嵌入式开发与应用实验四——通过串口通信实现收发功能

news2024/11/13 9:34:35

一、实验目的

1. 了解 USART 的基本特性；

2. 掌握STM32串口通信的基本原理，了解异步通信的概念；

3. 掌握用库函数操作 USART 的方法，学习编程实现STM32的USART通信；

4. 掌握如何使用 STM32 的串口发送和接收数据。

二、实验内容

1. 用STM32设计一个与计算机进行串口通信的实验，实现查询方式串口的收发功能，接收来自串口的字符并将接收到的字符发送到超级终端，用串口调试助手显示出来，查询方式完成。使用STM32单片机完成基本的IO口控制，了解嵌入式系统中的中断处理方法、定时器、串口通讯等内容。

2. STM32串口与电脑USB口通信示意图

三、实验器材（设备、元器件）

（一）装有Keil uVision5软件的计算机一台

（二）STM32f103VET6的开发板一块

四、实验步骤

1. 串行接口 (Serial Interface)简称串口，也称串行通信接口或串行通讯接口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的扩展接口。串口通信指串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比特字节（byte）的串行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。串口通信协议是指规定了数据包的内容，内容包含了起始位、主体数据、校验位及停止位，双方需要约定一致的数据包格式才能正常收发数据的有关规范。在串口通信中，常用的协议包括RS-232、RS-422和RS-485。

（1）数据通信按数据传输方向分类：单工通信、半双工通信、全双工通信

单工通信：数据只能沿一个方向传输；

半双工通信：数据可以沿两个方向传输，但需要分时进行；

全双工通信：数据可以同时进行双向传输；

（2）按照通信方式，分为：同步通信，异步通信

同步通信：带时钟同步信号传输。比如：SPI，IIC通信接口；

异步通信：不带时钟同步信号。比如：UART(通用异步收发器)，单总线。通信双方约定相同波特率来保证数据传输和接收的有效性；常见的异步串行通信方式有Uart、Usart。

（3）数据通信按数据通信方式分类：串行通信、并行通信

（4）常见的串行通信接口

2. 该程序的主要任务为将USART的数据进行接收，并在数码管上显示。具体包括以下子函数：①USART1_Config：USART1的配置子函数；

②GPIO_Conifig：对PB,PA以及RX引脚进行配置的子函数；

③ main( )：完成数据的接收和显示的主函数。

(1) 函数USART1_Config（）：该函数对USART1 GPIO和工作模式进行配置，包括使能时钟。配置其波特率，数据长度，停止位长度，工作方式，有无校验位，硬件流的控制等。配置完成后初始化USART1并使能；
(2)使用GPIO_InitTypeDef和USART_InitTypeDef结构体定义一个GPIO初始化变量以及一个USART初始化变量。调用RCC_APB2PeriphClockCmd（）函数开启GPIO端口时钟，使用GPIO之前必须开启对应端口的时钟和开启USART时钟；

(3) GPIO_Conifig：使用GPIO之前需要初始化它，并且还要特殊设置，因为用它作为外设的引脚，一般都有特殊功能。在初始化时需要把它的模式设置为复用功能。这里把串口的Tx引脚设置为复用推挽输出，Rx引脚为浮空输入，数据完全由外部输入决定，选定USART的GPIO为PA9。

​ 串口初始化，由于将PA9和PA10复用为USART1，而PA9对应的是发送端，PA10对用的是接收端，因此需要配置PA9为复用推挽输出方式，PA10配置为浮空输入方式：


 (4) 配置USARTI通信参数为：波特率115200，无奇偶校验，1个停止位，数据长度为8，不使用硬件流控制，收发一体工作模式，然后调用USART初始化函数完成配置。

  串行通信中的波特率和比特率：波特率指数据信号对载波的调制速率，波特率的单位是波特(baud)，比特率指单位时间内传输的比特数，单位bit/s(bps)，而对于USART来说，波特率和比特率是相等的。总之，波特率越大传输速率越快，通过控制时钟可以改变波特率。

  • 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)；
  •  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）。

波特率计算公式：

A. 空闲状态：高电平，此时无数据传输；

B. 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;

C. 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;

D. 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;


  (5) 使用USART1接收中断，需要配置 NVIC，这里调用NVIC_Configuration(）函数完成配置。配置完NVIC之后调用USART_ITConfig(）函数使能USART1接收中断;
  (6) 最后调用USART_Cmd（）函数使能USART，这个函数最终配置的是USART_CR1的DE位，具体的作用是开启USART1的工作时钟，没有时钟USART1就工作不了;


3. 嵌套向量中断控制器NVIC配置
  配置USART1作为中断源，因为本实验对优先级没有具体要求，中断优先级随意设置。在中断章节已对嵌套向量中断控制器的工作机制做了详细的讲解，这里可直接使用。

4. USART相关寄存器

5. USART中断服务函数

(1) 这段代码是存放在“stm32flxx_it.c”文件中的，该文件用来集中存放外设中断服务函数。当使能了中断并且中断发生时就会执行文件中的中断服务函数。

(2) 函数USART1_Config（）使能了USART接收中断，当USART接收到数据就会执行函数USARTl_IRQHandler()。函数USART_GetITStatus(）与函数USART_GetFlagStatus（）类似用来获取标志位状态，但函数USART_GetITStatus(）是专门用来获取中断事件标志的，并返回该标志位状态。使用语句来判断是否产生USART数据接收这个中断事件，如果是，就使用USART数据读取函数 USART_ReceiveData（）的数据到指定存储区。主函数根据标志位再读取接收到的数据，并发送到PC端的串口调试助手。

(3) 串口数据接收和发送过程如下：

6. 主函数

7. 编译下载，观察串口通信是否能够正常进行

五. 实验数据及结果分析

1. 主函数如下：

#include "stm32f10x.h"   // Device header
#include "usart.h"  

volatile uint8_t USART1_RevDat=1;
int main()
{
  
	USART1_Condig();
	NVIC_Configuration();
	while(1)
	{
	
	}
}

2. USART函数如下：

#include "stm32f10x.h" 

void USART1_Condig(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);  
	// 打开串口GPIO、外设的时钟
	
  	//把串口发送TX引脚设置为复用推挽
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;  //配置为推挽复用模式
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);

	//把串口接收RX设置为浮空输入
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	USART_InitStructure.USART_BaudRate=115200;                //设置波特率
	USART_InitStructure.USART_WordLength=USART_WordLength_8b; //数据帧数据字长
	USART_InitStructure.USART_StopBits=USART_StopBits_1;      //配置停止位
	USART_InitStructure.USART_Parity=USART_Parity_No;         //无奇偶校验

	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None;
    //配置硬件流控制
	USART_InitStructure.USART_Mode=USART_Mode_Rx|USART_Mode_Tx;//发送接受模式
	USART_Init(USART1,&USART_InitStructure);    //使能串口接受中断
		 
	USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE);//使能串口接受中断
	USART_Cmd(USART1,ENABLE);	                //使能串口
}

void NVIC_Configuration(void)
{
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=USART1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

3. USART中断服务函数

#include "stm32f10x_it.h"
#include "usart.h"

extern volatile uint8_t USART1_RevDat;
void USART1_IRQHandler()
{
    USART1_RevDat=USART1->DR;
	USART_SendData(USART1,USART1_RevDat);
	while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_IT_RXNE)==RESET);  /* 等待发送完毕 */
}

4. 代码编译结果如下：

5. 实验完成串口数据接收和发送过程如下：

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