STM32的UART串口通信协议

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STM32的UART串口通信协议

2023-11-02 14:32| 来源: 网络整理| 查看: 265

文章参考: [基于STM32之UART串口通信协议（一）详解](https://www.cnblogs.com/ChurF-Lin/p/10793111.html)、[STM32入门教程(基于HAL库+CubeMX+MDK-ARM)](https://www.bilibili.com/video/BV1y7411m7gg?p=78)、[一文看懂stm32的引脚的两种用途：GPIO和AFIO](http://m.elecfans.com/article/677574.html)[、STM32端口复用和重映射](https://blog.csdn.net/qq_34692743/article/details/80495858)、[stm32端口复用和重映射](https://blog.csdn.net/williamgavin/article/details/79776654?utm_medium=distribute.pc_relevant_t0.none-task-blog-BlogCommendFromBaidu-1.add_param_isCf&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant_t0.none-task-blog-BlogCommendFromBaidu-1.add_param_isCf) 硬件：STM32F107VC( Cortex-M3) 软件：Keil μVision4，JLINK 一、计算机通信的基本概念将计算机技术和通信技术相结合，完成计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换，按照**数据传输方式**的不同，可分为**并行通信**和**串行通信**。串行通信按照数据同步的方式，又可分为**同步串行**和**异步串行**两种。

串口通信的数据传输方向：

①　单工方式：当进行数据传送时，只用一根数据线且只能进行单向传输的方式

②　半双工方式：当进行数据传送时，只用一根数据线利用不同时段进行双向传输的方式

③　全双工方式：当进行数据传送时，利用两根数据线同时进行发送和接收的方式，典型实例：UART。

1. 并行通信：

多位数据同时传输，传输控制简单，传输速度快，但是在长距离传输时硬件成本较高。

2. 串行通信：

数据逐位传输，传输线少，长距离传输时成本低，但数据的传输控制较复杂。

（1）同步串行通信

数据传输以数据块（一组字符）为单位，在一个数据块内，字符与字符间无间隔，收发双方依靠独立的时钟线进行信号的同步。由主机提供时钟与数据，从机使用该时钟接收数据或发送数据，即通信双方公用时钟源。例如：SPI和I2C就属于串行同步通信。适用于大批量的数据传输。

（2）异步串行通信

数据传输以单个字符为单位，字符与字符之间的间隙任意，字符内部每一位的持续的时间相同。收发双方不使用公共的参考时钟，通信双方分别有自己的时钟源。收发双方依靠事先约定的字符格式和通信速率来完成通信。例如USART就是属于串行异步通信。

** A. 异步串行通信的字符格式：**

一个字符帧包括：

* 起始位：

当未有数据发送时，数据线处于逻辑“1”状态；先发出一个逻辑“0”信号，表示开始传输字符。 * 数据位：

紧接着起始位之后。资料位的个数可以是4、5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。

奇偶校验位：

资料位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数（偶校验）或奇数（奇校验），以此来校验资料传送的正确性。

停止位：

一个字符数据的结束标志。可以是0.5位、1位、1.5位、2位的高电平。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。

注意：空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有资料传送，进入空闲状态。处于逻辑“0”状态，表示开始传送下一数据段。

常用字符格式：1位起始位，8位数据位，无奇偶校验，1位停止位。

B. 异步串行通信的通信速率：

波特率：每秒钟传送二进制数码的位数，以bit/s(bps)为单位。是衡量数据传送速率的指标，它用单位时间内载波调制状态改变的次数来表示。

常用的波特率有：9600、19200、38400、57600和115200。

时间间隔计算：1秒除以波特率得出的时间，例如，波特率为115200，表示每秒传输115200位，且每一位在数据线上持续实践，即时间间隔为Tbit=1s/ 115200 = 8.68us。

