USART串口

1、通信接口

  • 通讯的目的：将一个设备的数据传送到另一个设备，扩展硬件系统

  • 通讯协议：制定通讯的规则，通讯双方按照协议规则进行数据收发abe1320d-7300-413e-ad16-7fec5fbec813

2、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

  • 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相互通信，极大的扩展了单片机的应用范围，增强了单片机系统的硬件实力

3、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
    e9e919ed-d17c-4009-96ce-8b5880718da5

4、 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（大型电器使用）

    • RS485电平：两线压差 +2 ~ +6V表示1，-2 ~ -6表示0（差分信号，抗干扰能力强

5、 串口参数及时序

  • 波特率：串口通信的速率

  • 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，偶校验）

  • 停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平
    6f21aaa8-a8ca-454d-9652-d70453c37c5e

空闲为高电平

6、串口时序波形图：

27a8dae6-d80d-42e4-8cf1-8b1159e6f6a6

7、USART简介

  • USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）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

  • 再带波特率发生器，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、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN

  • STM32F103C8T6 USART资源： USART1、 USART2、 USART3

（1）、USART框图

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（2）、USART基本结构

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（3）、数据帧

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（4）、起始位侦测

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（5）、数据采样

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（6）、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)
    9ebba3aa-04cf-468e-b80f-50d146fd5046

（7）、接线图

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（8）、数据模式

  • HEX模式/十六进制模式/二进制模式：以与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
    967f2a59-7eb6-48c3-b26e-398c449d21e8

（9）、串口发送代码

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>

/**
  * 函    数：串口初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void Serial_Init(void)
{
    /*开启时钟*/
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);    //开启USART1的时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);    //开启GPIOA的时钟

    /*GPIO初始化*/
    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);                    //将PA9引脚初始化为复用推挽输出

    /*USART初始化*/
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;                    //定义结构体变量
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;                //波特率
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;    //硬件流控制，不需要
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;            //模式，选择为发送模式
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;        //奇偶校验，不需要
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;    //停止位，选择1位
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;        //字长，选择8位
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);                //将结构体变量交给USART_Init，配置USART1

    /*USART使能*/
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);                                //使能USART1，串口开始运行
}

/**
  * 函    数：串口发送一个字节
  * 参    数：Byte 要发送的一个字节
  * 返 回 值：无
  */
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
    USART_SendData(USART1, Byte);        //将字节数据写入数据寄存器，写入后USART自动生成时序波形
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);    //等待发送完成
    /*下次写入数据寄存器会自动清除发送完成标志位，故此循环后，无需清除标志位*/
}

/**
  * 函    数：串口发送一个数组
  * 参    数：Array 要发送数组的首地址
  * 参    数：Length 要发送数组的长度
  * 返 回 值：无
  */
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
    }
}

/**
  * 函    数：串口发送一个字符串
  * 参    数：String 要发送字符串的首地址
  * 返 回 值：无
  */
void Serial_SendString(char *String)
{
    uint8_t i;
    for (i = 0; String[i] != '\0'; i ++)//遍历字符数组（字符串），遇到字符串结束标志位后停止
    {
        Serial_SendByte(String[i]);        //依次调用Serial_SendByte发送每个字节数据
    }
}

/**
  * 函    数：次方函数（内部使用）
  * 返 回 值：返回值等于X的Y次方
  */
uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{
    uint32_t Result = 1;    //设置结果初值为1
    while (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)
{
    uint8_t i;
    for (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 - i - 1) % 10 + '0');    //依次调用Serial_SendByte发送每位数字
    }
}

/**
  * 函    数：使用printf需要重定向的底层函数
  * 参    数：保持原始格式即可，无需变动
  * 返 回 值：保持原始格式即可，无需变动
  */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    Serial_SendByte(ch);            //将printf的底层重定向到自己的发送字节函数
    return ch;
}

/**
  * 函    数：自己封装的prinf函数
  * 参    数：format 格式化字符串
  * 参    数：... 可变的参数列表
  * 返 回 值：无
  */
void Serial_Printf(char *format, ...)
{
    char String[100];                //定义字符数组
    va_list arg;                    //定义可变参数列表数据类型的变量arg
    va_start(arg, format);            //从format开始，接收参数列表到arg变量
    vsprintf(String, format, arg);    //使用vsprintf打印格式化字符串和参数列表到字符数组中
    va_end(arg);                    //结束变量arg
    Serial_SendString(String);        //串口发送字符数组（字符串）
}

（10）、串口发送 + 接收

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>

uint8_t Serial_RxData;        //定义串口接收的数据变量
uint8_t Serial_RxFlag;        //定义串口接收的标志位变量

/**
  * 函    数：串口初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void Serial_Init(void)
{
    /*开启时钟*/
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);    //开启USART1的时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);    //开启GPIOA的时钟

    /*GPIO初始化*/
    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);                    //将PA9引脚初始化为复用推挽输出

    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);                    //将PA10引脚初始化为上拉输入

    /*USART初始化*/
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;                    //定义结构体变量
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;                //波特率
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;    //硬件流控制，不需要
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;    //模式，发送模式和接收模式均选择
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;        //奇偶校验，不需要
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;    //停止位，选择1位
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;        //字长，选择8位
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);                //将结构体变量交给USART_Init，配置USART1

