单片机（学习）2024.10.11

news2024/11/25 14:59:11

目录

按键

按键原理

按键消抖

1.延时消抖

2.抬手检测

通信

1.通信是什么

2.电平信号和差分信号

3.通信的分类

 (1)时钟信号划分

 同步通信

 异步通信

(2)通信方式划分

串行通信

并行通信

(3)通信方向划分

单工

半双工

全双工

4.USART和UART（串口通信）

(1)串口通信协议

(2)三种逻辑电平标准

1.TTL

2.RS-232

3.RS-485

(3)三种电平协议下的硬件连接

 1.TTL电平标准下的硬件物理层——uart

2.RS232电平标准下的硬件物理层

3.RS485电平标准下的硬件物理层

RS-485收发器

RS-485数据链路

5.USART功能框图

发送过程

接收过程

6.串口相关寄存器

(1)串口控制寄存器---数据位长度、校验位、停止位

(2)波特率设置寄存器

(3)中断和状态寄存器

(4)数据发送寄存器

(5)数据接收寄存器

练习：循环发送A-Z到串口助手

7.HAL库函数实现发送和接收

发送

接收

8.printf的重定向

按键

按键原理

当按键未按下，PC9为高电平

当按键被按下，PC9为低电平

1. 先将PC9设置为输入模式

2. 进行输入检测

3. 当检测到PC9为低电平时，将PC13的电平翻转

按键消抖

任何的机械按键都会有抖动，而且人手按下抬起并不是一瞬间的，人抬手是需要反应时间的，所以会导致按下的低电平时间过长，导致多次误进if判断语句，所以会多次切换状态，导致误判。

1.延时消抖

if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC,GPIO_PIN_9)==0)
{
    HAL_Delay(100);
    if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC,GPIO_PIN_9)==0)
    {
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA,GPIO_PIN_15);
    }
}

2.抬手检测

检测到抬手动作后再进行灯的电平翻转

if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC,GPIO_PIN_9)==0)
{
    while(!HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC,GPIO_PIN_9));
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA,GPIO_PIN_15);
}

通信

1.通信是什么

至少有收发双方，进行信号 数据的交互

2.电平信号和差分信号

1.电平信号：电平信号有一根是参考电平线，信号线的信号值有信号线和参考电平线之间的电压差决定；

2.差分信号：差分信号没有参考电平线，传输一路数据需要两根信号线，信号线的信号值由两根信号线的电压差决定。

区别：

(1)信号值的表示不同:电平信号的信号值是信号线和参考电平线的电压差决定；差分信号的信息值是由两条信号线的电压差决定；

(2)传输相同路数的信号，电平信号用的数据线根数比差分信号少。比如传输3路信号，电平信号需要1根参考电平+3根数据线；而差分信号需要2x3=6根数据线；

(3)现在通信大部分是差分信号，因为差分信号的抗干扰性更强，可以在更短的周期传输一个数据。

3.通信的分类

 (1)时钟信号划分

 同步通信

通信双方根据同步信号通信，比如双方有一个共同的时钟信号(SPI全双工 I2C半双工)

 异步通信

通信双方有自己独立的系统时钟，大家约定好通信的速度。异步通信不需要同步信号，但是并不是说通信的过程不同步（UART）

(2)通信方式划分

串行通信

串行通信：指的是同一时刻只能收或发一个bit位信息。因此只用1根信号线即可。

串行传输：数据一位一位串起来，逐个传输，数据按位顺序传输。

优点：占用引脚资源少

缺点：速度相对较慢

并行通信

并行通信：指的是同一时刻可以收或发多个bit位的信息，因此需要多根信号线才行

并行传输：使用多根线同时传输一个字的多个位，如 8 根线一次传输 8 个位。

优点：速度快

缺点：占用引脚资源多

(3)通信方向划分

单工

要么收，要么发，只能做接收设备或者发送设备。比如收音机

一根信号线只能单向发送或单向接收

半双工

可以收，可以发，但是不能同时收发， 比如对讲机

一根信号线可以接收数据也可以发送数据，但是两者不能同时进行

全双工

可以在同一时刻既接收，又发送。 手机

两根信号线，一根发送数据，另一根接收数据，真正实现同时收发数据，速度快

4.USART和UART（串口通信）

USART: 支持同步\异步通信、全双工、串行

UART ：没有时钟线，只支持异步通信、全双工、串行

实际上他们是一种被包含的关系，当USART选择放弃其时钟线的时候就是UART

(1)串口通信协议

波特率：衡量通信速度，它表示每秒钟传送的bit的个数。码元/s 9600 115200 4800 bit/s
数据位：表示通信中实际数据位的个数，一般为5、7和8位。
起始、停止位：数据包从起始位开始，到停止位结束。停止位典型的值为1，1.5和2位。
奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。