C. 异步串行通信的通信准确性

异步串行通信的两个关键点：字符格式，决定了字符中数据的传输方式；波特率，决定了字符中每一位数据的持续时间。

D. 异步串行通信的数据接收过程

接收过程的本质是数据采集，假设接收端的采样时钟是波特率的16倍。

①　接收过程由起始位的下降沿启动；

②　接收端等待8个时钟周期，以便建立一个接近比特周期中间的采样点；

③　接收端等待16个时钟周期，使其进入第一个数据位周期的中点；

④　第一个数据位被采样被存储在接收寄存器中；

⑤　串口模块在采样第二个数据位之前等待另外16个时钟周期；

⑥　重复此过程，直到所有数据位都被采样和存储；

⑦　由停止位的上升沿使数据线返回到空闲状态。

二、UART详解 1. UART简介

嵌入式开发中，UART串口通信协议是我们常用的通信协议（UART、I2C、SPI等）之一，全称叫做通用异步收/发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），是异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输，它能将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换，能够灵活地与外部设备进行全双工数据交换。

在此开发板中，是有USART（Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter通用同步异步收发器）串口的，USART相当于UART的升级版，USART支持同步模式，因此USART 需要同步始终信号USART_CK（如STM32 单片机），通常情况同步信号很少使用，因此一般的单片机UART和USART使用方式是一样的，都使用异步模式。因为USART的使用方法上跟UART基本相同，所以在此就以UART来讲该通信协议了。

USART主要特性：

全双工的，异步通信 NRZ标准格式分数波特率发生器系统可编程数据字长度(8位或9位) 可配置的停止位-支持1或2个停止位单线半双工通信可配置的使用DMA的多缓冲器通信 10个带标志的中断源四个错误检测标志多处理器通信 -- 如果地址不匹配，则进入静默模式从静默模式中唤醒(通过空闲总线检测或地址标志检测) 两种唤醒接收器的方式：地址位(MSB,第9位)，总线空闲 2. USART串口结构

串口收发单元主要利用发送数据寄存器TDR、接收数据寄存器RDR和发送数据引脚输出TX、接收数据输入引脚RX，以及三个通信状态位TXE、TC、RXNE来完成数据的接收和发送。

A. 引脚

　　**RX：**接收数据输入引脚就是串行数据输入引脚。通过过采样技术来区分有效输入数据和噪声，从而用于恢复数据。 **TX：**发送数据输出引脚。如果关闭发送器，该输出引脚模式由其 I/O 端口配置决定。如果使能了发送器但没有待发送的数据，则 TX 引脚处于高电平。在单线和智能卡模式下，该 I/O 用于发送和接收数据（USART 电平下，随后在 SW_RX 上接收数据）。

注意：

SCLK：发送器时钟输出引脚，仅适用于同步模式。该引脚用于输出发送器数据时钟，以便按照 SPI 主模式进行同步发送（起始位和结束位上无时钟脉冲，可通过软件向最后一个数据位发送时钟脉冲）。RX 上可同步接收并行数据。这一点可用于控制带移位寄存器的外设（如 LCD 驱动器）。时钟相位和极性可通过软件编程。在智能卡模式下，SCLK 可向智能卡提供时钟。

在硬件流控制模式下需要以下引脚：

nCTS：“清除以发送”，n表示低电平有效。如果使能CTS流控制，发送器在发送下一帧数据之前会检测nCTS引脚，如果为低电平，表示可以发送数据，如果为高电平，则在发送完当前数据帧之后停止发送。 nRTS：“请求以发送”，n表示低电平有效。如果使能RTS流控制，当USART接收器准备好接收新数据时就会将nRTS 变成低电平；当接收器已满时，nRTS 将被设置为高电平。

B. 通信状态位

在轮询方式下可以直接检测标志位；在中断方式下，需要中断服务程序中通过检测不同的中断标志位，来判断中断类型，然后执行后续的任务处理。

3. USART 工作原理

串口USART是APB1总线上的外设单元，通过波特率寄存器USART_BRR和串口控制寄存器USART_CRx（x=1,2,3）配置串口的波特率和工作模式。

通过数据的流向进行区分，在结构设计上采用了双缓冲结构，数据收发过程中，可同时写入新的数据或读取已接受的数据，提高数据的传输效率。

发送时，数据通过数据总线送入发送数据寄存器TDR，可按设定的波特率实现数据的发送，然后传送到发送移位寄存器完成数据转换，从并行数据转为串行输出，最后通过TX引脚发送。

