STM32系统学习——USART（串口通信）

只看该作者 · 2022-1-28 23:30

2.数据寄存器
USART说数据寄存器(USART_DR)只有低 9 位有效，并且第 9 位数据是否有效要取决于USART 控制寄存器 1(USART_CR1)的 M 位设置，当 M 位为 0 时表示 8 位数据字长，当 M位为 1 表示 9 位数据字长，我们一般使用 8位数据字长。
USART_DR包含了已发送的数据或者接收到的数据。USART_DR实际是包含了两个寄存器，一个专门用于发送的可写 TDR，一个专门用于接收的可读 RDR。当进行发送操作时，往 USART_DR写入数据会自动存储在 TDR内；当进行读取操作时，向 USART_DR读取数据会自动提取 RDR 数据。
TDR和RDR都是介于系统总线和移位寄存器之间。串行通信是一个位一个位传输的，发送时把 TDR 内容转移到发送移位寄存器，然后把移位寄存器数据每一位发送出去，接时把接收到的每一位顺序保存在接收移位寄存器内然后才转移到 RDR。
USART 支持 DMA 传输，可以实现高速数据传输。

只看该作者 · 2022-1-28 23:36

3.控制器
USART有专门控制发送的发送器、控制接收的接收器，还有唤醒单元、中断控制等。
使用USART之前需要向USART_CR1寄存器的UE位置1使能USART，UE位用于开启供给串口的时钟。发送或者接收数据字长可选8或9位，由USARTT_CR1的M位控制。

只看该作者 · 2022-1-28 23:42

1）发送器
当USART_CR1寄存器的发送使能位TE置1时，启动数据发送，发送移位寄存器的数据会在TX引脚输出，低位在前，高位在后。如果是同步模式SCLK也输出时钟信号。
一个字符帧发送需要3部分：起始位、数据帧、停止位。起始位是一个位周期的低电平，位周期就是每一位占用的时间；数据帧就是我们要发送的8或9位数据，数据是最低位开始传输的；停止位是一定时间周期的高电平。

只看该作者 · 2022-1-28 23:47

停止位的时间长短可以通过USART控制寄存器2（USART_CR2）的STOP[1:0]位控制，可选0.5个、1个、1.5个、2个停止位。默认使用1个停止位。2个停止位适用于正常USART模式、单线模式和调制解调器模式。0.5和1.5个停止位用于智能卡模式。
当发使能位TE置1之后，发送器开始会发送一个空闲帧（一个数据帧长度的高电平），接下来就可以往USART_DR寄存器写入要发送的数据。在写入最后一个数据后，需等待USART状态寄存器（USART_SR）的TC位为1，表示数据传输完成。USART_CR1寄存器的TCIE位置1，则产生中断。
发送数据时，几个重要的标志位如下：
TE:发送使能。
TXE:发送寄存器为空，发送单个字节时使用。
TC:发送完成，发送多个字节数据时候使用。
TXIE:发送完成中断使能。

只看该作者 · 2022-1-28 23:48

2）接收器
将CR1寄存器的RE位置1，使能USART接收，使得接收器在RX线开始搜索起始位。在确定起始位后，就根据RX线电平状态把数据存放在接收移位寄存器内。接收完成后就把接收移位寄存器的数据移到PDR内，并把USART_SR寄存器的RXNE位置。如果USART_CR2寄存器的RXNEIE置1可以产生中断。
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只看该作者 · 2022-1-28 23:52

接收数据时，几个重要的标志位如下：
RE: 接收使能。
RXNE:读数据寄存器非空。
RXNEIE:发送完成中断使能。

只看该作者 · 2022-1-28 23:53

4.小数波特率生成
USART 的发送器和接收器使用相同的波特率。计算公式如下：

其中，f PLCK 为 USART 时钟， USARTDIV 是一个存放在波特率寄存器(USART_BRR)的一个无符号定点数。其中 DIV_Mantissa[11:0]位定义 USARTDIV 的整数部分，DIV_Fraction[3:0]位定义 USARTDIV 的小数部分。

