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STM32学习笔记11-通信协议-串口基本发送与接收

news 2025/8/15 11:08:21

通信接口

串口USART

  • 通信的目的：将一个设备的数据传送到另一个设备，扩展硬件系统
  • 通信协议：制定通信的规则，通信双方按照协议规则进行数据收发

USART：TX：数据发送脚；RX：数据接受脚

I2C：SCL是时钟；SDA是数据

SPI：SCLK是时钟、MOSI是主机输出数据脚、MISO主机输入数据脚、CS片选，用于指定通信的对象

CAN：CAN_H、CAN_L——差分数据脚，用两个引脚表示差分数据

USB：DP(D+)、DM(D-)——一对差分数据脚

时钟：需要一个时钟信号来告诉接收方，什么进行采样——同步：I2C和CAN：有单独的时钟线，所以可以在时钟信号的指引进行采样；——异步：由于没有时钟线，所以需要双方约定一个时间，并且加一些帧头帧尾等进行采样位置的对齐。

电平：——单端：引脚的高低电平都是对GND的电压差，所以单端通信必须要共地；——差分：靠两个差分引脚的电压差来传输信号，抗干扰强。

串口的通信协议——STM32内部的USART外设

串口通信

  • 串口是一种应用十分广泛的通讯接口，串口成本低、容易使用、通信线路简单，可实现两个设备的互相通信（点对点）
  • 单片机的串口可以使单片机与单片机、单片机与电脑、单片机与各式各样的模块互相通信，极大地扩展了单片机的应用范围，增强了单片机系统的硬件实力

硬件电路

  • 简单双向串口通信有两根通信线（发送端TX和接收端RX）
  • TX与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
  • 当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片，直接从控制器出来的信号，一般是TLL电平（也就是5V或者3.3V表示1，0V表示0）

TX与RX是单端的，所以相对于GND的，因此严格来说，GND也算是通信线；

VCC用于供电

电平标准
  • 电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系，串口常用的电平标准有如下三种：
  • TTL电平：+3.3V或+5V表示1，0V表示0
  • RS232电平：-3~-15V表示1，+3~+15V表示0——一般的大机器上
  • RS485电平：两线压差+2~+6V表示1，-2~-6V表示0（差分信号）——通讯距离可上千米

软件部分

串口参数及时序

  • 波特率：串口通信的速率(码元/s：二进制中一个码元就是一个bit，此时波特率就等于比特率)——串口一般是异步，所以需要双方约定的速率——它决定了每隔多少秒发送一位
  • 起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平；
  • 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：无校验、奇校验(保证数据的二进制的1的个数是奇数，会在校验位上补一位，保证1的个数为奇数，接收方会验证数据位和校验位的1个数是否为奇数)和偶校验（同理）
  • 停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平

串口时序

把示波器的GND接在负极，另一个探头接在发送设备的TX引脚

第一个波形：发送一个字节数据0x55，在TX引脚输出的波形，波特率是9600，所以每一位的时间是1/9600，大概是104us

中间的高低电平变化是USART自动进行的

USART简介

  • USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）通用同步(不常用的，只是输出时钟，而不能输入时钟，更多是去兼容其他的协议)/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
  • 自带波特率发生器（本质上是分频器，通过分频，达到我们想要的波特率时钟），最高达4.5Mbits/s
  • 可配置数据位长度（8/9）、停止位长度（0.5/1/1.5/2）
  • 可选校验位（无校验/奇校验/偶校验）
  • 支持同步模式（多个CLK的时钟输出）、硬件流控制（防止接受方处理慢而导致数据丢失的问题）、DMA（数据转运）、智能卡、IrDA、LIN（局域网的通信协议）
  • STM32F103C8T6 USART资源： USART1（APB2总线上的设备）、 USART2、 USART3

USART框图

TDR是只写的，RDR是只读的

发送寄存器：把一个字节的数据一位一位地移出去，正好对应串口协议的波形的数据位；

当数据从TDR处移到发送寄存器中来时，有个标志位TXE（发送寄存器空）置1，当TXE置1时，就可以继续放新的数据等待原数据被处理，但此时原数据并没有被处理。原数据，会受到发送控制器，向右移位(可以串口协议定义的低位先行)，一位一位地把数据输出到TX引脚。