(2)三种逻辑电平标准

1.TTL

TTL电平标准：逻辑1：2.4V--5V

                        逻辑0：0V--0.5V

2.RS-232

RS-232电平标准：逻辑0：+3V～+15V

                             逻辑1：-3V～-15V

rs232 的逻辑电平和TTL 不一样但是协议一样

3.RS-485

RS-485仅是一个电气标准，描述了接口的物理层，像协议、时序、串行或并行数据以及链路全部由设计者或更高层协议定义。

RS-485定义的是使用平衡多点传输线的驱动器和接收器的电气特性。

RS-485能够进行远距离传输主要得益于使用差分信号，通过共模抑制进行传输，当有噪声干扰时仍可以使用线路上两者差值进行判断，使传输数据不受噪声干扰。

RS-485是半双工、电气协议，二线制差分信号

RS-485电平标准：逻辑1：+2V–+6V

                              逻辑0： -6V— -2V

实际传输的数据是通过判断这两条信号线上的电压差来实现的，RS-485总线弥补了RS-232通信距离短，速率低的缺点，RS-485的速率可高达10Mbit/s，理论通讯距离可达1200米；RS-485和RS-232的单端传输不一样，是差分传输，使用一对双绞线

(3)三种电平协议下的硬件连接

 1.TTL电平标准下的硬件物理层——uart

现在的Soc都内置了串口控制器，串口数据线一般都是两根线，一根发送(TX)一根接收(RX)，用的TTL电平，当然也会有一根地线；

需要注意的是：

有的串口还有CTS、RTS接口，这是和自动流控相关，不是必要功能，用于保证数据传输的正确性，现在基本不用了，因为串口常用作打印输出或者用于连接低速的设备，对数据正确性没有太高要求；

因为uart外设本来输出的就是TTL电平，所以也称这种连线方式叫UART

uart特点：

因为是异步通信，所以通信速度较慢

不需要进行电平协议的转换，所以电路简单

为什么还要有RS-232、RS-485

(1)串口协议只是规定了数据传输时的协议，也就是规定了先传输1还是先传输0的问题，但是什么电压表示数据1，什么电压表示0，这并没有做规定；

(2)UART是相对于Soc这端来说的，Soc端集成了串口控制器，控制器支持串口协议(比如开始位、停止位、数据位、校验位等)，用的是TTL电平；

(3)实际中两个设备的串口控制器要通信，中间是有一段距离的，Soc的引脚一般电平都比较低，数据能传输的有效距离很短；并且不同的设备所使用的电压也不一样，不能直接相连；

(4)需要中间电路负责来解决电压不匹配、传输距离等问题，于是有了RS232、RS485；

(5)RS232、RS485都是从电气层面(也就是物理器件)来区分的，具体的通信协议都是串口协议，但是使用的电压范围、是电平信号还是差分信号等不同；

2.RS232电平标准下的硬件物理层

(1)RS232是串口协议在电气层面的实现，RS-232标准接口定义了电压范围，规定逻辑“1”的电平为-5V~-15 V，逻辑“0”的电平为+5 V～+15V；

(2)Soc的串口引脚一般是3.3V或者5V的电压，所以Soc的串口引脚要使用RS232必须添加TTL电平转RS232电平的转换芯片；

(3)RS232的接口有多种(DB9接口、四线接口、三线接口)，但是起主要作用的都是TX和RX引脚，可以简单理解成，RS232和UART的区别就是使用的电压范围不一样；

DB9接口有9根线，最主要的就是RXD和TXD，其余的线是用于保证数据传输的正确性

 RS232特点

(1)优点：RS232标准接口的传输距离更长，在15米左右；

(2)接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换芯片才能与Soc的串口引脚连接；

3.RS485电平标准下的硬件物理层

RS-485收发器

RS-485是差分传输，如果用单片机控制RS-485接口的设备，需要用到收发器，这一点和CAN总线是类似的，如下是一个MCU控制一个RS-485的图示。

RS-485数据链路

上面讲到的RS-485收发器的工作原理，下面简单描述RS-485的数据链路。主机发送给从机或者从机发送给主机，都会占用到A和B线，所以RS-485多用在半双工模式。

