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【STM32】USART串口通信入门教程（上）：USART基础详解

USART（上）

  • 1、串口通信
  • 1.1、简介
  • 1.2、数据帧
  • 1.2.1、简介
  • 1.2.2、校验规则
  • 1.2.3、停止位的长度
  • 1.3、异步通信的波特率
  • 1.3.1、同步通信
  • 1.3.2、异步通信
  • 1.3.3、硬件流控
  • 2、USART
  • 2.1、简介
  • 2.2、工作的原理
  • 2.3、相关寄存器
  • 3、标准库编程
  • 3.1、编程接口
  • USART_Init()
  • USART_Cmd
  • USART_SendData
  • USART_ReceiveData
  • USART_GetFlagStatus
  • 4、程序代码
  • 4.1、使用串口发送数据
  • 4.2、使用串口接收数据

    • 1、串口通信

    1.1、简介

       通过串口接收/发送数据。其中串口拥有TX（发送数据）和RX（接收数据）引脚。2个设备通过串口接收/发送数据时，这2个引脚需要交替连接。

    1.2、数据帧

    1.2.1、简介

       串口接收/发送的数据是以数据帧进行传输的，那什么是数据帧呢？数据帧 = 起始位+数据位+停止位。起始位是低电平0，停止位是高电平1，而数据位可以是8位/9位。其中数据位中还包含1位校验位（有程序员自己规定）。而传输的时候是先传输数据帧的低位，在传高位。


    数据进行传输时，如果不是连续传输时，则2个数据帧之间还有空闲位，它为高电平。

    1.2.2、校验规则

       校验规则分为：奇校验和偶校验，就是查询1的个数。


    例如：发送方设定为奇校验，并且是9位数据位。当发送时，前8位数据位中有偶数个1，那么最后1位校验位则是1，这样就凑成了奇数个1。如果传输时出现了错误，接收方进行校验时，则检测到了偶数个1，则代表传输出现了错误。都是不能检测出是那一位出现了错误。

    1.2.3、停止位的长度

       停止位的长度可以是0.5位/1位/1.5位 /2位。可以由程序员规定。

    1.3、异步通信的波特率

    1.3.1、同步通信

       2个设备进行同步通信时，则2个设备之间拥有1个时钟线（CLK）和1个数据线，例如 I2C。当时钟线位低电平时，主设备给数据线上写数据，当位高电平时，不能在写数据，从设备进行数据的读取。从设备读取成功后，给主设备返回一个应答信号，主设备继续写数据。这就是同步通信。

    1.3.2、异步通信

       异步通信和同步通信不同，没有时钟线，拥有2个数据线进行发送（TX）和接收（RX）数据。控制串口通信发送数据的速度是波特率和硬件流控。波特率就是没1s发送码元的个数（9600代表1s传输了9600个码元，传输1个码元占用了0.104ms），在计算机中每一位都代表一个码元。波特率越大，传输速率越快。


    异步通信没有时钟线，那么通信是怎样数据传输的喃？答案是：进行数据的采集，例如当接收方采用相同的9600的波特率0时，就代表它采集间隔时间是0.104ms。接收方在空闲时进行高密度采集，当采集到一个下降沿时，代表后面的是数据了，所以间隔1.5个码元进行采集（也是高密度采集），刚好采集到数据位第一个码元的正中间，然后后面就每隔0.104ms进行采集。

    1.3.3、硬件流控

       硬件流控的作用主要是防止传输的数据丢失，当传输一个数据帧时，等待接收方返回一个反馈信号。如果反馈的是一个低电平，代表接收方可以继续接收数据，然后发送方继续发送数据。

    2、USART

    2.1、简介

       USART也是STM32中的一个片上外设，用于异步串口通信。STM32F103C8T6一共有3个USART，分别为USART1，USART2，USART3。其中USART1挂载在RCC_APB2时钟总线上，所以使用时需要打开时钟。而2和3挂载在RCC_APB1时钟总线上面。

    2.2、工作的原理

       当单片机通过串口向外发送数据时，CPU向发送数据寄存器TDR写入数据，写入的时候是并行写入，然后进入并行转串行。打开发送控制器，通过TX引脚进行数据的串行发送。当单片机进行数据的接收时，RX接收来的串行数据，通过串行转并行，写入到接收寄存器RDR，然后CPU进行数据的读取。

    2.3、相关寄存器

      如下图为USART的结构图，他拥有如此多的寄存器，那这些寄存器拥有上面作用喃？交具体我们分析下

  • CR：配置寄存器

    UE：USART的总开关，为0，USART禁止，为1，USART打开。需要配置波特率时，也需要打开这个开关。
TXE： 数据传输开关
RXE：数据接收开关
M：数据位长度选择，M = 0：数据位为8位，M = 1：数据位为9位
STOP：停止位长度选择，00为1位，01为0.5位，10为2位，11为1.5位
PE/PCE：奇偶校验使能，0关闭校验位，1打开校验位
PS：奇偶选择位，0偶校验，1奇校验