接收端：数据从RX引脚通向接收移位寄存器，通过接收控制器的驱动下，将一位一位地读取RX电平，先放在最高位，然后向右移；读取完后会通向RDR，在过程中有个标志位RXNE（接受数据寄存器非空），当RXNE为1时，就可以把数据读走了

在发送过程中，需要补帧头帧尾，在接受中，需要解帧头帧尾——这些操作都可以让硬件配置来完成；

控制部分和其他的增强功能：

硬件数据流控：

两个引脚前面加n的意思是低电平有效，nRTS：请求发送，是输出脚；nCTS：清除发送，是输入脚

当对方的设备支持流控，我们就需要把RTS连到对面的CTS上，再把对面的TX接到自己的RX上，当我们准备好了，则向RTS输出一个低电平到对方CTS中，对方就通过TX不断地输入数据；如果不行了，往RTS输出一个高电压，对方就会停止。

引脚定义：

USART基本结构

在软件层面只有一个DR寄存器可供我们读写，写入DR，数据走上面的路，进行发送

读取DR，数据走下面，进行接收

其他：

数据帧

1.

时钟在上升沿的时候，进行采样，这样得到数据是最平稳的

2.不同停止位的变化

USART电路输入数据的策略：

起始位侦测

策略：最开始，空闲状态高电平，采样一直是1，在某个位置突然采到0，说明出现下降沿，如果没有任何噪声，则是起始位，在起始位会进行连续16次采样，为了防止噪声，所以会在下降沿之后的第3次、5次、7次、8次、9次、10进行采样，且每次采样都要求每3位里面至少应有2个0，如果全0 ，则无噪声，如果2个0，1个1的情况，则检测到了一个起始位并向NC（噪声标志位）记录置1，如果不满足，就不算检测到起始位，此时电路就忽略前面的数据，重新开始捕获下降沿，之后就继续在8，9，10次中进行采样，因为正好是频率的正中间。

数据采样

波特率发生器

  • 发送器和接收器的波特率由波特率寄存器BRR里的DIV确定
  • 计算公式：波特率 = fPCLK2/1 / (16 * DIV)

多除个16，是因为在采样内部有一个16倍的采样时钟

USB转串口模块的原理图

 

接线图

9-1 串口发送

  1. 开启时钟，把需要用的USART和GPIO的时钟打开
  2. GPIO初始化，把TX配置成复用输出，RX配置成输入
  3. 配置USART，使用结构体参数
  4. 如果只需发送，直接开启USRAT，初始化结束；如果需要接受的功能，需要配置中断，则需要在开启USRAT之前，加上ITConfig和NVIC的代码
  5. 适当的调用发送函数和接收函数，若需要发送和接收的状态，调用获取标志位的函数即可

相关函数：

void USART_DeInit(USART_TypeDef* USARTx);

void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);

void USART_StructInit(USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);

//两个韩素华配置同步时钟输出的

void USART_ClockInit(USART_TypeDef* USARTx, USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct);

void USART_ClockStructInit(USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct);

void USART_Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);

void USART_ITConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT, FunctionalState NewState);

void USART_DMACmd(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_DMAReq, FunctionalState NewState);  //开启USART到DMA的触发通道

void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data); //发送数据，写DR寄存器

uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);  //接收数据，读DR寄存器

//标志位

FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);

void USART_ClearFlag(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);

ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);

void USART_ClearITPendingBit(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);

