【Alientek STM32 实验3】--串口实验

只看该作者 · 2019-3-12 14:14

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3.3 串口实验

前面两节介绍了STM32的IO口操作。这一节我们将学习STM32的串口。通过本节的学习，你将了解到STM32串口的基本使用方法。本节分为如下几个小节：

3.3.1 STM32串口简介

3.3.2 硬件设计

3.3.3 软件设计

3.3.4 仿真与下载

3.3.1 STM32串口简介

前面两节介绍了STM32的IO口操作。这一节我们将学习STM32的串口。作为软件开发重要的调试手段，串口的作用是很大的。在调试的时候可以用来查看和输入相关的信息。在使用的时候，串口也是一个和外设(比如GPS，GPRS模块等)通信的重要渠道。

STM32的串口是相当丰富的，功能也很强劲。最多可提供5路串口（Mini STM32使用的是STM32F103RBT6，具有3个串口），有分数波特率发生器、支持单线光通信和半双工单线通讯、支持LIN、智能卡协议和IrDA SIR ENDEC规范（仅串口3支持）、具有DMA等。

上一章对串口有过简单的介绍，接下来我们将从寄存器层面，告诉你如何设置串口，以达到我们最基本的通信功能。这一节，我们将实现利用串口1不停的打印一个信息到电脑上，同时接收从串口发过来的数据，把发送过来的数据直接送回给电脑。

串口最基本的设置，就是波特率的设置。STM32的串口使用起来还是蛮简单的，只要你开启了串口时钟，并设置相应IO口的模式，然后配置一下波特率，数据位长度，奇偶校验位等信息，就可以使用了。下面，我们就简单介绍下这几个与串口基本配置直接相关的寄存器。

1，串口时钟使能。串口作为STM32的一个外设，其时钟由外设时钟使能寄存器控制，这里我们使用的串口1是在APB2ENR寄存器的第14位。APB2ENR寄存器在之前已经介绍过了，这里不再介绍。只是说明一点，就是除了串口1的时钟使能在APB2ENR寄存器，其他串口的时钟使能位都在APB1ENR。

2，串口复位。当外设出现异常的时候可以通过复位寄存器里面的对应位设置，实现该外设的复位，然后重新配置这个外设达到让其重新工作的目的。一般在系统刚开始配置外设的时候，都会先执行复位该外设的操作。串口1的复位是通过配置APB2RSTR寄存器的第14位来实现的。APB2RSTR寄存器的各位描述如下：

图3.3.1.1寄存器APB2RSTR各位描述

从上图可知串口1的复位设置位在APB2RSTR的第14位。通过向该位写1复位串口1，写0结束复位。其他串口的复位位在APB1RSTR里面。

3，串口波特率设置。每个串口都有一个自己独立的波特率寄存器USART_BRR，通过设置该寄存器达到配置不同波特率的目的。该寄存器的各位描述如下：

图3.3.1.2寄存器USART_BRR各位描述

前面提到STM32的分数波特率概念，其实就是在这个寄存器里面体现的。最低4位用来存放小数部分DIV_Fraction，[15:4]这12位用来存放整数部分DIV_Mantissa。高16位未使用。这里波特率的计算通过如下公式计算：

这里的file:///C:/Users/eyygzzg/AppData/Local/Temp/msohtml1/19/clip_image008.jpg（x=1、2）是给外设的时钟（PCLK1用于串口2、3、4、5，PCLK2用于串口1），USARTDIV是一个无符号的定点数，它的值可以有串口的BRR寄存器值得到。而我们更关心的是如何从USARTDIV的值得到USART_BRR的值，因为一般我们知道的是波特率，和PCLKx的时钟，要求的就是USART_BRR的值。

下面我们来介绍如何通过USARTDIV得到串口USART_BRR寄存器的值，假设我们的串口1要设置为9600的波特率，而PCLK2的时钟为72M。这样，我们根据上面的公式有：

USARTDIV=72000000/9600*16=468.75

那么得到：

DIV_Fraction=16*0.75=12=0X0C;

DIV_Mantissa= 468=0X1D4;

这样，我们就得到了USART1->BRR的值为0X1D4C。只要设置串口1的BRR寄存器值为0X1D4C就可以得到9600的波特率。

4，串口控制。STM32的每个串口都有3个控制寄存器USART_CR1~3，串口的很多配置都是通过这3个寄存器来设置的。这里我们只要用到USART_CR1就可以实现我们的功能了，该寄存器的描述在《STM32参考手册》第496也有详细介绍，在这里我们就不列出来了。

5，数据发送与接收。STM32的发送与接收是通过数据寄存器USART_DR来实现的，这是一个双寄存器，包含了TDR和RDR。当向该寄存器写数据的时候，串口就会自动发送，当收到收据的时候，也是存在该寄存器内。该寄存器的各位描述如下：

