STM32F407-串口学习1（UART协议简介）
一、前言
1、简介
写的这篇博客，是为了学习UART通信协议，以及UART能够实现的一些功能，还有有关使用STM32CubeMX来配置芯片的一些操作，在后面我会以我使用的STM32F407开发板来举例讲解（其他STM32系列芯片大多数都可以按照这些步骤来操作的），如有不足请多多指教。
2、UART简介
嵌入式开发中，UART串口通信协议是我们常用的通信协议（UART、I2C、SPI等）之一，全称叫做通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）。只要是stm32的开发板都可以用到的，在STM32CubeMx里选对型号、配置好就行了。工作原理是将传输的数据一位接一位的传输，它能将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换，能够灵活地与外部设备进行全双工数据交换。
传输检测标志：
— 接收缓冲区已满
— 发送缓冲区为空
— 传输结束标志
二、UART通信协议
一般的单片机UART和USART使用方式是一样的，都使用异步模式（依靠启动位和停止位来同步数据）。
1）起始位
当未有数据发送时，数据线处于逻辑“1”状态；先发出一个逻辑“0”信号，表示开始传输字符。
2）数据位
紧接着起始位之后。资料位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。
3）奇偶校验位
资料为加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数（偶校验）或奇数（奇校验），以此来校验资料传送的正确性。
4）停止位
它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。 由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。
5）空闲位或起始位
处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资料传送，进入空闲状态。
处于逻辑“0”状态，表示开始传送下一数据段。
6）波特率
表示每秒钟传送的码元符号的个数，是衡量数据传送速率的指标，它用单位时间内载波调制状态改变的次数来表示。
常用的波特率有：9600、115200……
时间间隔计算：1秒除以波特率得出的时间，例如，波特率为9600的时间间隔为1s / 9600（波特率） = 104us。
三、UART工作原理
1）数据收发原理：
发送时，数据首先被写入发送数据寄存器FIFO中，如果UART被使能，则会按照预先设置好的参数（启动位、数据位、校验位、停止位）发送数据到发送移位寄存器中，直到发送数据寄存器FIFO的数据发送完成。一 旦向发送数据寄存器中写数据，UART的BUSY位开始有效，BUSY 位仅在发送数据寄存器FIFO 为空，且已从发送移位寄存器发送最后一个字符，包括停止位时才变无效。
在UART 接收器空闲时，如果数据输入变成“低电平”，即接收到了起始位，则接收计数器开始运行，并且数据在Baud16 的第8 个周期被采样。如果Rx 在Baud16 的第8 周期仍然为低电平，则起始位有效，否则会被认 为是错误的起始位并将其忽略。
USART框图如下：
2）中断控制
出现以下情况时，可使UART 产生中断：
-
FIFO 溢出错误
-
线中止错误（line-break，即Rx 信号一直为0 的状态，包括校验位和停止位在内）
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奇偶校验错误
-
帧错误（停止位不为1）
-
接收超时（接收FIFO 已有数据但未满，而后续数据长时间不来）
-
发送
-
接收
由于所有中断事件在发送到中断控制器之前会一起进行“或运算”操作，所以任意时刻 UART 只能向中断产生一个中断请求。通过查询中断状态函数，软件可以在同一个中断服务函数里处理多个中断事件（多个并列的if 语句）。
3）FIFO 操作
FIFO 是“First-In First-Out”的缩写，意为“先进先出”，是一种常见的队列操作。 Stellaris 系列ARM 的UART 模块包含有2 个16 字节的FIFO：一个用于发送，另一个用于接收。可以将两个FIFO 分别配置为以不同深度触发中断。可供选择的配置包括：1/8、 1/4、1/2、3/4 和7/8 深度。例如，如果接收FIFO 选择1/4，则在UART 接收到4 个数据时产生接收中断。
4）回环操作
UART 可以进入一个内部回环（Loopback）模式，用于诊断或调试。在回环模式下，从Tx 上发送的数据将被Rx 输入端接收。
四、CubeMx配置
说明：
在使用STM32CubeMx配置的时候，首先要选择正在使用的芯片的型号，再配置芯片的时钟，然后才去配置所需要用到的功能。
1、新建项目
1）选择新建
2）选择芯片型号
2、时钟配置
1）配置界面
2）时钟模式配置
3）设置调试接口
4）时钟配置（尽量将下面方框内的值设成最高值即可）
3、功能配置
1）启用串口
2）配置串口（默认即可，波特率为115200）
4、生成工程
1）项目信息设置
2）选择生成必要的代码
3）生成代码
4）打开项目（生成代码成功后会弹出窗口，可以直接打开工程）
注：
因为STM32CubeMX自动生成的代码中，没有设置把每次下载烧写都重置一下，所以生成代码后，我们需要自己选上该功能，步骤如下：
1）功能界面
2）选择小锤子
3）选择Debug->Settings
4）选择Flash Download->勾选Reset and Run
完成上面的操作后，在每次烧写都会重置，并运行新下载烧写的程序了。
五、HAL库关键函数说明
1、初始化/还原初始化函数
1 /* Initialization/de-initialization functions **********************************/ 2 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart); //根据UART_InitTypeDef中指定的参数初始化UART模式，并创建关联的句柄。 3 HAL_StatusTypeDef HAL_HalfDuplex_Init(UART_HandleTypeDef *huart); //根据UART_InitTypeDef中指定的参数初始化半双工模式并创建关联句柄。 4 HAL_StatusTypeDef HAL_LIN_Init(UART_HandleTypeDef *huart, uint32_t BreakDetectLength); //根据UART_InitTypeDef中指定的参数初始化LIN模式，并创建关联的句柄。 5 HAL_StatusTypeDef HAL_MultiProcessor_Init(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t Address, uint32_t WakeUpMethod); //根据UART_InitTypeDef中指定的参数初始化多处理器模式，并创建关联的句柄。 6 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DeInit(UART_HandleTypeDef *huart); //非初始化UART外围设备。 7 void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart); //弱函数UART MSP初始化 8 void HAL_UART_MspDeInit(UART_HandleTypeDef *huart); //弱函数UART MSP初始化还原