数据模式

  • HEX模式/十六进制模式/二进制模式：以原始数据的形式显示
  • 文本模式/字符模式：以原始数据编码后的形式显示

ASCII码表：

字符和数据在发送和接收的关系：

main.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"
//#include "OLED_Font.h"
//串口发送
int main(void){OLED_Init();Serial_Init();
//	Serial_Send(0x41);//uint8_t MyArray[] = {0x42, 0x43, 0x44, 0x45};	//定义数组//Serial_SendArray(MyArray, 4);//Serial_SendString("HelloWorld!\r\n");//  '/r':回到当前行的首行，继续输出原数据会被覆盖；'\n'：回到当前位置的下一行位置//Serial_SendNumber(12345,5);//printf移植，使用MicroLIB库//printf移植1：单数据输出//printf("Num=%d\r\n",666);//printf移植2：多数据输出//用sprintf：格式化字符输出到一个字符串里，并且可以设置打印位置，所以不涉及重定向
//	char string[100];
//	sprintf(string,"Num=%d\r\n",666);
//	Serial_SendString(string);//把字符串通过串口发送出去//printf移植3：封装printf：目的是输出一个可变的参数——<stdarg.h>//Serial_Printf("Num=%d\r\n",666);//显示汉字的方法——默认的编译器是UTF-8，前提：要去配置c/c++中添加预处理--no-multibyte-charsSerial_Printf("你好，世界！");////用GBK的方式while(1){}
}Serial.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
void Serial_Init(void){//开启时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);//初始化GPIO引脚GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;//这个只用TX，作为输入模式，此实验只需发送GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化USARTUSART_InitTypeDef USART_InitStructure;USART_InitStructure.USART_BaudRate=9600;//波特率USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None;//硬件流控制USART_InitStructure.USART_Mode=USART_Mode_Tx;//选择模式USART_InitStructure.USART_Parity=USART_Parity_No;//校验位 USART_InitStructure.USART_StopBits=USART_StopBits_1;//停止位USART_InitStructure.USART_WordLength=USART_WordLength_8b;//宽度USART_Init(USART1,&USART_InitStructure);//启动USARTUSART_Cmd(USART1,ENABLE);}//发送数据的函数
void Serial_SendByte(uint8_t Byte){USART_SendData(USART1, Byte);//此时发送的数据会存到ADC->DR中，之后再从DR转到发送寄存器中，并且需要等待发送完，不然会对原数据直接覆盖//获取USART的TXE标志位,直到为SER就载入新的数据,又由手册得知TXE当对DR写操作时，会被清零while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); // 等待DR寄存器空while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET);   // 等待发送完成}
//发送数组
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length)
{uint16_t i;for (i = 0; i < Length; i ++)		//遍历数组{Serial_SendByte(Array[i]);		//依次调用Serial_SendByte发送每个字节数据}
}
//发送字符串
void Serial_SendString(char *String)
{for(uint8_t i=0;String[i]!='\0';i++){Serial_SendByte(String[i]);Delay_ms(10);}
}
//发送数组，转换为字符串输出
uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{uint32_t Result = 1;	//设置结果初值为1while (Y --)			//执行Y次{Result *= X;		//将X累乘到结果}return Result;
}/*** 函    数：串口发送数字* 参    数：Number 要发送的数字，范围：0~4294967295* 参    数：Length 要发送数字的长度，范围：0~10* 返 回 值：无*/
void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
{for (uint8_t i = 0; i < Length; i ++)		//根据数字长度遍历数字的每一位{Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - 1 - i) % 10 + '0');	//依次调用Serial_SendByte发送每位数字}
}
//原本printf是输出到屏幕的，我们这个是串口，所以需要使用函数进行重定向
//使用fputc函数——因为C语言里，依赖于fputc写的printf函数将输出到屏幕或终端，此时进行配置就可以修改fputc，从而修改printf的输出位置
int fputc(int ch,FILE *f){Serial_SendByte(ch);return ch;}//printf封装——sprintf进行封装,char *format：接收格式化的字符串；...：用来接收后面的可变参数列表
void Serial_Printf(char *format,...){char string[100];va_list arg;//定义一个参数列表变量va_start(arg,format);//从format位置开始接收参数表，放在arg里面vsprintf(string,format,arg);//sprintf只能输出固定的参数，vsprintf用于封装格式va_end(arg);//释放列表Serial_SendString(string);
}

