STM32_USART

1、USART简介

USART，即Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/异步收发器。USART是STM32内部集成的硬件外设，可根据数据寄存器的一个字节数据自动生成数据帧时序，从TX引脚发送出去，也可自动接收RX引脚的数据帧时序，拼接为一个字节数据，存放在数据寄存器里自带波特率发生器，最高达4.5Mbits/s。可配置数据位长度（8/9）、停止位长度（0.5/1/1.5/2）。可选校验位（无校验/奇校验/偶校验）。支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN等。

在STM32F103C8T6上的USART资源： USART1、 USART2、 USART3

2、串口通信

串口是一种应用十分广泛的通讯接口，串口成本低、容易使用、通信线路简单，可实现两个设备的互相通信。单片机的串口可以使单片机与单片机、单片机与电脑、单片机与各式各样的模块互相通信，极大地扩展了单片机的应用范围，增强了单片机系统的硬件实力。

简单的双向串口通信有两根通信线（发送端TX和接收端RX），TX与RX要交叉连接，当只需单向的数据传输时，可以只接一根通信线；当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片。

2.1 电平标准

电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系，串口常用的电平标准有如下三种：

TTL电平：+3.3V或+5V表示1，0V表示0

RS232电平：-3~-15V表示1，+3~+15V表示0

RS485电平：两线压差+2~+6V表示1，-2~-6V表示0（差分信号）

2.2 串口参数

波特率：串口通信的速率，单位是码元/s，或者直接叫波特（Baud），在二进制调制的情况下，一个码元就是一个bit，此时可以等于比特率，即每秒发送的比特数，bit/s（bps）

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

校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来

停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平

串口的时序图在空闲时一直为高电平，当起始位给了个低电平信号，告诉对方我要开始传输数据了，根据约定好的规定，传输8位数据，之后拉高电平，标志数据传输完成停止了。如果是多字节数据传输，则重复上述过程。而波特率是设置数据发送的速度，对方在设置时也设置相同的波特率，那么就会尽量保证大家发送和接收是同一个频率，不会出错。

无校验位结构图：

有校验位结构图：

2.3 并行与串行

并行通信：总线在传递数据时，可以一次性将数据的多个位同时发送

串行通信：一次只能传递一位数据

3、USART框图

该图来源于STM32F103xxx：

该图中的发送寄存器TDR（Transmit DR）和接收数据寄存器RDR（Receive DR）在实际中用的是同一个地址，在程序上只表示位一个寄存器，就是数据寄存器DR（Data Register），但是在实际硬件中，是分成了两个寄存器，TDR是只写的，RDR是只读的。

发送移位寄存器就是将每一个字节的数据一位一位的移出去，接受寄存器类似。

USART简要结构：

4、发送器/接收器配置

4.1 数据帧格式

4.1.1 不同数据位

4.1.2 不同停止位

4.2 配置过程

4.2.1 发送器配置过程

（1）通过在USART_CR1寄存器上置位UE位来激活USART

（2）编程USART_CR1的M位来定义字长。

（3）在USART_CR2中编程停止位的位数。

（4）如果采用多缓冲器通信，配置USART_CR3中的DMA使能位(DMAT)。按多缓冲器通信中的描述配置DMA寄存器。

（5）利用USART_BRR寄存器选择要求的波特率。

（6）设置USART_CR1中的TE位，发送一个空闲帧作为第一次数据发送。

（7）把要发送的数据写进USART_DR寄存器(此动作清除TXE位)。在只有一个缓冲器的情况下，对每个待发送的数据重复步骤7。

（8）在USART_DR寄存器中写入最后一个数据字后，要等待TC=1，它表示最后一个数据帧的传输结束。当需要关闭USART或需要进入停机模式之前，需要确认传输结束，避免破坏最后一次传输。

清零TXE位总是通过对数据寄存器的写操作来完成的。TXE位由硬件来设置，它表明：数据已经从TDR移送到移位寄存器，数据发送已经开始；TDR寄存器被清空；下一个数据可以被写进USART_DR寄存器而不会覆盖先前的数据。