2、IO口操作函数
1 /* IO operation functions *******************************************************/ 2 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);//以阻塞模式发送大量数据。 3 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout); //在阻塞模式下接收大量数据。 4 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size); //以非阻塞模式发送大量数据。 5 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size); //在非阻塞模式下接收大量数据。 6 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size); //以非阻塞模式发送大量数据。 7 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size); //在非阻塞模式下接收大量数据。 8 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAPause(UART_HandleTypeDef *huart); //暂停DMA传输。 9 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAResume(UART_HandleTypeDef *huart); //恢复DMA传输。 10 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAStop(UART_HandleTypeDef *huart); //停止DMA传输。
3、传输中断函数
1 /* Transfer Abort functions */ 2 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Abort(UART_HandleTypeDef *huart); //中止正在进行的传输(阻塞模式)。 3 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_AbortTransmit(UART_HandleTypeDef *huart); //中止正在进行的传输传输(阻塞模式)。 4 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_AbortReceive(UART_HandleTypeDef *huart); //中止正在进行的接收传输(阻塞模式)。 5 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Abort_IT(UART_HandleTypeDef *huart); //中止正在进行的传输(中断模式)。 6 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_AbortTransmit_IT(UART_HandleTypeDef *huart); //中止正在进行的传输(中断模式)。 7 HAL_StatusTypeDef HAL_UART_AbortReceive_IT(UART_HandleTypeDef *huart); //中止正在进行的接收传输(中断模式)。
4、中断处理及回调函数
1 void HAL_UART_IRQHandler(UART_HandleTypeDef *huart); //函数处理UART中断请求。 2 void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart); //Tx传输完成回调函数。 3 void HAL_UART_TxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart); //Tx半传输完成回调函数。 4 void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart); //Rx传输完成回调函数。 5 void HAL_UART_RxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart); //Rx完成一半传输回调函数。 6 void HAL_UART_ErrorCallback(UART_HandleTypeDef *huart); //UART错误回调函数。 7 void HAL_UART_AbortCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart); //UART中止完成回调函数。 8 void HAL_UART_AbortTransmitCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart); //UART中止完成回调函数。 9 void HAL_UART_AbortReceiveCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart); //UART中止接收完整的回调函数。
六、结尾
1、总结
这篇博客主要是讲解一下UART串口通信协议的时序、功能以及工作原理，还有使用STM32CubeMX来配置USART。简单介绍HAL库函数的函数调用，有了STM32CubeMX生成的这个HAL库函数，我们基本不用管协议上的事情了，可以直接调用里面的发送或接收函数来实现UART通信。而我也会在后续继续编写有关HAL库的调用说明，详细说一下HAL库是如何使用的。