接受时，数据通过RX引脚逐位送入接收移位寄存器，8位数据接收完成后，送入接收数据寄存器RDR，供用户读取，APB1总线读RDR寄存器可读到串口接收的数据。

串口的数据发送和接收状态保存在串口状态寄存器中，一般地，串口发送数据通过写TDR寄存器实现，而串口接收数据通过串口中断实现。

USART 支持 DMA 传输，可以实现高速数据传输。

4. USART的应用

USART直接和其他的控制器进行数据交换；

USART和PC机通信，由于PC机串口是RS232电平，所以连接时需要使用RS232转换器。

在开发板上，默认使用UART2和PC通信。使用的引脚如下图：

三、USART的编程 1. 配置USART参数

下面从库函数的层面来说明如何初始化IO口。在stm32f10x_usart.h里定义了 USART_InitTypeDef结构体变量。

typedef struct { uint32_t USART_BaudRate; /*!< This member configures the USART communication baud rate. The baud rate is computed using the following formula: - IntegerDivider = ((PCLKx) / (16 * (USART_InitStruct->USART_BaudRate))) - FractionalDivider = ((IntegerDivider - ((uint32_t) IntegerDivider)) * 16) + 0.5 */ uint16_t USART_WordLength; /*!< Specifies the number of data bits transmitted or received in a frame. This parameter can be a value of @ref USART_Word_Length */ uint16_t USART_StopBits; /*!< Specifies the number of stop bits transmitted. This parameter can be a value of @ref USART_Stop_Bits */ uint16_t USART_Parity; /*!< Specifies the parity mode. This parameter can be a value of @ref USART_Parity @note When parity is enabled, the computed parity is inserted at the MSB position of the transmitted data (9th bit when the word length is set to 9 data bits; 8th bit when the word length is set to 8 data bits). */ uint16_t USART_Mode; /*!< Specifies wether the Receive or Transmit mode is enabled or disabled. This parameter can be a value of @ref USART_Mode */ uint16_t USART_HardwareFlowControl; /*!< Specifies wether the hardware flow control mode is enabled or disabled. This parameter can be a value of @ref USART_Hardware_Flow_Control */ } USART_InitTypeDef;

USART_InitTypeDef这个结构体第一个变量名为USART_BaudRate，即为通信波特率设置，标准库函数会根据设定值计算得到USARTDIV值，从而设置USART_BRR的寄存器值，默认设置为115200。

USART_InitTypeDef这个结构体第二个变量名为USART_WordLength，数据帧字长设置，即为通信字符中的数据位的位数设置，它设定USART_CR1寄存器M位的值。如果没有使能奇偶位校验控制，一般使用8数据位。 USART_WordLength有以下2种：8位数据位和9位数据位。

#define USART_WordLength_8b ((uint16_t)0x0000) #define USART_WordLength_9b ((uint16_t)0x1000)

USART_InitTypeDef这个结构体第三个变量名为USART_StopBits，停止位设置，即为通信字符中的停止位的位数设置，停止位有0.5、1、1.5、2四种，默认设置为一个停止位。

#define USART_StopBits_1 ((uint16_t)0x0000) #define USART_StopBits_0_5 ((uint16_t)0x1000) #define USART_StopBits_2 ((uint16_t)0x2000) #define USART_StopBits_1_5 ((uint16_t)0x3000)

USART_InitTypeDef这个结构体第四个变量名为USART_Parity，奇偶校验控制选择，即为设置奇偶检验位。USART_Parity有以下三种：无奇偶检验、偶检验、奇检验，通常选择无奇偶校验。

#define USART_Parity_No ((uint16_t)0x0000) #define USART_Parity_Even ((uint16_t)0x0400) #define USART_Parity_Odd ((uint16_t)0x0600)

USART_InitTypeDef这个结构体第五个变量名为USART_Mode，USART模式选择设置。USART模式选择有以下2个选择：USART_Mode_Rx和USART_Mode_Tx，允许使用逻辑或运算选择两个，它设定 USART_CR1寄存器的 RE 位和 TE位。所以通常设置为收发模式。

#define USART_Mode_Rx ((uint16_t)0x0004) #define USART_Mode_Tx ((uint16_t)0x0008)

USART_InitTypeDef这个结构体第六个变量名为USART_HardwareFlowControl，硬件流控制选择设置，只有在硬件流控制模式下才有效，USART_HardwareFlowControl有以下4个选择：无，使能RTS、使能CTS、同时使能RTS和CTS。硬件流控可以控制数据传输的进程，防止数据丢失，该功能主要在收发双方传输速度不匹配的时候使用。默认选择无硬件流控。