  • BRR：波特率寄存器


    主要是用来配置分频器的系数，波特率 = RCC时钟/（分频系数 * 16）。例如需要9600波特率，选用72MHz时钟时，算出分频系数为468.75。

  • SR：状态寄存器

    •    TXE：发送数据寄存器空，当发送数据寄存器TDR为空时，TXE为1，代表可以向TDR写入数据
   RXNE：接收数据寄存器非空，为0，代表接收数据寄存器RDR没有数据，为1，代表接收数据寄存器有数据，可以把数据读出来
   TC(TDR空&&移位寄存器空)：发送完成寄存器，为0代表还在发送，为1代表发送完成
   PE：奇偶校验错，为1，代表传输有出差
   FE：帧格式错，为1，代表帧格式出错
   NE：噪声错，为1，代表信号里面有噪声
   ORE：过载错，为1，代表没有及时的将RDR里面的数据读出来，导致里面的数据被覆盖丢失。

    3、标准库编程

    3.1、编程接口

       如下图所示，为常用的标准库编程接口。

  • USART_Init()


    USART_InitTypeDef USARTInitStruct;
USARTInitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USARTInitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;
USARTInitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USARTInitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
USARTInitStruct.USART_BaudRate = 9600;
USARTInitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_Init(USART1 ,&USARTInitStruct);

  • USART_Cmd


    其实就是CR寄存器中的UE，USART的使能开关。

    USART_Cmd(USART1 ,ENABLE);//使能USART1

  • USART_SendData

    USART_SendData(USART1,0x5a);//数据是16位，2个字节

  • USART_ReceiveData

    uint8_t a = USART_ReceiveData(USART1); //将读取到的数据存储在变量a中

  • USART_GetFlagStatus

    while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE)==RESET);
while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_RXNE)==RESET);
if(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_PE)==SET)
{
}

    • 4、程序代码

      我们使用USART1让STM32和上位机进行串口通信。

    4.1、使用串口发送数据

       USART1的Tx连接的引脚是PA9，Rx连接的引脚是PA10，我们为了增加一下难度，我们使用USART1引脚的重映射。查阅数据手册如下。

    代码①：发送一个字节

    /*发送一个字节*/
#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_pal.h"

int main(void)
{
	//1 对PB6,PB7进行配置
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIOInitStruct;
	GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
	GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;//Tx
	GPIOInitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIOInitStruct);
	
	GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;
	GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//Rx
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIOInitStruct );
	
	//2 使能AFIO的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);
	//3 USART1的复用重映射
	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_USART1,ENABLE);//对USART1进行重映射
	
	//4 使能USART1的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 ,ENABLE);//打开RCC时钟上面的USART1
	//5 对USART1进行配置
	USART_InitTypeDef USARTInitStruct;
	USARTInitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//数据位为8位
	USARTInitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;        //没有校验位
	USARTInitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;     //1位停止位
	USARTInitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;//输入输出
	USARTInitStruct.USART_BaudRate = 9600;										//9600波特率
    USARTInitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//没有硬件流控
	
	USART_Init(USART1 ,&USARTInitStruct);

	USART_Cmd(USART1 ,ENABLE);                                 //使能USART1
	
	
	//1. 等待TDR清空
	while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) == RESET);//TDR非空，TXE为0，则卡在这个循环
	
	//2. 写入要发送的数据
	USART_SendData(USART1,0x50);
	
	//3. 等待数据发送完成
	while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC) == RESET); //发送完毕后，TC为1
	while(1)
	{
		
	}
}

    代码②：发送一个字节数组

    #include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_pal.h"

int main(void)
{
	//1 对PB6,PB7进行配置
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIOInitStruct;
	GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
	GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;//Tx
	GPIOInitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIOInitStruct);
	
	GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;
	GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//Rx
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIOInitStruct );
	
	//2 使能AFIO的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);
	//3 USART1的复用重映射
	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_USART1,ENABLE);//对USART1进行重映射
	
	//4 使能USART1的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 ,ENABLE);//打开RCC时钟上面的USART1
	//5 对USART1进行配置
	USART_InitTypeDef USARTInitStruct;
	USARTInitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//数据位为8位
	USARTInitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;        //没有校验位
	USARTInitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;     //1位停止位
	USARTInitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;//输入输出
	USARTInitStruct.USART_BaudRate = 9600;										//9600波特率
    USARTInitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//没有硬件流控
	
	USART_Init(USART1 ,&USARTInitStruct);