如果TXEIE位被设置，此标志将产生一个中断。

4.2.2 接收器配置过程

（1）将USART_CR1寄存器的UE置1来激活USART。

（2）编程USART_CR1的M位定义字长

（3）在USART_CR2中编写停止位的个数

（4）如果需多缓冲器通信，选择USART_CR3中的DMA使能位(DMAR)。按多缓冲器通信中要求的配置DMA寄存器。

（5）利用波特率寄存器USART_BRR选择希望的波特率。

（6）设置USART_CR1的RE位。激活接收器，使它开始寻找起始位。

当一字符被接收到时：

RXNE位被置位。它表明移位寄存器的内容被转移到RDR。换句话说，数据已经被接收并且可以被读出(包括与之有关的错误标志)。

如果RXNEIE位被设置，产生中断。

在接收期间如果检测到帧错误，噪音或溢出错误，错误标志将被置起。

在多缓冲器通信时，RXNE在每个字节接收后被置起，并由DMA对数据寄存器的读操作而清零。

在单缓冲器模式里，由软件读USART_DR寄存器完成对RXNE位清除。RXNE标志也可以通过对它写‘0’来清除。RXNE位必须在下一字符接收结束前被清零，以避免溢出错误。

5、输出重定向

因为c库中的printf默认是输出到屏幕的，单片机没有屏幕，在这里是将数据输出到串口，因此需要对printf进行重定向。在printf中，putc函数是其底层，printf函数执行过程中就是不断调用putc函数，所以对putc函数进行重写。

int fputc(int ch, FILE *f)
{
	Serial_SendByte(ch);
	return ch;
}

在编译的时候，还要勾选魔术棒- Target中的USE MicroLIB。

6、示例代码

//serial.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
//使用printf函数，要在keil中勾选USE MicroLIB选项，MicroLIB是Keil为嵌入式平台优化的一个精简库
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>

uint8_t Serial_RxData;
uint8_t Serial_RxFlag;

void Serial_Init(void)
{
	//第一步，开启时钟，打开需要用的USART和GPIO的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	//第二步，GPIO初始化，把TX配制成复用输出，RX配置成输入
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;	//复用推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;	//上拉输入
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	//第三步，配置USART，直接使用一个结构体
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;	//波特率，系统内部会自动算好该波特率对应的分频系数
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;	//硬件流控制，这里不使用流控
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;	//串口模式,这里同时开启发送和接收的部分
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;	//校验位
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;	//停止位，这里选择1位停止位
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;	//字长，这里不需要校验位，所以选择8位
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
	
	//使用中断，如果不使用接收可以不配置这一步
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);	//开启RXNE位到NVIC的输出
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
	
	
	//第四步，如果只需要发送的功能，那么直接开启USART，初始化就结束了
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);
	
	//这里标志位置1后，不需要手动清0，系统会自动完成
}

//串口发送函数
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendData(USART1, Byte);	//调用该函数将变量写入到TDR中，
	//然后等待TDR的数据转移到移位寄存器了，才能放心，如果没有转移时，就再次写入数据，救护产生数据覆盖
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);	//这里标志位置1后，不需要手动清0，系统会自动完成
}

//uint8_t的指针类型，指向待发送数组的首地址
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length)
{
	uint16_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Array[i]);
	}
}

//对printf函数进行重定向，因为printf默认是输出到屏幕的，stm32没有屏幕，重定向到串口输出
int fputc(int ch, FILE *f)
{
	Serial_SendByte(ch);
	return ch;
}

//设置一个读取标志位后清除的函数
uint8_t Serial_GetRxFlag(void)
{
	if (Serial_RxFlag == 1)
	{
		Serial_RxFlag = 0;
		return 1;
	}
	return 0;
}

uint8_t Serial_GetData(void)
{
	return Serial_RxData;
}

//中断函数的名字，从启动文件中找
void USART1_IRQHandler(void)
{
	//判断标志位
	if (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)
	{
		Serial_RxData = USART_ReceiveData(USART1);
		//置一个自己的标志位
		Serial_RxFlag = 1;
		//清除标志位
		USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);
	}
}