TTL到485的转换同样需要电平转换芯片来做，下面是常用的一个MAX485电平转换芯片原理图。

特点

RS485传输距离长，抗干扰能力强、通信速率高

5.USART功能框图

UART数据发送和接收的流程

Tx：数据发送端

Rx：数据接收端

发送过程

由CPU或者DMA往TDR中写入数据

然后由硬件自动检测发送移位寄存器中是否有数据正在移位，

如果此时有数据正在移位，则数据等待当前移位寄存器移位完成后再往移位寄存器中放，此过程也是硬件执行。当TDR中的数据放到移位寄存器中的那一刻，TDR空，这时候标志位TXE置1，它来表示发送数据寄存器空。

如果此时没有数据正在移位，则直接由硬件将TDR中的数据放到发送移位寄存器中。

需要注意的是当TDR中的数据在等待往移位寄存器中放的时候，如果此时CPU或者DMA继续向TDR中写入数据，会将TDR中的数据覆盖掉。

接收过程

首先数据线通过RX口连到接收移位寄存器

接收移位寄存器对紫色线的电平进行读取，将读取到的数据放到最高位，读下一位数据时，先把已有的位整体往右移一位，然后再将读到的数据放到最高位，以此往复，直到读满8位。

读满八位以后整体往RDR中放，此时RDR非空，标志位RXNE置1，它来表示RDR非空。

6.串口相关寄存器

(1)串口控制寄存器---数据位长度、校验位、停止位

字长设置由M1\M0共同决定

校验位设置

停止位设置

(2)波特率设置寄存器
(3)中断和状态寄存器

USART_ISR

第七位：发送数据标记，当发送数据寄存器为空，这个位置为1，也就是数据写入到发送数据寄存器之后，发送数据移位寄存器，从发送数据寄存器中将数据全部移走之后ISR第七位置1

第五位：接收数据标记，当接收数据寄存器非空，这个位置为1，数据被接受数据移位寄存器搬到接收数据寄存器中以后，ISR第五位置1

(4)数据发送寄存器

USART_TDR 决定发送的数据：将要发送的数据写入

(5)数据接收寄存器

USART_RDR决定接收的数据：将要接收数据的读取

练习：循环发送A-Z到串口助手

void sendChar(char ch)
{
while(USART1->ISR);
USART1->TDR=ch;
}

int main(void)
{
  HAL_Init();

  SystemClock_Config();
  SystemPower_Config();

  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();

  char ch='A';
 
  while (1)
  {
    sendChar(ch);
    ch++;
    if(ch >'Z')
    {
    ch='A';
    }
  }

}

出现乱码的原因：

数据往TDR中写入的速度过快，导致数据还没来得及往移位寄存器中放，就被覆盖了。

解决方法：

在CPU往TDR中写入数据之前，先判断TDR是否为空

因为TXE标志位置1时标志着TDR空。

所以在往TDR中写入数据之前用while卡死，退出的条件为，检测到TXE置1

void sendChar(char ch)
{
    while(!(USART1->ISR & (1<<7)));//等待TXE置1，即TDR空
    USART1->TDR=ch;
}

7.HAL库函数实现发送和接收

发送

HAL_UART_Transmit(&huart1,buf,32,100)

&huart1：句柄

buf：要发送的字符串或数组名

32：要发送的数据的大小

100：超时时间

接收

HAL_UART_Receive(&huart1,buf,32,100)

&huart1：句柄

buf：接受的容器

32：容器的大小

100：超时时间

8.printf的重定向

int printf(const char * format,...)

printf函数底层调用的是fputc函数，fputs是将要发送的数据写入到标准输出流stdout

int fputc(int /*c*/, FILE * /*stream*/)

因此如果想让printf将数据输出到串口，需要重写fputc

WEAK弱符号

weak 顾名思义是“弱”的意思，所以如果函数名称前面加上__weak 修饰符，我们一般称这个函数为“弱函数”。

加上了__weak 修饰符的函数，用户可以在用户文件中重新定义一个同名函数，最终编译器编译的时候，会选择用户定义的函数，如果用户没有重新定义这个函数，

那么编译器就会执行__weak 修饰的函数，并且编译器不会报错。

自己写个重定向函数

int fputc(int ch, FILE * p)
{
    while(!(USART1->ISR & 1<<7));//等待TDR为空，即TXE置1，跳出while，然后往TDR中放数据
    USART1->TDR=ch;
}

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