HAL+M4学习记录_5

news2025/1/10 20:27:46

一、串口

记录使用HAL库开发串口

1.1 简介

USART中文意思是通用同步异步收发器，常用串口是异步串口，简记为UART，是内部集成的硬件外设。使用两根通信线，发送端TX和接收端RX，工作时RX和TX交叉连接。由于计算机的USB接口协议与单片机的TTL协议不相容，需要用到USB转TTL模块
CH340模块

F407内部集成4个通用同步/异步收发器（USART1，USART2，USART3和USART6），2个通用异步收发器（UART4和UART5）。
USART对比

1.2 串口硬件框图

这里给出参考手册里面的串口硬件框图
串口硬件框图
由图可以得出以下信息

  • TX和RX接口分别用于数据的发送和接收
  • SW_RX接口用于智能卡模式下接收数据
  • IRAD_OUT和IRAD_IN接口用于IRAD模式下的数据发送和接收
  • RST和CTS接口用于硬件流控制
  • USART_BRR用于生成波特率

发送过程和接收过程如下

  • 发送过程
    数据先进入USART_TDR，同时TXE置零；再由USART_TDR进入USART_TSR并置位TXE；最后由USART_TSR经由TX发送出去
  • 接收过程
    数据先经由RX进入USART_RSR；再由USART_RSR进入USART_RDR，同时RXE置零；最后由USART_RDR进入总线被接受并置位RXE

1.3 串口参数及数据帧

数据帧具体包括以下参数

  • 波特率：串口通信速率
  • 起始位：固定为低电平
  • 数据位：1为高电平，0为低电平，低位先行，可配置数据位长度（8/9）
  • 校验位：数据位的最后一位
  • 停止位：固定为高电平，可设置停止位长度（0.5/1/1.5/2）

数据帧
这里给出江协科教程中的串口时序图
串口时序图

1.4 串口发送时序图

这里给出串口发送时序图，以理解TC和TXE行为
串口发送时序图
该图解读如下

  • 软件使能USART，USART外设就绪，TXE=1
  • 等待TXE=1标志，将F1数据写入DR同时TXE=0，数据F2就绪
  • DR中数据F1进入TX line发送出去同时TXE=1
  • 数据F2和数据F3按以上流程进行发送
  • 数据F3发送完成后，TC=1标志发送完成

1.5 串口接收

  • 起始位检测
    当识别到特定序列时才能检测起始位，该序列是1110X0X0X0000，在一位时间内进行16位采样，如下图所示
    起始位检测
    由图可以看出，先检测RX线的下降沿，检测到下降沿后的三个采样点中至少有2个为0能确定起始位，之后的三个采样点中至少有2个为0才能确定当前起始位有效。
  • 数据采样
    当一个数据帧接收完毕，配置RXNE=1，表明RSR为空，RDR正常接收到数据，可继续接收下一帧数据

二、串口的HAL库驱动

2.1 串口原理分析

根据stm32f4xx_hal_uart.c这一文件，给出USART外设的使用步骤

  • 通过HAL_UART_MspInit()进行UART外设硬件配置
  • 通过UART_HandleTypeDef进行UART外设配置

GPIO复用

注意：这里使用的是USART1，该外设是复用在GPIOA上，需要映射复用输入7（AF7）。串口发射脚需要产生高低电平，应设置为推挽输出模式；串口空闲帧为高电平，开发板RX脚未接上拉电阻，因此接收脚设置为上拉模式。

2.2 HAL库代码编写

  • uart.c文件
/*
*********************************************************************************************************
*	                                   Module Description
*
*	串口模块，开发板串口接口为PA9和PA10引脚，分别为USART1_TX和USART1_RX
*********************************************************************************************************
*/
#include "bsp.h"

/* private function prototypes */
void uart_Config();
/*
**********************************************************************************
*   @brief    板载串口初始化
*   @param	  None
*   @return	  None
*   @note	  
**********************************************************************************
*/
void bsp_InitUart()
{
	uart_Config();
}