    /*中断输出配置*/
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);            //开启串口接收数据的中断

    /*NVIC中断分组*/
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);            //配置NVIC为分组2

    /*NVIC配置*/
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;                    //定义结构体变量
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;        //选择配置NVIC的USART1线
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;            //指定NVIC线路使能
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;        //指定NVIC线路的抢占优先级为1
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;        //指定NVIC线路的响应优先级为1
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);                            //将结构体变量交给NVIC_Init，配置NVIC外设

    /*USART使能*/
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);                                //使能USART1，串口开始运行
}

/**
  * 函    数：串口发送一个字节
  * 参    数：Byte 要发送的一个字节
  * 返 回 值：无
  */
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
    USART_SendData(USART1, Byte);        //将字节数据写入数据寄存器，写入后USART自动生成时序波形
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);    //等待发送完成
    /*下次写入数据寄存器会自动清除发送完成标志位，故此循环后，无需清除标志位*/
}

/**
  * 函    数：串口发送一个数组
  * 参    数：Array 要发送数组的首地址
  * 参    数：Length 要发送数组的长度
  * 返 回 值：无
  */
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
    }
}

/**
  * 函    数：串口发送一个字符串
  * 参    数：String 要发送字符串的首地址
  * 返 回 值：无
  */
void Serial_SendString(char *String)
{
    uint8_t i;
    for (i = 0; String[i] != '\0'; i ++)//遍历字符数组（字符串），遇到字符串结束标志位后停止
    {
        Serial_SendByte(String[i]);        //依次调用Serial_SendByte发送每个字节数据
    }
}

/**
  * 函    数：次方函数（内部使用）
  * 返 回 值：返回值等于X的Y次方
  */
uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{
    uint32_t Result = 1;    //设置结果初值为1
    while (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)
{
    uint8_t i;
    for (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 - i - 1) % 10 + '0');    //依次调用Serial_SendByte发送每位数字
    }
}

/**
  * 函    数：使用printf需要重定向的底层函数
  * 参    数：保持原始格式即可，无需变动
  * 返 回 值：保持原始格式即可，无需变动
  */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    Serial_SendByte(ch);            //将printf的底层重定向到自己的发送字节函数
    return ch;
}

/**
  * 函    数：自己封装的prinf函数
  * 参    数：format 格式化字符串
  * 参    数：... 可变的参数列表
  * 返 回 值：无
  */
void Serial_Printf(char *format, ...)
{
    char String[100];                //定义字符数组
    va_list arg;                    //定义可变参数列表数据类型的变量arg
    va_start(arg, format);            //从format开始，接收参数列表到arg变量
    vsprintf(String, format, arg);    //使用vsprintf打印格式化字符串和参数列表到字符数组中
    va_end(arg);                    //结束变量arg
    Serial_SendString(String);        //串口发送字符数组（字符串）
}

/**
  * 函    数：获取串口接收标志位
  * 参    数：无
  * 返 回 值：串口接收标志位，范围：0~1，接收到数据后，标志位置1，读取后标志位自动清零
  */
uint8_t Serial_GetRxFlag(void)
{
    if (Serial_RxFlag == 1)            //如果标志位为1
    {
        Serial_RxFlag = 0;
        return 1;                    //则返回1，并自动清零标志位
    }
    return 0;                        //如果标志位为0，则返回0
}

/**
  * 函    数：获取串口接收的数据
  * 参    数：无
  * 返 回 值：接收的数据，范围：0~255
  */
uint8_t Serial_GetRxData(void)
{
    return Serial_RxData;            //返回接收的数据变量
}

/**
  * 函    数：USART1中断函数
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：此函数为中断函数，无需调用，中断触发后自动执行
  *           函数名为预留的指定名称，可以从启动文件复制
  *           请确保函数名正确，不能有任何差异，否则中断函数将不能进入
  */
void USART1_IRQHandler(void)
{
    if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)        //判断是否是USART1的接收事件触发的中断
    {
        Serial_RxData = USART_ReceiveData(USART1);                //读取数据寄存器，存放在接收的数据变量
        Serial_RxFlag = 1;                                        //置接收标志位变量为1
        USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);            //清除USART1的RXNE标志位
                                                                //读取数据寄存器会自动清除此标志位
                                                                //如果已经读取了数据寄存器，也可以不执行此代码
    }
}

（11）、数据包格式

  • HEX数据包 90c2fc75-8b2b-4b17-9ccf-3934a925c723

    优点：传输最直接，解析数据简单，适合模块发送原始的数据

    缺点：灵活性不足，载荷容易和包头包尾重复

  • 文本数据包!43a1e5b4-26d8-4558-9beb-93e151f36e81

优点：数据直观易理解，非常灵活，适合输入指令进行人机交互的场合

缺点：解析效率低

（12）、数据包的收发流程

  • HEX数据包接收
    238b5681-184c-4b6f-a977-9709359c893e

  • 文本数据包接收a63a29b8-d47a-46d3-9c3a-3bee73f10487

posted @ 2025-12-17 20:04  people121  阅读(3)  评论(0)    收藏  举报