#define USART_HardwareFlowControl_None ((uint16_t)0x0000) #define USART_HardwareFlowControl_RTS ((uint16_t)0x0100) #define USART_HardwareFlowControl_CTS ((uint16_t)0x0200) #define USART_HardwareFlowControl_RTS_CTS ((uint16_t)0x0300)

2. 初始化USART串口

配置步骤：

(1)打开GPIO和USART的时钟

(2)设置USART两个管脚GPIO模式

(3)配置USART数据格式、波特率等参数

(4)最后使能USART功能

void USART_Configuration(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; USART_InitTypeDef USART_InitStructure; /* 第1步：打开GPIO和USART部件的时钟 */ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOD | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); /* 使能USART2重映像，即IO复用 */ GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_USART2, ENABLE); RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2, ENABLE); /* 第2步：将USART Tx的GPIO配置为推挽复用模式 */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);//PD5-USART2_TX /* 第3步：将USART Rx的GPIO配置为浮空输入模式由于CPU复位后，GPIO缺省都是浮空输入模式，因此下面这个步骤不是必须的但是，我还是建议加上便于阅读，并且防止其它地方修改了这个端口线的设置参数 */ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure); /* 第3步已经做了，因此这步可以不做 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; */ GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);//PD6-USART2_RX /* 第4步：配置USART参数 - BaudRate = 115200 baud - Word Length = 8 Bits - One Stop Bit - No parity - Hardware flow control disabled (RTS and CTS signals) - Receive and transmit enabled */ USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200; //波特率为115200 USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; //设置数据位为8位 USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; //设置1位停止位 USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; //指定无校验位 USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//指定无流控制 USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;//开启串口接收和发送功能 USART_Init(USART2, &USART_InitStructure);//调用库函数USART_Init初始化USART2串口 /* 第5步：使能 USART，配置完毕 */ USART_Cmd(USART2, ENABLE); //调用库函数USART_Cmd开启串口USART2 /* CPU的小缺陷：串口配置好，如果直接Send，则第1个字节发送不出去如下语句解决第1个字节无法正确发送出去的问题 */ USART_ClearFlag(USART2, USART_FLAG_TC); /* 清除发送完成标志，Transmission Complete flag */ } 2.1 端口复用

**1）定义：**外部设备简称“外设”，是指连在计算机主机以外的硬件设备，比如键盘控制芯片，液晶，A/D转换芯片等等。对数据和信息起着传输、转送和存储的作用，是计算机系统中的重要组成部分。外设可通过单片机的I/O，SPI，I2C等总线控制。单片机内部的外设一般包括：串口控制模块，SPI模块，I2C模块，A/D模块，PWM模块，CAN模块，EEPROM，比较器模块等等，它们都集成在单片机内部，有相对应的内部控制寄存器，可通过单片机指令直接控制。

STM32有很多的内置外设，这些外设的外部引脚都是与GPIO复用的。也就是说，一个GPIO如果可以复用为内置外设的功能引脚，那么当这个GPIO作为内置外设使用的时候，就叫做复用。端口复用是将一个I/O赋予多个功能，通过设置I/O的工作模式来切换不同的功能。PD5和PD6引脚不用作GPIO，而用做复用功能USART2串口的TX，RX引脚使用的时候，就是端口复用。

** 2）端口复用设置步骤****（PD5和PD6引脚复用）：**

首先 GPIO 端口时钟使能**。**要使用到端口复用，当然要使能该端口的时钟了。RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOD, ENABLE); **复用的外设时钟使能。**要将端口 PD5，PD6复用为USART2串口，所以要使能串口时钟。RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2, ENABLE); 端口模式配置。GPIO_Init（）函数。

** 3）引脚GPIO模式设置**

从上面2幅图可以看出，PD5引脚复用为USART2串口发送，设置为推挽复用输出；PD6引脚复用为USART2串口接收，一般设置为浮空输入。

2.2 重映射

1）定义：重映射是将某些I/O口上面的功能映射到其他I/O口上面去，重映射的I/O都是厂家设置好的，不能自己更改。每个内置外设都有若干个输入输出引脚，一般这些引脚的输出端口都是固定不变的，为了让设计工程师可以更好地安排引脚的走向和功能，在STM32中引入了外设引脚重映射的概念，即一个外设的引脚除了具有默认的端口外，还可以通过设置重映射寄存器的方式，把这个外设的引脚映射到其它的端口。

