USART串口通信
USART串口通信
通信概述
通信目的：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/I2C/SPI：需要接GND引脚才能正常通信
UART：单片机和电脑/单片机和模块点对点通信
I2C：一个单片机主控、外挂多个被动传感器/存储器 -> 一主多从
SPI：高速通信 -> 一主多从
CAN：多个主控互相通信
※双工
全双工：可以同时互相通信
半双工：只能同时走一个方向 一个方向走完了才能走另一个方向
单工：只能走一边
※时钟：我如何知道信号是 10 还是 1100
异步：需要确定起始点，帧数等
同步
※电平：两个设备的电压是否相同
单端：不相同
差分：相同 抗干扰能力强
※设备：
点对点：一个设备对一个设备
多设备：有总线的区别 需要有寻址的过程来确定通信对象
串口通信：实现两个设备的互相通信（转协议）
USB转串口 CH340
CH340G 实现两个芯片的通信
串口转蓝牙
硬件电路
发送端TX和接收端RX
（1）简单双向串口通信有两根通信线
（2）TX与RX要交叉连接
（3）只需单向的数据传输时，可以只接一根通信线
（4）电平标准不一致时：需要加电平转换芯片
电平标准：数据1和数据0的表达方式
TTL电平：【常用】+3.3V或+5V表示1，0V表示0
RS232电平：-3 ~ -15V表示1，+3 ~ +15V表示0
一般大型机器使用
RS485电平【差分信号】：两线压差+2 ~ +6V表示1，-2 ~ -6V表示0
串口参数及时序
波特率/比特率：串口通信速率
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【科普】
波特率：单位时间内传送二进制数据的位数 单位bps(位/秒)
比特率：单位时间内传送二进制有效数据的位数 单位bps(位/秒)
比特率 = 波特率 x 单个调制状态对应的二进制位数
eg
1个起始位，8个数据位、1个校验位、2个终止位，每秒传送120个字符。
->有效数据为8位，一帧包含1+8+1+2=12位
故波特率为：120*(1+8+1+2)=1440 bps=1440波特
又因为有效数据位为8位，而传送一个字符需1+8+1+2=12位
故比特率为：1440 * (8/12)=960 bps
(比特率还可以直接求：8 * 120=960 bps)
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空闲状态：引脚必须设高电平
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：0x55->01010101->低位先行->故波形：10101010
校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来
无校验：一般使用 奇校验和偶校验 在1个信号有2个及以上问题时精度较低
奇校验：看1的个数 如果不为奇数->认为是信号传输有问题
数据位00001111 校验位1 -> 5个1
数据位00001110 校验位0 -> 3个1
偶校验：看1的个数是否为偶数
※更高的检出率：CRC校验
停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平
举一些栗子
改变波特率 可以看到时间不一样
偶校验
连着两个0x55数据
中间有停止
USART简介
USART通用同步收发器（很少使用）/UART通用异步收发器
【常用参数】
波特率 9600/115200
数据位长度 常用8
停止位长度 常用1
校验位 常用 无校验
【STM32F103C8T6 USART资源】
APB2：USART1
APB1：USART2、USART3
USART基本结构
USART框图
（1）接受移位寄存器（RDR）没准备好接收：高电平 准备好：低电平
TX接收反馈信号 准备好了再发数据
（2）判断发送状态和接收状态的必要标志位
TXE：发送寄存器非空
RXNE：接受寄存器非空
（3）波特率发生器：分频器
利用APB时钟进行分频，得到发送和接收移位的时钟
数据帧
最好选择9位字长 有校验
或者8位字长 无校验
【检测噪声】：NE标志位
起始位侦测
数据采样：1个数据位16个采样时钟
波特率发生器
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)
CH340原理图
GND与单片机互接
寄存器经典分类【基本每个外设都有】
SR 状态寄存器 ： 存放各种标志位
DR 数据寄存器 ： 存放关键数据
CR 配置寄存器 ： 存放配置参数
USART串口发送
常用库函数
void USART_DeInit(USART_TypeDef* USARTx);
void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);
void USART_StructInit(USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);
void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);//发送数据
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);//接受数据
【初始化】
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;
//将PA9引脚初始化为复用推挽输出【有外设】
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
/*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_Mode_Tx 发送模式
USART_Mode_Rx 接收模式
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//奇偶校验，不需要