	USART_Cmd(USART1 ,ENABLE);                                 //使能USART1
	
	
//	//1. 等待TDR清空
//	while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) == RESET);//TDR非空，TXE为0，则卡在这个循环
//	
//	//2. 写入要发送的数据
//	USART_SendData(USART1,0x50);
//	
//	//3. 等待数据发送完成
//	while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC) == RESET); //发送完毕后，TC为1

		uint8_t a[] = {0,1,2,3,4,5};
		uint8_t i;
		for(i = 0 ;i < (sizeof(a)/sizeof(uint8_t));i++)
		{
			while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) == RESET);
			USART_SendData(USART1,a[i]);
		}
		while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC) == RESET);
		
	while(1)
	{
		
	}
}

    代码③：发送一个字符数组

    #include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_pal.h"

int main(void)
{
	//1 对PB6,PB7进行配置
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIOInitStruct;
	GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
	GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;//Tx
	GPIOInitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIOInitStruct);
	
	GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;
	GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//Rx
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIOInitStruct );
	
	//2 使能AFIO的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);
	//3 USART1的复用重映射
	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_USART1,ENABLE);//对USART1进行重映射
	
	//4 使能USART1的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 ,ENABLE);//打开RCC时钟上面的USART1
	//5 对USART1进行配置
	USART_InitTypeDef USARTInitStruct;
	USARTInitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//数据位为8位
	USARTInitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;        //没有校验位
	USARTInitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;     //1位停止位
	USARTInitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;//输入输出
	USARTInitStruct.USART_BaudRate = 9600;										//9600波特率
    USARTInitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//没有硬件流控
	
	USART_Init(USART1 ,&USARTInitStruct);

	USART_Cmd(USART1 ,ENABLE);                                 //使能USART1
	
/*发送一个字节*/	
//	//1. 等待TDR清空
//	while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) == RESET);//TDR非空，TXE为0，则卡在这个循环
//	
//	//2. 写入要发送的数据
//	USART_SendData(USART1,0x50);
//	
//	//3. 等待数据发送完成
//	while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC) == RESET); //发送完毕后，TC为1

/*发送一个字节数组*/
//		uint8_t a[] = {0,1,2,3,4,5};
//		uint8_t i;
//		for(i = 0 ;i < (sizeof(a)/sizeof(uint8_t));i++)
//		{
//			while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) == RESET);
//			USART_SendData(USART1,a[i]);
//		}
//		while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC) == RESET);
/*发送一个字符*/
//	//1. 等待TDR清空
//	while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) == RESET);//TDR非空，TXE为0，则卡在这个循环
//	
//	//2. 写入要发送的数据
//	USART_SendData(USART1,'a');
//	
//	//3. 等待数据发送完成
//	while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC) == RESET); //发送完毕后，TC为1

		uint8_t a[] = "hello world";
		uint8_t i;
		for(i = 0 ;i < sizeof(a)/sizeof(uint8_t) ;i++)
		{
			while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) == RESET);
			USART_SendData(USART1,a[i]);
		}
		while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC) == RESET);

		
	while(1)
	{
		
	}
}

    4.2、使用串口接收数据

    /*通过接收到的数据进行对LED灯的控制*/
#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_pal.h"

int main(void)
{
	//1 对PB6,PB7进行配置
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIOInitStruct;
	GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
	GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;//Tx
	GPIOInitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIOInitStruct);
	
	GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;
	GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//Rx
	GPIO_Init(GPIOB,&GPIOInitStruct );
	
	//2 使能AFIO的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);
	//3 USART1的复用重映射
	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_USART1,ENABLE);//对USART1进行重映射
	
	//4 使能USART1的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 ,ENABLE);//打开RCC时钟上面的USART1
	//5 对USART1进行配置
	USART_InitTypeDef USARTInitStruct;
	USARTInitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//数据位为8位
	USARTInitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;        //没有校验位
	USARTInitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;     //1位停止位
	USARTInitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;//输入输出
	USARTInitStruct.USART_BaudRate = 9600;										//9600波特率
    USARTInitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//没有硬件流控
	
	USART_Init(USART1 ,&USARTInitStruct);

	USART_Cmd(USART1 ,ENABLE);                                 //使能USART1
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);
	GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
	GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
	GPIOInitStruct .GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
	GPIO_Init(GPIOC,&GPIOInitStruct);
	
	uint8_t a;
	
	while(1)
	{
		while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_RXNE) == RESET);//RXNE为0代表没有数据
	    a = USART_ReceiveData(USART1);
		if(a == '1')
		{
			GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,Bit_RESET);//开灯
		}
		if(a == '0')
		{
			GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,Bit_SET);//关灯
		}
	}
}

    作者：浅陌pa

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