【江协STM32】9-1/2/3 USART串口协议、USART外设、串口发送串口发送+接收

1. 通信接口

通信的目的：将一个设备的数据传送到另一个设备，扩展硬件系统
通信协议：制定通信的规则，通信双方按照协议规则进行数据收发
全双工：指通信双方能够同时进行双向通信。发送线路和接收线路互不影响，一般有两根数据传输线
半双工：一般只有一根数据传输线
单工：指数据只能从一个设备到另一个设备，不能反过来

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

2.1 硬件电路

简单双向串口通信有两根通信线（发送端TX和接收端RX）
TX和RX是单端信号，它们的高低电平都是相对于GND的
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

2.2 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）

如果需要其他的电平，加电平转换芯片即可，在软件层面都属于串口，不影响程序。

2.3 串口参数及时序

波特率：串口通信的速率，决定了每隔多久发送一位数据
起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平。串口的空闲状态是高电平，需要传输时，必须先发送一个低电平的起始位。
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。串口中，每个字节都装载在一个数据帧内，每个数据帧都由起始位、数据位和停止位组成。数据位有8位，在数据位的最后还可以加一个奇偶校验位，这样数据位就是9位。
校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来，计算1的个数。校验可以选择3种方式，无校验、奇校验和偶校验。如果使用奇校验，那么包括校验位在内的9位数据会出现奇数个1，比如传输0000 1111，那么校验位为1，如果数据是0000 1110，那么校验位为0。
停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平。可以选择1位、1.5位、2位等

3. USART外设

USART（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。波特率常用9600或115200
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
STM32F103C8T6 USART资源： USART1（APB2总线，f_PCLK2=72MHz）、 USART2（APB1总线，f_PCLK1=36MHz）、 USART3（APB1总线）

3.1 数据帧

当输入电路侦测到一个数据帧的起始位后，就会以波特率的频率连续采样一帧数据。同时，从起始位开始，采样位置要对齐到位的正中间。首先以波特率的16位频率进行采样，也就是在一位的时间里可以进行16次采样。最开始，空闲状态为高电平，采样值为1，某个位置采到0，开始在起始位进行16次采样，如果没有噪声，这16次采样均为0。由于实际电路存在噪声，接收电路会在下降沿后的第3、5、7次进行一批采样，在第8、9、10次再进行一批采样，且这两批采样均要求每3位至少有两个0，如果3位里面有两个0一个1，也算检测到了起始位，但会在状态寄存器内置噪声标志位NE(Noise Error)为1。如果3位里面只有1个0，就不算检测到起始位，重新检测。

如果通过了起始位侦测，那么接收状态就由空闲变为接收起始位。同时，第8、9、10次采样的位置正好是起始位的正中间。之后接收数据位时，就均在第8、9、10次进行采样，这样就可以保证采样位置在位的正中间了。

从1到16是一个数据位的时间长度，在一个数据位有16个采样时钟，由于起始位侦测已经对齐了采样时钟，所以直接在第8、9、10次采样数据位。没有噪声的理想情况下，三次采样全为0或全为1。如果有噪声，2次为1就认为收到了1，2次为0就认为收到了0，并且噪声标志位NE置1。

3.2 波特率发生器

发送器和接收器的波特率由波特率寄存器BRR里的DIV确定
计算公式：波特率 = f_PCLK2/1 / (16 * DIV)
比如要配置USART1为9600的波特率，9600 = 72M / (16 * DIV)，解得DIV=468.75

4. 数据模式

HEX模式/十六进制模式/二进制模式：以原始数据的形式显示
文本模式/字符模式：以原始数据编码后的形式显示

5. 串口发送

5.1 接线图

根据引脚定义表，USART1_TX是PA9，USART1_RX是PA10。PA9是STM32的TX发送，所以接到串口模块的RXD接收。PA10是STM32的RX接收，所以接到串口模块的TXD发送。两个设备之间要把负极接在一起，进行共地。最后，串口模块和STLINK都要插在电脑上，使两者均有独立供电。