USART_Parity_No 无校验
USART_Parity_Odd 奇校验
USART_Parity_Even 偶校验
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//停止位，选择1位
USART_StopBits_1
USART_StopBits_0_5
USART_StopBits_2
USART_StopBits_1_5
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长，选择8位
USART_WordLength_8b
USART_WordLength_9b
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
}
【接收模式】
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_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx; //模式，发送模式和接收模式均选择
串口中断
/*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;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
//选择配置NVIC的USART1线
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
【串口发送字节】:发送之后要等待标志位！
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*/
}
各种发送
//【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]);
}
// 【发送字符串】
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]);
}
}
// 【发送数据】
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
}
}
重定向printf
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;
}
封装Serial_printf
void Serial_Printf(char *format, ...)//可变参数
{
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）
}
USART串口接收
配置串口中断！
【USART有专门的中断】
/*中断输出配置*/
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启串口接收数据的中断
当USART_IT_RXNE为1时向NVIC申请中断
其余和NVIC相同
/*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
当Rx接收到数据后进入中断
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
}
}
【检测标志位】 是否为1，如为1清零标志位
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
}
【获取接收数据】
uint8_t Serial_GetRxData(void)
{
return Serial_RxData; //返回接收的数据变量
}
main函数
while (1)
{
if (Serial_GetRxFlag() == 1)//检查串口接收数据的标志位
{
//先进USART中断！！！
RxData = Serial_GetRxData();//获取串口接收的数据
Serial_SendByte(RxData);//串口将收到的数据回传回去，用于测试
OLED_ShowHexNum(1, 8, RxData, 2);//显示串口接收的数据
}
}
如果要显示汉字呢？
※MicroLIB是Keil为嵌入式平台优化的精简库
UTF-8不乱码
小锤子C/C++内写上
-no-multibyte-chars
Serial_Printf("你好，世界")；
切换GB2312编码
右上角打开配置（小扳手）
然后把汉字删掉，把文件关掉再打开->字体变为宋体
串口助手选GBK编码
USART串口数据包
数据模式
ASCII码表
HEX数据包
包头 0xFF
包尾 0xFE
固定包长
可变包长
【优点】
传输直接，解析数据简单
适合模块发送原始数据
eg 使用串口通信的陀螺仪 湿温度传感器
【缺点】
灵活性不足
载荷容易和包头包尾重复
文本数据包
包头 '@'
包尾 '\r''\n'
固定包长
可变包长
【优点】
数据直观易理解，灵活
适合输入指令进行人机交互的场景
eg 蓝牙模块常用AT指令
接收数据包
S：状态机
记住不同状态
在不同状态执行不同操作，进行状态合理转移
接收HEX数据包：固定包长4
接收文本数据包：可变包长
uint8_t Serial_TxPacket[4]; //定义发送数据包数组，数据包格式：FF 01 02 03 04 FE
uint8_t Serial_RxPacket[4]; //定义接收数据包数组
uint8_t Serial_RxFlag; //定义接收数据包标志位
.h里写声明全局变量
extern uint8_t Serial_TxPacket[];
extern uint8_t Serial_RxPacket[];
发送HEX数据包
void Serial_SendPacket(void)
{
Serial_SendByte(0xFF);
Serial_SendArray(Serial_TxPacket, 4);
Serial_SendByte(0xFE);
}
串口中断发送数据包
当RXNE为非空时触发
注意静态变量【内存管理】
