STM32调试串口 |
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STM32调试串口
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16.1 关于 USART/UART
在嵌入式中，很多MCU和外设模块都集成有UART外设。STM32F103有3个通用同步异步收发器（Universal synchronous asynchronous receiver transmitter，USART），2个通用同步异步收发器（Universal asynchronous receiver transmitter，UART）。USART和UART的主要区别在于，USART支持同步通信，该模式有一根时钟线提供时钟。串口在嵌入式中经常使用，一般使用UART就足够了，常见的用途如下： 作为调试口，打印程序运行的状态信息；连接串口接口的模块（比如GPS模块），传输数据；通过电平转换芯片变为RS232/RS485电平，连接工控设备；STM32F103系列不同USART所支持的功能如表 16.1.1 所示。 ②：波特率发生器 通过设置USART_BRR寄存器的值，实现串口通信数据传输速率的设置。由《参考手册》可知计算公式为： 其中“1”为波特率，“2”为该外设USART的时钟频率，3”为USART_BRR寄存器的值。 假设所需波特率为115200，当前USART时钟为72MHz，则USARTDIV=72000000/(115200*16)=39.0625。USART_BRR寄存器使用高12位[15:4]存放整数部分，低4位[3:0]存放小数部分，小数部分每一位对应1/2⁴=0.0625。因此，整数39对应16进制为0x27，左移4位为0x270，小数0.0625，对应0x1，USART_BRR=0x271即可。 在利用寄存器配置USART的波特率的时候需要依据此公式计算USART_BRR的值，而在HAL库中无需计算，只需传入所需波特率，自动写USART_BRR寄存器值，但是我们仍然要学习这个波特率的计算公式，也许的开发调试过程中会使用到。 前面计算波特率需要知道外设时钟“2”的值，由前面图 6.1.2 可知，USART1挂载APB1上，USART2/3和USART4/5挂载APB2上。由前面图 9.1.1 可知，APB1时钟最大为36MHz，APB2时钟最大为72MHz。因此，只有USART1的波特率计算中的“2”能取最大系统时钟72MHz，而其它的USART/UART只能取36MHz. ③：发送器/接收器控制单元 通过向控制寄存器CR1、CR2、CR3和状态寄存器SR写入相应的位，可实现对USART数据的发送和接收控制。其中CR1主要用于配置USART的数据位、校验位和中断使能，CR2用于配置USART的停止位和SCLK时钟控制，CR3用于CTS硬件流控制、DMA多缓冲控制等。通过读取状态寄存器SR的值，可查询USART的状态。 ④：数据收发寄存器单元 该部分主要由发送数据寄存器（TDR）、发送移位寄存器、接收数据寄存器（RDR）、接收移位寄存器组成。发送移位寄存和接收移位寄存器，分别负责将发送数据并串转换和接收数据串并转换，从而实现数据在传输时，是一位一位的发送和接收。 16.2 硬件设计如图 16.2.1 为开发板USB调试串口部分的原理图，最左边J12是图 3.3.1 中，编号为“37”的Micro USB接口；U13是一个UART转USB的芯片，可自动将UART信号转换为USB信号；U14是一个施密特触发器，主要用于防干扰和电路保护。 MCU的USART1_TX（PA9）和USART1_RX（PA10），经过U14接到U13，U13收到数据后自动将UART信号转换成USB信号，在从J12引出。 最后用户还需要使用Micro USB连接线，将开发板的J12和电脑USB连接，再打开“4.3.3 下载、安装MobaXterm”介绍的MobaXterm，具体使用介绍在本章“16.4 实验效果”。 实验目的：本实验使用USART1向电脑发送打印信息。 初始化USART：设置波特率，收发选择，有效数据位等串口引脚初始化：USART使能、GPIO端口时钟使能、GPIO引脚设置为USART复用；重定向printf和scanf；主函数调用USRAT初始化函数，使用printf打印输出，使用scanf获取输入；本实验配套代码位于“5_程序源码\8_通信—调试串口\”。 16.3.2 软件设计讲解 GPIO引脚选择与串口选择代码段 16.3.1 引脚宏定义（driver_usart.h） /********************* * 引脚宏定义 **********************/ #define USARTx USART1 #define USARTx_TX_PIN GPIO_PIN_9 #define USARTx_RX_PIN GPIO_PIN_10 #define USARTx_PORT GPIOA #define USARTx_GPIO_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE() #define USARTx_CLK_EN() __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE() #define USARTx_CLK_DIS() __HAL_RCC_USART1_CLK_DISABLE() 初始化USART USART初始化包含两部分：协议部分和硬件部分。 