** 2）重映射技术的需求背景：**

I/O的复用：GPIO和内置外设共用引出管脚 I/O的重映射：复用功能（AFIO）从不同的GPIO管脚引出方便了PCB的设计，减少了信号交叉干扰分时复用某些外设，虚拟地增加了端口数目为了使不同器件封装的外设IO功能数量达到最优，可以把一些复用功能重新映射到其他一些引脚上。STM32中有很多内置外设的输入输出引脚都具有重映射(remap)的功能。

** 3）AFIO重映射的操作步骤：**

使能重新映射到的I/O端口时钟

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOD , ENABLE);

使能被重新映射的外设时钟

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2, ENABLE);

使能AFIO功能的时钟（勿忘），用于“事件控制”、“重映射”、“调试IO配置”、“外部中断”时开启AFIO时钟。

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

进行重映射

GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_USART2, ENABLE);

** 4）部分重映射 & 完全重映射**

部分重映射：功能外设的部分引脚重新映射，还有一部分引脚是原来的默认引脚。完全重映射：功能外设的所有引脚都重新映射。

其中REMAP[1:0]=00表示没有重映像，REMAP[1:0]=01表示部分重映像，REMAP[1:0]=11表示完全重映像。

通过查看GPIO_PinRemapConfig(uint32_t GPIO_Remap, FunctionalState NewState) 第一个参数，来确定是部分映射还是完全重映射。 GPIO_partialRemap_XX是部分映射，GPIO_FullRemap_XX是完全重映射。

其中USART2串口重映射的参数只有GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_USART2, ENABLE);

3. USART的寄存器

在stm32f10x.h中定义了USART的相关寄存器，如下：

typedef struct { __IO uint16_t SR; uint16_t RESERVED0; __IO uint16_t DR; uint16_t RESERVED1; __IO uint16_t BRR; uint16_t RESERVED2; __IO uint16_t CR1; uint16_t RESERVED3; __IO uint16_t CR2; uint16_t RESERVED4; __IO uint16_t CR3; uint16_t RESERVED5; __IO uint16_t GTPR; uint16_t RESERVED6; } USART_TypeDef;

每个寄存器的描述如下：

USART的配置就是通过写相应寄存器的相应位实现的，寄存器每一位的定义和复位值如下：

（1）串口状态寄存器USART_SR（偏移地址0x0，复位值为0xC0）

32位的串口状态寄存器USART_SR只有第[9:0]位有效，如下图所示：

“读DR+读SR”或“写DR+读SR”是指连续性的两个操作，即“读DR”或“写DR”后，立即进行读SR的操作。

（2）串口数据寄存器USART_DR（偏移地址0x04）

32位的串口数据寄存器USART_DR只有第[8:0]位有效，用于发送串口数据时记为TDR，用于接收串口数据时记为RDR，TDR和RDR是映射到同一个地址的两个物理寄存器，通过读、写指令来区分使用了哪个寄存器，即读USART_DR时自动识别为RDR，写USART_DR时自动识别为TDR。

（3）波特率寄存器USART_BRR（偏移地址0x08，复位值为0x0）

32位的波特率寄存器USART_BRR只有第[15:0]位有效，其中，第[15:4]位记为DIV_Mantissa[11:0]，第[3:0]位记为DIV_Fraction[3:0]。波特率的计算公式为：波特率 = fck / (16×USART_DIV)，而USART_DIV = DIV_Mantissa + DIV_Fraction/16，对于USART2而言，fck ＝ PCLK1＝36MHz。如果波特率设为9600bps，则可配置DIV_Mantissa=234，DIV_Fraction=6；如果波特率设为115200bps，则可配置DIV_Mantissa=19，DIV_Fraction=8，实际波特率为115384bps，误差为0.15%（可接收范围内）。

（4）串口控制寄存器USART_CR1（偏移地址0x0C，复位值为0x0）

32位的串口控制寄存器USART_CR1只有第[13:0]位有效，如下图所示。