9-2 串口发送+接收

接线图同上

main.c
#include "stm32f10x.h"
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"uint8_t RxData;int main(void) {OLED_Init();    // 初始化OLEDSerial_Init();  // 初始化串口while (1) {//查询操作
//        if (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == SET) {
//            RxData = USART_ReceiveData(USART1);
//            OLED_ShowHexNum(1, 1, RxData, 2);  // 显示16进制
//        }if (Serial_GetSerial_Flag() == 1) {RxData = Serial_GetSerial_Rxdata();//回传给电脑Serial_SendByte(RxData);OLED_ShowHexNum(1, 1, RxData, 2);  // 显示16进制}}
}Serial.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
uint8_t Serial_Rxdata,Serial_Flag;
void Serial_Init(void){//开启时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);//初始化GPIO引脚GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;//这个只用TX，作为输入模式，此实验只需发送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;//初始化RX对应的引脚PA10GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化USARTUSART_InitTypeDef USART_InitStructure;USART_InitStructure.USART_BaudRate=9600;//波特率USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None;//硬件流控制USART_InitStructure.USART_Mode=USART_Mode_Tx|USART_Mode_Rx;//同时开启USART_InitStructure.USART_Parity=USART_Parity_No;//校验位 USART_InitStructure.USART_StopBits=USART_StopBits_1;//停止位USART_InitStructure.USART_WordLength=USART_WordLength_8b;//宽度USART_Init(USART1,&USART_InitStructure);//中断USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//配置NVIC//分组NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//初始化NVICNVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=USART1_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=1;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);//启动以后，会调用对应的启动函数（固定的）——USART1_IRQHandler//启动USARTUSART_Cmd(USART1,ENABLE);//对于串口接收：1.可以使用查询——初始化结束；2.可以使用中断——开启中断，配置NVIC//查询：在主函数中不断判断RXNE标志位，若置1，就说明收到数据了，再调用ReceiveData，读取DR寄存器，即可}//实现读后清出标志位
uint8_t Serial_GetSerial_Flag(void){if(Serial_Flag==1){Serial_Flag=0;return 1;}return 0;
}uint8_t Serial_GetSerial_Rxdata(void){return Serial_Rxdata;
}
//中断函数
void USART1_IRQHandler(void){if(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET){//读取模块的变量Serial_Rxdata=USART_ReceiveData(USART1);Serial_Flag=1;//定期清理标志位USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);}
}//发送数据的函数
void Serial_SendByte(uint8_t Byte){USART_SendData(USART1, Byte);//此时发送的数据会存到ADC->DR中，之后再从DR转到发送寄存器中，并且需要等待发送完，不然会对原数据直接覆盖//获取USART的TXE标志位,直到为SER就载入新的数据,又由手册得知TXE当对DR写操作时，会被清零while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); // 等待DR寄存器空while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET);   // 等待发送完成}
//发送数组
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length)
{uint16_t i;for (i = 0; i < Length; i ++)		//遍历数组{Serial_SendByte(Array[i]);		//依次调用Serial_SendByte发送每个字节数据}
}
//发送字符串
void Serial_SendString(char *String)
{for(uint8_t i=0;String[i]!='\0';i++){Serial_SendByte(String[i]);Delay_ms(10);}
}
//发送数组，转换为字符串输出
uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{uint32_t Result = 1;	//设置结果初值为1while (Y --)			//执行Y次{Result *= X;		//将X累乘到结果}return Result;
}/*** 函    数：串口发送数字* 参    数：Number 要发送的数字，范围：0~4294967295* 参    数：Length 要发送数字的长度，范围：0~10* 返 回 值：无*/
void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
{for (uint8_t i = 0; i < Length; i ++)		//根据数字长度遍历数字的每一位{Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - 1 - i) % 10 + '0');	//依次调用Serial_SendByte发送每位数字}
}
//原本printf是输出到屏幕的，我们这个是串口，所以需要使用函数进行重定向
//使用fputc函数——因为C语言里，依赖于fputc写的printf函数将输出到屏幕或终端，此时进行配置就可以修改fputc，从而修改printf的输出位置
int fputc(int ch,FILE *f){Serial_SendByte(ch);return ch;}//printf封装——sprintf进行封装,char *format：接收格式化的字符串；...：用来接收后面的可变参数列表
void Serial_Printf(char *format,...){char string[100];va_list arg;//定义一个参数列表变量va_start(arg,format);//从format位置开始接收参数表，放在arg里面vsprintf(string,format,arg);//sprintf只能输出固定的参数，vsprintf用于封装格式va_end(arg);//释放列表Serial_SendString(string);
}

http://www.lryc.cn/news/621066.html

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