图3.3.1.3寄存器USART_DR各位描述

可以看出，虽然是一个32位寄存器，但是只用了低9位（DR[8:0]），其他都是保留。

DR[8:0]为串口数据，包含了发送或接收的数据。由于它是由两个寄存器组成的，一个给发送用(TDR)，一个给接收用(RDR)，该寄存器兼具读和写的功能。TDR寄存器提供了内部总线和输出移位寄存器之间的并行接口。RDR寄存器提供了输入移位寄存器和内部总线之间的并行接口。

当使能校验位(USART_CR1种PCE位被置位)进行发送时，写到MSB的值(根据数据的长度不同，MSB是第7位或者第8位)会被后来的校验位该取代。

当使能校验位进行接收时，读到的MSB位是接收到的校验位。

6，串口状态。串口的状态可以通过状态寄存器USART_SR读取。USART_SR的各位描述如下：

图3.3.1.4寄存器USART_SR各位描述

这里我们关注一下两个位，第5、6位RXNE和TC。

RXNE（读数据寄存器非空），当该位被置1的时候，就是提示已经有数据被接收到了，并且可以读出来了。这时候我们要做的就是尽快去读取USART_DR，通过读USART_DR可以将该位清零，也可以向该位写0，直接清除。

TC（发送完成），当该位被职位的时候，表示USART_DR内的数据已经被发送完成了。如果设置了这个位的中断，则会产生中断。该位也有两种清零方式：1）读USART_SR，写USART_DR。2）直接向该位写0。

通过以上一些寄存器的操作外加一下IO口的配置，我们就可以达到串口最基本的配置了，关于串口更详细的介绍，请参考《STM32参考手册》第472页至502页，通用同步异步收发器一章。

3.3.2 硬件设计

该实验的硬件配置不同于前两个实验，串口1与USB串口默认是分开的，并没有在PCB上连接在一起，需要通过跳线帽来连接一下。这里我们把P4的RXD和TXD用跳线帽与P3的PA9和PA10连接起来。如下图所示：

图3.3.2.1硬件连接图

连接上这里之后，我们在硬件上就设置完成了，可以开始软件设计了。

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3.3.3 软件设计

这里的代码设计，比前两节简单很多，因为我们的串口初始化代码和接收代码就是用我们之前介绍的SYSTEM文件夹下的串口部分内容。这里我们对代码部分稍作讲解。
打开3.2节的TEST工程，然后在SYSTEM组下双击usart.c，我们就可以看到该文件里面的代码，先介绍uart_init函数，该函数代码如下：
//初始化IO 串口1
//pclk2CLK2时钟频率(Mhz)
//bound:波特率
void uart_init(u32 pclk2，u32 bound)
{
   float temp;
   u16 mantissa;
   u16 fraction;
   temp=(float)(pclk2*1000000)/(bound*16);//得到USARTDIV
   mantissa=temp;                                     //得到整数部分
   fraction=(temp-mantissa)*16; //得到小数部分
mantissa<<=4;
   mantissa+=fraction;
   RCC->APB2ENR|=1<<2; //使能PORTA口时钟
   RCC->APB2ENR|=1<<14;  //使能串口时钟
   GPIOA->CRH=0X444444B4;//IO状态设置