协议部分与硬件无关，比如USART的波特率、奇偶校验、停止位等，通过“HAL_UART_Init()”设置。硬件部分指承载的硬件载体，比如串口所使用的发送、接收引脚的复用，通过“HAL_UART_MspInit()”设置。函数名中的Msp（MCU Specific Package，MCU特定软件包），就是指MCU相关的硬件初始化。代码段 16.3.2 USART 初始化（driver_usart.c） /* * 定义全局变量 */ UART_HandleTypeDef husart; /* * 函数名：void UsartInit(uint32_t baudrate) * 输入参数：baudrate-串口波特率 * 输出参数：无 * 返回值：无 * 函数作用：初始化 USART 的波特率，收发选择，有效数据位等 */ void UsartInit(uint32_t baudrate) { husart.Instance = USARTx; // 选择 USART1 husart.Init.BaudRate = baudrate; // 配置波特率 husart.Init.WordLength = USART_WORDLENGTH_8B; // 配置数据有效位为 8bit husart.Init.StopBits = USART_STOPBITS_1; // 配置一位停止位 husart.Init.Parity = USART_PARITY_NONE; // 不设校验位 husart.Init.Mode = USART_MODE_TX_RX; // 可收可发 husart.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE; // 使用库函数初始化 USART1 的参数 if (HAL_UART_Init(&husart) != HAL_OK) { Error_Handler(); } } 4行：定义一个“UART_HandleTypeDef”结构体（官方也称句柄）变量husart，用于保存串口参数设置；15~21行：设置串口参数，也就是husart： Instance：USART寄存器及地址，即哪一个USART；Init.BaudRate：“UART_HandleTypeDef”结构体里“UART_InitTypeDef”结构体成员，该属性为波特率；Init.WordLength：每次发送的字节长度，通常设置为8bit；Init.StopBits：每次发送后停止位长度，通常设置为1bit；Init.Parity：奇偶校验，通常设置为不校验；Init.Mode：收发模式，通常设置为可收可发；Init.HwFlowCtl：流控设置，没有用到（CTS/RTS）,通常设置为None; 24行：调用“HAL_UART_Init()”，传入设置的husart，初始化串口；“HAL_UART_Init()”会调用“HAL_UART_MspInit()”，从而实现对涉及的硬件初始化，用户需要覆 写（HAL库提供函数名，函数内容需要自己编写）该函数，完成使能串口时钟、初始化TX/RX的引脚、设置USART1的中断优先级且使能中断等。 代码段 16.3.3 USART MSP 初始化（driver_usart.c） /* * 函数名：void HAL_USART_MspInit(USART_HandleTypeDef* husart) * 输入参数：husart-USART 句柄 * 输出参数：无 * 返回值：无 * 函数作用：使能 USART1 的时钟，使能引脚时钟，并配置引脚的复用功能 */ void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef* husart) { // 定义 GPIO 结构体对象 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; if(husart->Instance==USARTx) { // 使能 USART1 的时钟 USARTx_CLK_EN(); // 使能 USART1 的输入输出引脚的时钟 USARTx_GPIO_CLK_EN(); /**USART1 GPIO Configuration PA9 ------> USART1_TX PA10 ------> USART1_RX */ GPIO_InitStruct.Pin = USARTx_TX_PIN; // 选择 USART1 的 TX 引脚 GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // 配置为复用推挽功能 GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; // 引脚翻转速率快 HAL_GPIO_Init(USARTx_PORT, &GPIO_InitStruct); // 初始化 TX 引脚 GPIO_InitStruct.Pin = USARTx_RX_PIN; // 选择 RX 引脚 GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT; // 配置为输入 HAL_GPIO_Init(USARTx_PORT, &GPIO_InitStruct); // 初始化 RX 引脚 } } 