只看该作者 · 2022-1-28 23:54

例如：DIV_Mantissa=24(0x18)，DIV_Fraction=10(0x0A)，此时 USART_BRR 值为0x18A；那么USARTDIV的小数位10/16=0.625；整数位24，最终USARTDIV的值为24.625。
如果知道 USARTDIV 值为 27.68，那么 DIV_Fraction=16*0.68=10.88，最接近的正整数为 11，所以 DIV_Fraction[3:0]为 0xB；DIV_Mantissa=整数(27.68)=27，即为 0x1B。
波特率的常用值有 2400、9600、19200、115200。下面以实例讲解如何设定寄存器值得到波特率的值。

只看该作者 · 2022-1-28 23:56

我们知道 USART1 使用 APB2 总线时钟，最高可达 72MHz，其他 USART 的最高频率为 36MHz。我们选取 USART1 作为实例讲解，即 f PLCK =72MHz。为得到 115200bps 的波特率，此时：

115200 =72000000/(16 ∗ USARTDIV)

解得 USARTDIV=39.0625 ，可算得 DIV_Fraction=0.0625*16=1=0x01 ，DIV_Mantissa=39=0x27，即应该设置 USART_BRR 的值为 0x171。

只看该作者 · 2022-1-28 23:57

5.校验控制
STM32F103系列控制器USART支持奇偶校验。使用校验位时，串口传输的长度将在8位数据帧上加上1位的校验位，总共9位，此时USART_CR1寄存器的M位需要设置位1，即9数据位。将USART_CR1寄存器的PCE位置1就可以启动奇偶校验控制，奇偶校验由硬件自动完成。启动了奇偶校验控制之后，发送数据帧时会自动添加校验位，接收数据自动验证校验位。接收数据时如果出现奇偶校验位验证失败，会将USART_SR寄存器的PE置1，并可以产生奇偶校验中断。
使用了奇偶校验控制位后，每个字符帧的格式变成了：起始位+数据帧+校验位+停止位。

只看该作者 · 2022-1-29 15:32

6.中断控制

只看该作者 · 2022-1-29 15:33

五、USART初始化结构体
初始化结构体的定义在stm32f10x_usart.h文件中，初始化库函数定义在stm32f10x_usart.c中。

USART初始化结构体

只看该作者 · 2022-1-29 15:36

typedef struct {
uint32_t USART_BaudRate; // 波特率
uint16_t USART_WordLength; // 字长
uint16_t USART_StopBits; // 停止位
uint16_t USART_Parity; // 校验位
uint16_t USART_Mode; // USART 模式
uint16_t USART_HardwareFlowControl; // 硬件流控制
} USART_InitTypeDef;

只看该作者 · 2022-1-29 15:36

1）USART_BaudRate：波特率设置。标准库函数会根据设定值计算得到USARTDIV值，从而设置USART_BRR的寄存器值。
2）USART_WordLength：.数据帧字长，它设定USART_CR1寄存器M位的值。如果没有使能奇偶位校验控制，一般使用8数据位。
3）USART_StopBits停止位设置。
4）USART_Parity：奇偶校验控制选择。
5）USART_Mode：USART模式选择有USART_Mode_Rx和USART_Mode_Tx，允许使用逻辑或运算选择两个，它设定 USART_CR1寄存器的 RE 位和 TE位。
6）USART_HardwareFlowControl：硬件流控制选择，只有在硬件流控制模式下才有效，可选有，使能RTS、使能CTS、同时使能RTS和CTS、不使用硬件流。

只看该作者 · 2022-1-29 15:37

当使用同步模式，需配置SCLK引脚输出脉冲的属性，标准库使用一个时钟初始化结构体USART_ClockInitTypeDef来设置，该结构体内容只有在同步模式下才设置。