   RCC->APB2RSTR|=1<<14; //复位串口1
   RCC->APB2RSTR&=~(1<<14);//停止复位
   //波特率设置
   USART1->BRR=mantissa; // 波特率设置
   USART1->CR1|=0X200C; //1位停止，无校验位.
#ifdef EN_USART1_RX                   //如果使能了接收
   //使能接收中断
   USART1->CR1|=1<<8; //PE中断使能
   USART1->CR1|=1<<5; //接收缓冲区非空中断使能
   MY_NVIC_Init(3，3，USART1_IRQChannel，2);//组2，最低优先级
#endif
}
从该代码可以看出，其初始化串口的过程，和我们前面介绍的一致先计算得到USART1->BRR的内容。然后开始初始化串口引脚，接着把USART1复位，然之后设置波特率和奇偶校验等。
这里需要注意一点，因为我们使用到了串口的中断接收，必须在usart.h里面定义 EN_USART1_RX 。该函数才会配置中断使能，以及开启串口1的NVIC中断。这里我们把串口1中断放在组2，优先级设置为组2里面的最低。
再介绍一下串口1的中断服务函数USART1_IRQHandler，该函数的名字不能自己定义了，MDK已经给每个中断都分配了一个固定的函数名，我们直接用就可以了。具体这些函数的名字是什么，我们可以在MDK提供的例子里面，找到stm32f10x_it.c，该文件里面包含了STM32所有的中断服务函数。USART1_IRQHandler的代码如下：
void USART1_IRQHandler(void)
{
   u8 res;
   if(USART1->SR&(1<<5))//接收到数据
   {
               res=USART1->DR;
               if((USART_RX_STA&0x80)==0)//接收未完成
               {
                           if(USART_RX_STA&0x40)//接收到了0x0d
                           {
                                       if(res!=0x0a)USART_RX_STA=0;//接收错误，重新开始
                                       else USART_RX_STA|=0x80;    //接收完成了
                           }else //还没收到0X0D
                           {
                                       if(res==0x0d)USART_RX_STA|=0x40;
                                       else
                                       {
                                                   USART_RX_BUF[USART_RX_STA&0X3F]=res;
                                                   USART_RX_STA++;
                                                   if(USART_RX_STA>63)USART_RX_STA=0;//接收数据错误，重新开始接收
                                       }
                           }
               }
   }
}
该函数的重点就是判断接收是否完成，通过检测是否收到0X0D、0X0A的连续2个字节（回车键）来检测是否结束。当检测到这个结束序列之后，就会置位USART_RX_STA的最高为来标记已经收到了一次数据。之后等待外部函数清空该位之后才开始第二次接收。所接收的数据全部存放在USART_RX_BUF里面，一次接收数据不能超过64个字节，否则被丢弃。
介绍完了这两个函数，我们回到test.c，在test.c里面编写如下代码：
#include <stm32f10x_lib.h>
#include "sys.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
#include "key.h"
//Mini STM32开发板范例代码3
//串口实验
//正点原子@ALIENTEK
//2010.5.28
int main(void)
{
   u8 t;
   u8 len;
   u16 times=0;
   Stm32_Clock_Init(9); //系统时钟设置
   delay_init(72);       //延时初始化
   uart_init(72，9600);  //串口初始化为9600
   LED_Init();                               //初始化与LED连接的硬件接口
   while(1)
   {
               if(USART_RX_STA&0x80)
               {
                           len=USART_RX_STA&0x3f;//得到此次接收到的数据长度
                           printf("\n您发送的消息为:\n");
                           for(t=0;t<len;t++)
                           {
                                       USART1->DR=USART_RX_BUF[t];
                                       while((USART1->SR&0X40)==0);//等待发送结束
                           }
                           printf("\n\n");//插入换行
                           USART_RX_STA=0;
               }else
               {
                           times++;
                           if(times%5000==0)
                           {
                                       printf("\nMiniSTM32开发板串口实验\n");
                                       printf("正点原子@ALIENTEK\n\n\n");
                           }
                           if(times%200==0)printf("请输入数据，以回车键结束\n");
                           if(times%30==0)LED0=!LED0;//闪烁LED，提示系统正在运行.
                           delay_ms(10);
               }
   }
}
这段代码比较简单，重点看下以下两句：
USART1->DR=USART_RX_BUF[t];
while((USART1->SR&0X40)==0);//等待发送结束
第一句，其实就是发送一个字节到串口，通过直接操作寄存器来实现的。第二句呢，就是我们在写了一个字节在USART1->DR之后，要检测这个数据是否已经被发送完成了，通过检测USART1->SR的第6位，是否为1来决定是否可以开始第二个字节的发送。
其他的代码比较简单，我们执行编译之后看看有没有错误，没有错误就可以开始仿真与调试了。整个工程的编译结果如下：

                        图3.3.3.1编译结果
可以看到，这里我们的代码比上一节的多了800多字节，其实这里主要是使用了printf函数的缘故，所以如果有时候你程序太大了，可以通过不使用printf函数，来给其他代码腾出一部分空间。

3.3.4 仿真与下载

前面2接已经重点介绍了仿真，仿真的基本技巧也差不多介绍完了，接下来我们将淡化这部分，因为代码都是经过作者实际检测，并且在开发板上验证了的，有兴趣的大家可以自己仿真看看。但是这里要说明几点：
对于串口仿真，MDK3.80的仿真串口窗口的显示貌似有BUG，因为实际硬件上是没问题，但是仿真的时候很少有机会能打印出来（有时候又可以有时候不行，希望MDK的后续版本能得到改正）。
IO口复用的，信号在逻辑分析窗口是不能显示出来的，这一点也请大家注意。比如串口的输出，SPI，USB，CAN等。你在仿真的时候在该窗口看不到任何信息。遇到这样的情况，你就不得不准备一个逻辑分析仪，外加一个ULINK或者JTAG来做在线调试。但一般情况，这些都是有现成的例子，不用这几个东西一般也能编出来。
仿真并不能代表实际情况。只能从某些方面给你一些启示，告诉你大方向，不能尽信仿真，当然也不能完全没有仿真。比如上面IO口的输出，仿真的时候，其翻转速度可以达到很快，但是实际上STM32的IO输出就达不到这个速度。
总之，我们要合理的利用仿真，也不能过于依赖仿真。当仿真解决不了了，可以试试在线调试，在线调试一般都可以知道问题在哪个地方，但是问题要怎么解决还是得各位自己动脑筋、找资料了。
我们把代码下载到MiniSTM32开发板，可以看到板子上的DS0开始闪烁，说明程序已经在跑了。接着我们打开串口调试助手，看到如下信息：

                     图3.3.4.1串口调试助手收到的信息
证明串口数据发送没问题。接着，我们在发送区输入上面的文字，输入完后按回车键。然后单击发送，可以得到如下结果：

                        图3.3.4.2发送数据后收到的数据
可以看到，我们发送的消息被发送回来了（图中红圈内）。各位可以试试，如果不输入回车键，直接按发送是什么结果。

ALIENTEK MINISTM32 实验3 串口实验.rar (645.61 KB)

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