STM32串口通信原理与实现详解

1. 串口通信方式

UART：universal asynchronous receiver and transmitter
通用异步收/发器，即串行异步全双工收发器。
USART: universal synchronous asynchronous receiver and transmitter
通用同步/异步收/发器，即串行异步/同步全双工收发器
说明：
（1） 串行通信和并行通信区别：

（2）同步和异步的区别：

（3） 单工、半双工、全双工的区别：

2.RS232 电平和 TTL 电平（都是全双工）

注意：单片机要和PC通信时，需要电平转换芯片如CH340。

3.波特率

3.1 波特率：等同比特率，表示每秒钟传送的二进制位数，单位是比特每秒(bit/s)。
3.2 常见波特率：9600 、19200、115200

如串口的波特率为9600，表示1秒中可传输9600个bit;
其中，传输1个bit需要104us（计算1000ms/9600 = 104us）。

4.通信协议

4.1 串口传输的数据包格式

每个数据包包含1个起始位，5至9个数据位，可选的奇偶校验位和1或1.5或2个停止位：

注意：
① 空闲状态：高电平，此时无数据传输

②奇偶校验：
奇校验：如果数据位中“1”的数目是偶数，则校验位为高电平1，
如果数据位中“1”的数目是奇数，则校验位为低电平0
偶校验：如果数据位中“1”的数目是奇数，则校验位为高电平1，
如果数据位中“1”的数目是偶数，则校验位为低电平0

③停止位配置：表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。
1个停止位：停止位位数的默认值。
2个停止位：可用于常规USART模式、单线模式以及调制解调器模式。
0.5个停止位：在智能卡模式下接收数据时使用。
1.5个停止位：在智能卡模式下发送和接收数据时使用。

④编程可配置的数据长度：8位或者9位（包含校验位），如9位是指8bit数据+1bit奇偶校验。

传输示例：
波特率115200，无校验，1个停止位，数据长度为8，传输数据0x55 0xAA 0x03，示波器波形如下：

4.2 STM32串口框图

说明：
如上框图所示，在接收移位寄存器、发送移位寄存器还有一个进入的箭头，分别连接到接收器控制、发送器控制。而这两者连接的又是接收器时钟、发送器时钟。也就是说，异步通信尽管没有时钟同步信号，但是在串口内部，是提供了时钟信号来进行控制的。接收器时钟和发送器时钟又被连接到同一个控制单元，也就是说它们共用一个波特率发生器。
读操作：数据从RX进入到接收移位寄存器，后进入到接收数据寄存器，最终供CPU或者DMA来进行读取；
写操作：数据从CPU或者DMA传递过来，进入发送数据寄存器，后进入发送移位寄存器，最终通过TX发送出去。

STM32与外部设备串口通信过程：

5.STM32 串口相关寄存器

参考《STM32F10x参考手册》

6.串口操作的一般步骤

代码示例：配置串口5
6.1 GPIO时钟使能，串口时钟使能。调用函数：RCC_APB2PeriphClockCmd()（可以参阅：【STM32】 STM32端口复用和重映射（AFIO辅助功能时钟） 的部分内容）；

		RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);		//使能afio时钟
		RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);		//使能GPIOC时钟
		RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOD, ENABLE);
		RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_UART5, ENABLE);		//使能串口5时钟

6.2 串口复位（这一步不是必须的）。调用函数：USART_DeInit()；

		USART_DeInit(UART5);

6.3 GPIO外设功能下的端口模式设置。调用函数：GPIO_Init()；

		GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

		GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;					//串口5输入脚上拉
		GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
		GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
		GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);

		GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;					//串口5输出脚配成多功能上下拉
		GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
		GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;				//多功能推挽输出
		GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);

6.4 串口参数初始化。调用函数：USART_Init()；

		USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
		
		USART_InitStructure.USART_BaudRate = p_baudrate;			//初始化串口参数
		USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; //数据位
		USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;      //停止位
		USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;         //校验位
		USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
		USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
		USART_Init(UART5, &USART_InitStructure);					//初始化串口

6.5 开启中断并且初始化NVIC（如果需要开启中断才需要这个步骤）。调用函数：NVIC_Init()；USART_ITConfig()；

 		NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; 
		 /* 嵌套向量中断控制器组选择 */
 		NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
 
		 /* 配置 USART 为中断源 */
		 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = UART5_IRQn;//
		 /* 抢断优先级为 1 */
		 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
		 /* 子优先级为 1 */
		 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
		 /* 使能中断 */
		 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
 		/* 初始化配置 NVIC */
		 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

		USART_ITConfig(UART5, USART_IT_RXNE, ENABLE);
		USART_ITConfig(UART5, USART_IT_TXE, ENABLE);

6.6 使能串口。调用函数：USART_Cmd()；

		USART_Cmd(UART5, ENABLE);

6.7 编写中断处理函数。调用函数：USARTx_IRQHandler()；

void UART5_IRQHandler(void)
{
	if(USART_GetITStatus(UART5, USART_IT_RXNE) != RESET)
	{
		uart5_recv_int_handle();
	}

	if(USART_GetITStatus(UART5, USART_IT_TXE) != RESET)
	{
		uart5_send_int_handle();
	}
}

6.8 串口数据收发。调用函数：USART_SendData()；USART_ReceiveData()；

void uart5_recv_int_handle(void)
{
	U8 m_data;

	m_data = USART_ReceiveData(UART5);
	……
	//处理数据
}
void uart5_send_int_handle(void)
{
	U8 m_data;
	if(需要发送数据)
	{
		USART_SendData(UART5, m_data);
	}
	else
	{
		USART_ITConfig(UART5, USART_IT_TXE, DISABLE);						//关闭发送中断
	}
	……
	//处理数据
}

注：如有问题，欢迎大家指出，谢谢！