/*
**********************************************************************************
*   @brief    将USART1外设配置为UART
*				-数据位8字节
*				-1字节停止位
*				-无校验位
*				-波特率9600
*				-禁用硬件流控制
*   @param	  None
*   @return	  None
*   @note	  
**********************************************************************************
*/
void uart_Config()
{
	UART_HandleTypeDef UART_HandleStructure;
	UART_HandleStructure.Instance = USART_DEBUG;					// UART寄存器基址
	UART_HandleStructure.Init.BaudRate = USART_BAUDRATE;			// UART波特率
	UART_HandleStructure.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;		// 禁用硬件流控制
	UART_HandleStructure.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;				// 收发模式
	UART_HandleStructure.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;			// 禁用校验位
	UART_HandleStructure.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;			// 1字节停止位
	UART_HandleStructure.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;		// 8字节数据位
	UART_HandleStructure.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;	// 过采样
	
	if(HAL_UART_Init(&UART_HandleStructure) != HAL_OK)
	{
		Error_Handler();
	}
}

/*
**********************************************************************************
*   @brief    配置UART底层硬件参数，完成时钟使能、引脚配置和中断配置
*   @param	  hurt：UART寄存器基址
*   @return	  None
*   @note	  此函数原为弱定义，经重定义后即为实际被
*			  HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart)函数调用
**********************************************************************************
*/
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	if(huart->Instance == USART_DEBUG)
	{
		/* 开启硬件时钟 */
		USART1_CLK_ENABLE();
		USART1_TX_GPIO_CLK_ENABLE();
		USART1_RX_GPIO_CLK_ENABLE();
		/* 配置引脚 */
		GPIO_InitStructure.Pin 			= USART1_TX_PIN;		// TX引脚
		GPIO_InitStructure.Mode 		= GPIO_MODE_AF_PP;		// 复用推挽
		GPIO_InitStructure.Pull			= GPIO_PULLUP;			// 上拉模式
		GPIO_InitStructure.Alternate	= USART1_TX_AF;			// 复用映射
		GPIO_InitStructure.Speed		= GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;	// 高速
		HAL_GPIO_Init(USART1_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
		
		GPIO_InitStructure.Pin			= USART1_RX_PIN;		// RX引脚
		GPIO_InitStructure.Alternate	= USART1_RX_AF;			// 复用映射
		HAL_GPIO_Init(USART1_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
		
	}
}

/*
**********************************************************************************
*   @brief    重定向c库函数fputc，可以使用printf函数从串口1打印输出
*   @param	  None
*   @return	  None
*   @note	  
**********************************************************************************
*/
int fputc(int ch, FILE *f)
{
	while((USART1->SR & 0X40) == 0);	// 等待上一个字符发送完成
	USART1->DR = (uint8_t)ch;			// 将要发送的字符写入DR
	return ch;
}
  • uart.h文件
#ifndef __BSP_UART_FIFO_H
#define __BSP_UART_FIFO_H

/* private define */
#define USART_DEBUG						USART1
#define USART_BAUDRATE					115200
#define USART1_CLK_ENABLE()				do{__HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();}while(0)

#define USART1_TX_GPIO_CLK_ENABLE()		do{__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();}while(0)
#define USART1_TX_GPIO_PORT				GPIOA
#define USART1_TX_PIN					GPIO_PIN_9
#define USART1_TX_AF					GPIO_AF7_USART1

#define USART1_RX_GPIO_CLK_ENABLE()     do{__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();}while(0)
#define USART1_RX_GPIO_PORT             GPIOA
#define USART1_RX_PIN                   GPIO_PIN_10
#define USART1_RX_AF                    GPIO_AF7_USART1

/* public statement */
void bsp_InitUart();

#endif

以上即完成了USART1作UART的配置，在main函数中即可使用printf函数经串口打印数据。

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