11行：定义一个“GPIO_InitTypeDef”结构体变量GPIO_InitStruct，用于保存GPIO参数设置；12行：当系统中用到多个串口时，都会调用“HAL_USART_MspInit”进行硬件初始化，因此需要判断是否为USARTx（宏定义对应USART1）；15行：使能USART1时钟；18行：使能USART1_TX（PA9）和USART1_RX（PA10）所在组时钟；23~26行：设置USART的发送引脚： Pin：指定引脚号；Mode：配置为复用推挽功能；Pull：默认上拉即可；Speed：作为通信信号引脚，设置为High； 27行：使用“HAL_GPIO_Init()”初始化该引脚；29~31行：设置USART的接收引脚； 重定向打印函数 以上初始化完成后，就可以使用HAL库提供的“HAL_UART_Transmit()”从串口发送数据，使用“HAL_UART_Receive()”接收数据，但这样使用不方便，需要自己处理数据类型。在学习C语言时，通常使用printf将数据格式化打印，比较方便。因此，这里需要重定向打印函数，在使用printf时调用“HAL_UART_Transmit()”打印。代码段 16.3.4 重定向打印函数（driver_usart.c） /***************************************************** *function: 写字符文件函数 *param1: 输出的字符 *param2: 文件指针 *return: 输出字符的 ASCII 码 ******************************************************/ int fputc(int ch, FILE *f) { HAL_UART_Transmit(&husart, (uint8_t*)&ch, 1, 10); return ch; } /***************************************************** *function: 读字符文件函数 *param1: 文件指针 *return: 读取字符的 ASCII 码 ******************************************************/ int fgetc(FILE *f) { uint8_t ch = 0; HAL_UART_Receive(&husart, (uint8_t*)&ch, 1, 10); return (int)ch; }printf和scanf会分别调用“fputc()”和“fgetc()”，因此这里覆写这两个函数，使用HAL提供的函数实现收发数据。 同时，还需要需要点击“工程设置”，打开工程选项界面，切换到“Target”标签，勾选上“Use MicroLIB”，如图 16.3.1 所示。
主函数直接使用“printf()”便可调用USART1打印，使用“scanf()”便可调用USART1接收数据。 2行：初始化USART1，设置波特率为常用的115200；6~7行：中文打印测试；如果编译报错，需要点击“工程设置”，打开工程选项界面，切换到“C/C++”标签，在“Misc Controls”里加上“"–locale=english"”，如图 16.3.2 所示。8行：字符打印测试；9~10行：字符串打印测试；11~12行：正负整打印疑测试；13~14行：十六进制打印测试；15~16行：浮点数打印测试；21~29行：通过“scanf()”函数获取输入，如果输入的指定内容，则打印指定内容；
16.4 实验效果
本实验对应配套资料的“5_程序源码\8_通信—调试串口\”。首先如图 16.4.1 所示将开发板调试串口与电脑USB口连接。打开MobaXterm，设置串口会话，如图 16.4.2 所示。 点击做上角“Session”,创建会话；在中间弹出的窗口，选择“Serial”，即串口；下拉选择串口端口，我这里是COM4，读者可能编号不一样，但后面显示的芯片型号是一样的，选择“Silicon Labs CP210x USB to UART…”即可；波特率选择115200，与主函数中串口初始化设置的波特率保持一致；以为串口是异步通信，需要双方统一传输规则，这里和代码段 16.3.2 中的设置保持一致。数据位8位，停止位1位，无校验，无流控；设置完后，点击“OK”；打开代码工程，使用Keil编译，下载程序，MobaXtrem显示如图 16.4.3 所示界面，所有打印正常显示。在电脑键盘输入“C”或“c”，即可控制串口打印“Hello World”。 百问网技术论坛： http://bbs.100ask.net/ 百问网嵌入式视频官网： https://www.100ask.net/index 百问网开发板： 淘宝：https://100ask.taobao.com/ 天猫：https://weidongshan.tmall.com/ 技术交流群2（鸿蒙开发/Linux/嵌入式/驱动/资料下载） QQ群：752871361 单片机-嵌入式Linux交流群： QQ群：536785813 |
USART内部结构的结构如图 16.1.1 所示。 
可以把USART分成四部分： ①：USART引脚
也可以添加如下代码，就不用勾选“Use MicroLIB”，两个方法二选其一即可。 代码段 16.3.5 可选添加内容（driver_usart.c）
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