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                USART时钟初始化结构体

 typedef struct {

 uint16_t USART_Clock; // 时钟使能控制

 uint16_t USART_CPOL; // 时钟极性

 uint16_t USART_CPHA; // 时钟相位

 uint16_t USART_LastBit; // 最尾位时钟脉冲

 } USART_ClockInitTypeDef;

只看该作者 · 2022-1-29 15:40

1）USART_Clock：同步模式下SCLK引脚上时钟输出使能控制，可选禁止时钟输出(USART_Clock_Disable)或开启时钟输出(USART_Clock_Enable)；如果使用同步模式发送，一般都需要开启时钟。它设定 USART_CR2 寄存器的 CLKEN 位的值。 ݶ
2）USART_CPOL：同步模式下 SCLK 引脚上输出时钟极性设置，可设置在空闲时SCLK引脚为低电平(USART_CPOL_Low)或高电平(USART_CPOL_High)。它设定USART_CR2寄存器的 CPOL位的值。
3）USART_CPHA：同步模式下 SCLK 引脚上输出时钟相位设置，可设置在时钟第一个变化沿捕获数据(USART_CPHA_1Edge)或在时钟第二个变化沿捕获数据。它设定 USART_CR2寄存器的 CPHA位的值。USART_CPHA与 USART_CPOL配合使用可以获得多种模式时钟关系。
4）USART_LastBit：选择在发送最后一个数据位的时候时钟脉冲是否在SCLK引脚输出，可以是不输出脉冲(USART_LastBit_Disable) 、输出脉冲(USART_LastBit_Enable)。它设定 USART_CR2 寄存器的 LBCL位的值。

只看该作者 · 2022-1-29 15:40

六、USART1接发通信实验
USART 只需两根信号线即可完成双向通信，对硬件要求低，使得很多模块都预留USART 接口来实现与其他模块或者控制器进行数据传输，比如 GSM 模块，WIFI 模块、蓝牙模块等等。在硬件设计时，注意还需要一根“共地线”。
来编写一个程序实现开发板与电脑通信，在开发板上电时通过USART发送一串字符串给电脑，然后开发板进入中断接收等待状态，如果电脑有发送数据过来，开发板就会产生中断，我们在中断服务函数接收数据，并马上把数据返回发送给电脑。

只看该作者 · 2022-1-29 15:42

1、编程思路

使能 RX和 TX 引脚 GPIO时钟和 USART时钟；
初始化 GPIO，并将 GPIO复用到 USART上；
配置 USART 参数；
配置中断控制器并使能 USART接收中断；
使能 USART；
在 USART接收中断服务函数实现数据接收和发送。

只看该作者 · 2022-1-29 15:42

2、代码分析

1）GPIO和USART宏定义
/**
* 串口宏定义，不同的串口挂载的总线和 IO 不一样，移植时需要修改这几个宏
*/
// 串口 1-USART1
#define DEBUG_USARTx USART1
#define DEBUG_USART_CLK RCC_APB2Periph_USART1
#define DEBUG_USART_APBxClkCmd RCC_APB2PeriphClockCmd
#define DEBUG_USART_BAUDRATE 115200
// USART GPIO 引脚宏定义
#define DEBUG_USART_GPIO_CLK (RCC_APB2Periph_GPIOA)
#define DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd RCC_APB2PeriphClockCmd

#define DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT GPIOA
#define DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN GPIO_Pin_9
#define DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT GPIOA
#define DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN GPIO_Pin_10

#define DEBUG_USART_IRQ USART1_IRQn
#define DEBUG_USART_IRQHandler USART1_IRQHandler

只看该作者 · 2022-1-29 15:43

使用宏定义方便程序移植和升级。开发板中的 CH340G 的收发引脚默认通过跳帽连接到 USART1，如果想使用其他串口，可以把 CH340G 跟 USART1 直接的连接跳帽拔掉，然后再把其他串口的 IO用杜邦线接到 CH340G的收发引脚即可。
这里我们使用USART1，设定波特率为115200，选定USART的GPIO为PA9和PA10。