void USART1_IRQHandler(void)
{
//只能被初始化一次0 具有全局变量的性质但只能在本函数使用：内存管理
static uint8_t RxState = 0;//定义表示当前状态机状态的静态变量
static uint8_t pRxPacket = 0;//定义表示当前接收数据位置的静态变量
if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)
//判断是否是USART1的接收事件触发的中断
{
uint8_t RxData = USART_ReceiveData(USART1);
//读取数据寄存器，存放在接收的数据变量
/*使用状态机的思路，依次处理数据包的不同部分*/
/*当前状态为0，接收数据包包头*/
if(RxState == 0)
{
if (RxData == 0xFF)//如果数据确实是包头
{
RxState = 1;//置下一个状态
pRxPacket = 0;//数据包的位置归零
}
}
/*当前状态为1，接收数据包数据*/
else if (RxState == 1)
{
Serial_RxPacket[pRxPacket++] = RxData;
//将数据存入数据包数组的指定位置
if (pRxPacket >= 4)//如果收够4个数据
{
RxState = 2;//置下一个状态
}
}
/*当前状态为2，接收数据包包尾*/
else if (RxState == 2)
{
if (RxData == 0xFE)//如果数据确实是包尾部
{
RxState = 0;//状态归0
Serial_RxFlag = 1;//接收数据包标志位置1，成功接收一个数据包
}
}
USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);//清除标志位
}
}
※一个小问题
Serial_RxPacket数组兼具写入和写出：
数据包之间可能会混在一起
-> 解决方法：在接收部分加入判断
发送文本数据包
※防止处理太快导致的数据包混在一起
分开
【写数据】 处理数据结束后（OLED屏显示后）：再将Flag置0
【读数据】 在处理包头时：等待标志位置0再执行
【中断函数】
void USART1_IRQHandler(void)
{
static uint8_t RxState = 0;
static uint8_t pRxPacket = 0;
if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)
{
uint8_t RxData = USART_ReceiveData(USART1);
/*当前状态为0，接收数据包包头*/
if (RxState == 0)
{
if (RxData == '@' && Serial_RxFlag == 0)
//如果数据确实是包头，并且上一个数据包已处理完毕：可变包长，故对上一个状态进行判断
{
RxState = 1;//置下一个状态
pRxPacket = 0;//数据包的位置归零
}
}
/*当前状态为1，接收数据包数据，同时判断是否接收到了第一个包尾*/
else if (RxState == 1)
{
if (RxData == '\r') //如果收到第一个包尾
{
RxState = 2;//置下一个状态
}
else //接收到了正常的数据
{
Serial_RxPacket[pRxPacket++] = RxData;
//将数据存入数据包数组的指定位置
}
}
/*当前状态为2，接收数据包第二个包尾*/
else if (RxState == 2)
{
if (RxData == '\n') //如果收到第二个包尾
{
RxState = 0;//状态归0
Serial_RxPacket[pRxPacket] = '\0';
//将收到的字符数据包添加一个字符串结束标志
Serial_RxFlag = 1; //接收数据包标志位置1，成功接收一个数据包
}
}
USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE); //清除标志位
}
}
【主函数】
注意在最后有将Serial_RxFlag清0
while (1)
{
//会先进中断！
if (Serial_RxFlag == 1)//如果接收到数据包
{
OLED_ShowString(4, 1, " ");
OLED_ShowString(4, 1, Serial_RxPacket);
//OLED清除指定位置，并显示接收到的数据包
/*将收到的数据包与预设的指令对比，以此决定将要执行的操作*/
if (strcmp(Serial_RxPacket, "LED_ON") == 0)
//如果收到LED_ON指令
{
LED1_ON();
Serial_SendString("LED_ON_OK\r\n");
OLED_ShowString(2, 1, " ");
OLED_ShowString(2, 1, "LED_ON_OK");
}
else if (strcmp(Serial_RxPacket, "LED_OFF") == 0)
//如果收到LED_OFF指令
{
LED1_OFF();
Serial_SendString("LED_OFF_OK\r\n");
OLED_ShowString(2, 1, " ");
OLED_ShowString(2, 1, "LED_OFF_OK");
}
else //上述所有条件均不满足，即收到了未知指令
{
Serial_SendString("ERROR_COMMAND\r\n");
//串口回传一个字符串ERROR_COMMAND
OLED_ShowString(2, 1, " ");
OLED_ShowString(2, 1, "ERROR_COMMAND");
}
Serial_RxFlag = 0;
//处理完成后，需要将接收数据包标志位清零，否则将无法接收后续数据包
}
}
浙公网安备 33010602011771号