5.2 代码

USART初始化流程：

开启时钟，USART（APB2）和GPIO
配置GPIO，TX配置为复用输出，RX配置为输入
配置USART
开启USART

配置参数：9600波特率、8位字长、无校验、1位停止位、无流控、只有发送模式

Serial.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

void Serial_Init(void)
{
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    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);
    
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;//    波特率
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//   不使用流控
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//   校验位
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//    停止位
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//   字长。不需要校验，所以选8位即可
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
    
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

//  发送字节
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
    USART_SendData(USART1, Byte);// 调用此库函数，Byte变量就写入TDR了，写完后需要等待TDR数据转移至移位寄存器。如果数据在TDR内再写入数据，会产生数据覆盖
    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);//  发送数据寄存器(TDR)空标志位
    //  这里标志位置1后不需要手动清零，当下一次再SendData时，此标志位会自动清零
}

//  发送数组
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length)// 指向待发送数组的首地址。由于数组无法判断是否结束，所以需要传递一个Length进来
{
    uint16_t i;
    for(i = 0; i < Length; i++)
    {
        Serial_SendByte(Array[i]);
    }
}

//  发送字符串
void Serial_SendString(char *String)//  由于字符串自带一个结束标志位，所以不需要传递长度参数
{
    uint8_t i;
    for(i = 0; String[i] != 0; i++)//   循环条件用结束标志位来判断。这里数字0对应空字符，是字符串的结束标志位。如果不等于0，就是还没结束，进行循环
                                   //   这里数据0也可以写成字符形式，就是'\0'，这就是空字符的转义字符表示形式for(i = 0; String[i] != '\0'; i++)，和直接写0最终效果是一样的
    {
        Serial_SendByte(String[i]);
    }
}

//  计算次方函数
uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{
    uint32_t Result = 1;
    while(Y--)
    {
        Result *= X;
    }
    return Result;
}

//  发送数字
void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
{
    //  需要把Number的个位、十位、百位等以十进制拆分开，然后转换成字符数字对应的数据，依次发送
    uint8_t i;
    for(i = 0; i < Length; i++)
    {
        Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');//    最终要以字符的形式发送，所以最后要加上字符的偏移，根据ASCII码表，字符0对应的数据是0x30，也可以以字符的形式写'0'
    }
}

Serial.h

#ifndef __SERIAL_H
#define __SERIAL_H

void Serial_Init(void);
void Serial_SendByte(uint8_t Byte);
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length);
void Serial_SendString(char *String);
uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y);
void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length);

#endif

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device 
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"

int main(void)
{
	OLED_Init();
    Serial_Init();
    
    Serial_SendByte(0x41);//    调用此函数后，TX引脚就会产生一个0x41对应的波形，此波形可以发送给其他支持串口的模块，也可以通过USB转串口模块发送到电脑端
    
    uint8_t MyArray[] = {0x42, 0x43, 0x44, 0x45};
    Serial_SendArray(MyArray, 4);
    
    Serial_SendString("HelloWorld!\r\n");// 写完字符串后，编译器会自动补上结束标志位，所以字符串的存储空间，会比字符的个数大1
                                     // 如果需要换行，使用转义字符\r \n
    Serial_SendNumber(12345, 5);
    
	while(1)
	{
	}
}

其他引用的头文件和c代码可在此处查阅：OLED.h（【江协STM32】4 OLED调试工具，第5节）、 Delay.h（【江协STM32】3-2 LED闪烁&LED流水灯&蜂鸣器，第1.3节）

5.3 printf函数的移植

使用printf前，需要打开工程选项，勾选“Use MicroLIB”。MicroLIB是Keil为嵌入式平台优化的一个精简库。

然后还需要对printf进行重定向，将printf函数打印的内容输出到串口。首先，在串口模块的最开始加上“#include <stdio.h>”（c文件和h文件都需要加）。之后，在串口模块内重写fputc函数即可，代码如下。因为fputc是printf函数的底层，printf函数在打印的时候，就是不断调用fputc函数一个个打印的，所以将fputc函数重定向到了串口，printf函数自然就输出到串口了。

