验

串口1中断使能

配置工程文件名，保存路径，KEIL5工程输出方式

生成工程

用Keil5打开工程

添加代码

uint8_t aTxBuffer[] = "HelloWorld";
#define COUNTOF(__BUFFER__)   (sizeof(__BUFFER__) / sizeof(*(__BUFFER__)))
#define TXBUFFERSIZE                      (COUNTOF(aTxBuffer) - 1)
/* Size of Reception buffer */
#define RXBUFFERSIZE                      100//接收缓冲区，定义100字节
uint8_t aRxBuffer[RXBUFFERSIZE];
__IO ITStatus UartReady = RESET;
    
    
uint8_t RX_len;//接收字节计数
void UsartReceive_IDLE(UART_HandleTypeDef *huart)//空闲中断回调函数
{
  __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart1); //清除中断
  RX_len = RXBUFFERSIZE - huart1.RxXferCount; //计算接收数据长度
  HAL_UART_AbortReceive_IT(huart); //终止接收
  HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t*)aRxBuffer, RXBUFFERSIZE); //接收完数据后再次打开中断接收函数
}
/* USER CODE END 0 */
/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
  /* USER CODE END 1 */
  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();
  /* USER CODE BEGIN Init */
  /* USER CODE END Init */
  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();
  /* USER CODE BEGIN SysInit */
  /* USER CODE END SysInit */
  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();//串口1配置，PA9-> USART1_TX，PA10-> USART1_RX ，9600波特率，8位数据，1位停止位，无校验
  /* USER CODE BEGIN 2 */
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)aTxBuffer, TXBUFFERSIZE,1000);//发送Helloworld 10字节
    if (HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)aRxBuffer, RXBUFFERSIZE) != HAL_OK)//接收中断打开,空闲中断打开
  {
   
  }
  /* USER CODE END 2 */
  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */
    /* USER CODE BEGIN 3 */
            if(RX_len)
        {
            HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)aRxBuffer, RX_len,1000);//如果接收到数据，把接收的内容发送出去
            RX_len=0;
        }
  }
  /* USER CODE END 3 */
}
void USART1_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 0 */
uint32_t isrflags   = READ_REG(huart1.Instance->SR);
  /* USER CODE END USART1_IRQn 0 */
  HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
    
    if((isrflags&UART_IT_IDLE) != RESET) //判断是否为IDLE中断
{
  UsartReceive_IDLE(&huart1); //调用IDLE中断处理函数
}
  /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 1 */
  /* USER CODE END USART1_IRQn 1 */
}
HAL_StatusTypeDef UART_Start_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size)
{
  huart->pRxBuffPtr = pData;
  huart->RxXferSize = Size;
  huart->RxXferCount = Size;
  huart->ErrorCode = HAL_UART_ERROR_NONE;
  huart->RxState = HAL_UART_STATE_BUSY_RX;
  /* Process Unlocked */
  __HAL_UNLOCK(huart);
  /* Enable the UART Parity Error Interrupt */
  __HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_PE);
  /* Enable the UART Error Interrupt: (Frame error, noise error, overrun error) */
  __HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_ERR);
  /* Enable the UART Data Register not empty Interrupt */
  __HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_RXNE);
  __HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_IDLE);//空闲中断打开
  return HAL_OK;
}

实验效果

串口调试器发HELLOWORLD板子会回HELLOWORLD。