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

此时便可以直接在主函数中使用printf函数，例如：printf("Num = %d\r\n", 666); 这种方式是最常用的方法。

上述printf函数的移植方法，printf重定向到串口1后，串口2就没有了。如果想要在多个串口上使用printf，可以使用下面的方法。

sprintf可以把格式化字符输出到一个字符串里，所以可以先定义一个字符串，然后sprintf中第一个参数是打印输出的位置，之后参数就和printf一样了，最后再把字符串通过串口发送出去，代码如下。

    char String[100];// 首先定义一个字符串，长度给够
    sprintf(String, "Num = %d\r\n", 666);// 将格式化字符串保存到String中
    Serial_SendString(String);//    将字符串通过串口发送出去，可以更改此函数的串口

可以将上述三行代码封装一下，简化使用过程。封装过程：首先在串口模块中添加头文件“#include <stdarg.h>” ，然后在最后对sprintf函数进行封装，代码如下

void Serial_Printf(char *format, ...)
{
    char String[100];
    va_list arg;//    定义一个参数列表变量
    va_start(arg, format);//    从format位置开始接收参数表，放在arg内
    vsprintf(String, format, arg);
    va_end(arg);//    释放参数表
    Serial_SendString(String);//    发送String
}

此时便可以直接在主函数中使用“Serial_Printf("Num = %d\r\n", 666); ”进行打印。

5.4 汉字显示乱码

文档汉字编码格式UTF8。最终发送到串口，汉字会以UTF8的方式编码，所以在串口助手也要选择UTF8才能解码正确。

直接在printf函数中写汉字，编译器有时会报错，解决方法是打开工程选项，C/C++，杂项控制栏内写上“--no-multibyte-chars”

另外，如果要切换文档编码格式。切换文档编码格式后，需要把汉字删掉，再把文件关掉，重新打开，编码格式才算改过来。

文档使用GB2312编码格式时，串口助手的解码要选择GBK。

6. 串口发送+接收

6.1 接线图

6.2 代码

在上一节代码的基础上添加接收部分的代码。

首先，GPIO要使用RX的引脚（PA10），引脚模式可以选择浮空输入或上拉输入。USART初始化中，模式部分增加串口模式RX。对于串口接收来说，可以使用查询和中断两种方法。

6.2.1 查询方法

查询的流程是，在主函数中不断判断RXNE标志位，如果置1就说明收到了数据，再读取DR寄存器即可。

Serial.c（更改后的初始化函数）

void Serial_Init(void)
{
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    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);
    
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;//    波特率
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//   不使用流控
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;//   同时开启发送和接收
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//   校验位
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//    停止位
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//   字长。不需要校验，所以选8位即可
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
    
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device 
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"

uint8_t RxData;

int main(void)
{
	OLED_Init();
    Serial_Init();
	while(1)
	{
		if(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == SET)
        {
            RxData = USART_ReceiveData(USART1);//   将接收到的一个字节的数据保存在RxData中
            //  读DR时会自动清空RXNE标志位，所以这里不需要再清除标志位了
            OLED_ShowHexNum(1, 1, RxData, 2);
        }
	}
}

适用于程序比较简单的情况。

6.2.2 中断方法

首先，在初始化中需要加上开启中断的代码，开启RXNE标志位到NVIC的输出。之后配置NVIC，写中断函数。

Serial.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <stdio.h>

uint8_t Serial_RxData;
uint8_t Serial_RxFlag;

void Serial_Init(void)
{
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    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);
    
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;//    波特率
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//   不使用流控
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;//   同时开启发送和接收
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//   校验位
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//    停止位
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//   字长。不需要校验，所以选8位即可
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
    
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//    开启RXNE标志位到NVIC的输出
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitSturcture;
    NVIC_InitSturcture.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;//    中断通道
    NVIC_InitSturcture.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_InitSturcture.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    NVIC_InitSturcture.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_Init(&NVIC_InitSturcture);
    
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

//  发送字节
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
    USART_SendData(USART1, Byte);// 调用此库函数，Byte变量就写入TDR了，写完后需要等待TDR数据转移至移位寄存器。如果数据在TDR内再写入数据，会产生数据覆盖
    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);//  发送数据寄存器(TDR)空标志位
    //  这里标志位置1后不需要手动清零，当下一次再SendData时，此标志位会自动清零
}

//  发送数组
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length)// 指向待发送数组的首地址。由于数组无法判断是否结束，所以需要传递一个Length进来
{
    uint16_t i;
    for(i = 0; i < Length; i++)
    {
        Serial_SendByte(Array[i]);
    }
}

//  发送字符串
void Serial_SendString(char *String)//  由于字符串自带一个结束标志位，所以不需要传递长度参数
{
    uint8_t i;
    for(i = 0; String[i] != 0; i++)//   循环条件用结束标志位来判断。这里数字0对应空字符，是字符串的结束标志位。如果不等于0，就是还没结束，进行循环
                                   //   这里数据0也可以写成字符形式，就是'\0'，这就是空字符的转义字符表示形式for(i = 0; String[i] != '\0'; i++)，和直接写0最终效果是一样的
    {
        Serial_SendByte(String[i]);
    }
}

//  计算次方函数
uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{
    uint32_t Result = 1;
    while(Y--)
    {
        Result *= X;
    }
    return Result;
}

//  发送数字
void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
{
    //  需要把Number的个位、十位、百位等以十进制拆分开，然后转换成字符数字对应的数据，依次发送
    uint8_t i;
    for(i = 0; i < Length; i++)
    {
        Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');//    最终要以字符的形式发送，所以最后要加上字符的偏移，根据ASCII码表，字符0对应的数据是0x30，也可以以字符的形式写'0'
    }
}

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

//  实现Serial_RxFlag标志位读后自动清除
uint8_t Serial_GetRxFlag(void)
{
    if(Serial_RxFlag == 1)
    {
        Serial_RxFlag = 0;
        return 1;
    }
    return 0;
}

uint8_t Serial_GetRxData(void)
{
    return Serial_RxData;
}

//  中断函数
void USART1_IRQHandler(void)
{
    if(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)
    {
        Serial_RxData = USART_ReceiveData(USART1);
        Serial_RxFlag = 1;//    置标志位为1
        USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);//   清除标志位
    }
}

Serial.h

#ifndef __SERIAL_H
#define __SERIAL_H
#include <stdio.h>
void Serial_Init(void);
void Serial_SendByte(uint8_t Byte);
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length);
void Serial_SendString(char *String);
uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y);
void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length);

uint8_t Serial_GetRxFlag(void);
uint8_t Serial_GetRxData(void);
    
#endif

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device 
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"

uint8_t RxData;

int main(void)
{
	OLED_Init();
    Serial_Init();
    OLED_ShowString(1, 1, "RxData:");
	while(1)
	{
		if(Serial_GetRxFlag() == 1)
        {
            RxData = Serial_GetRxData();//   将接收到的一个字节的数据保存在RxData中
            //  读DR时会自动清空RXNE标志位，所以这里不需要再清除标志位了
            Serial_SendByte(RxData);//  串口接收回传
            OLED_ShowHexNum(1, 8, RxData, 2);
        }
	}
}

目前这里只支持1个字节的接收，对于大量数据需要用数据包的形式进行传输。

其他引用的头文件和c代码可在此处查阅：OLED.h（【江协STM32】4 OLED调试工具，第5节）、 Delay.h（【江协STM32】3-2 LED闪烁&LED流水灯&蜂鸣器，第1.3节）