一、什么是串口通信

串口通信是指外部設(shè)備與主控芯片之間，通過數(shù)據(jù)信號線、地線等，按位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信方式，屬于串行通信方式。串行通信是指使用一條數(shù)據(jù)線依次逐位傳輸數(shù)據(jù)，每一位數(shù)據(jù)占據(jù)固定長度的時(shí)間?？梢钥匆幌潞唵蔚拇型ㄐ攀疽鈭D。

串口通信示意圖

二、串口通信有什么用

這里簡單列舉一下串口通信的用途

• ? 下載程序

• ? 外設(shè)與單片機(jī)通信 單片機(jī)給外設(shè)發(fā)送一些指令或者配置信息，外設(shè)給單片機(jī)回傳一些信息。

• ? 打印信息 比如將ADC采集到的電壓發(fā)送給上位機(jī)的串口調(diào)試助手，或者實(shí)時(shí)監(jiān)測某一個(gè)變量的變化。

  三、STM32的串口通信

  普中核心板上使用的STM32F103ZET6有三個(gè)USART，兩個(gè)UART，他們都支持串口通信功能。USART（通用同步異步收發(fā)器）與UART（通用異步收發(fā)器）相比，多了一個(gè)同步功能，可以認(rèn)為USART是UART的增強(qiáng)型。

  四、串口通信相關(guān)概念

  44.1 波特率

  引用專業(yè)的說法，波特率表示單位時(shí)間內(nèi)傳送的碼元符號的個(gè)數(shù)，它是對符號傳輸速率的一種度量。其實(shí)意思就是波特率表示1s內(nèi)傳輸碼元的個(gè)數(shù)。在單片機(jī)中數(shù)字都是二進(jìn)制的01表示的，所以波特率可以說是1s內(nèi)傳輸01的個(gè)數(shù)。常見的波特率有38400、9600和115200等。

波特率通常由波特率發(fā)生器產(chǎn)生，串口要想實(shí)現(xiàn)收發(fā)首先要有波特率發(fā)生器，網(wǎng)上介紹波特率發(fā)生器的作用是輸入時(shí)鐘轉(zhuǎn)換出需要的波特率CLK。個(gè)人理解，波特率發(fā)生器就是提供一個(gè)時(shí)鐘，這樣才能發(fā)送出正確波特率的信息，比如1和0需要多久的高/低電平表示。

在串口通信時(shí)如果收發(fā)雙方波特率不相同會導(dǎo)致通信失敗，要么是接收不到，要么是接收到的是亂碼。

4.2 全雙工和半雙工

• ? 全雙工可以簡單解釋為，我在接收消息的同時(shí)，你也可以發(fā)送消息。
• ? 半雙工可以簡單解釋為，我在接收消息時(shí)，沒辦法發(fā)送消息。類似于對講機(jī)，你說話時(shí)占用了信道，對方無法跟你講話，只有當(dāng)你說完了，他才可以對你講話。

4.3 同步通信和異步通信

同步通信和異步通信的區(qū)別在于通信雙方是否需要時(shí)鐘同步。同步通信的接收雙方之間除了需要數(shù)據(jù)線之外，還需要一根時(shí)鐘線，而異步通信不需要。關(guān)于二者的詳細(xì)定義與區(qū)別，請大家自行搜索。

五、硬件連接

串口通信只需幾條線即可在兩個(gè)系統(tǒng)間交換信息，特別適用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的通信，常用的串口通信接口標(biāo)準(zhǔn)有很多，比如RS-232C、RS-232、RS-485等。但是放在單片機(jī)開發(fā)里，最簡單的串口通信就是用四根線VCC、GND、TXD和RXD實(shí)現(xiàn)通信。

串口通信硬件連接示意圖

普中核心板上常用的是USART1，其引腳對應(yīng)如下

• ? TXD——PA9

• ? RXD——PA10

  六、串口通信程序配置

  下面以配置USART1為例，來簡單展示一下USART的配置方法。

  66.1 使能串口時(shí)鐘和GPIO時(shí)鐘

// 使能USART1，GPIOA時(shí)鐘
RCC_APB2PeriphClockCmd (RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

6.2 初始化GPIO

初始化USART1用到的GPIO。TXD引腳設(shè)置為復(fù)用推挽式輸出，RXD引腳設(shè)置為輸入浮空。

// USART1_TX   GPIOA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;   // PA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;   // 復(fù)用推挽輸出
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);   // 初始化GPIOA.9

    // USART1_RX   GPIOA.10初始化
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;   // PA10
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;   // 輸入浮空
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);   // 初始化GPIOA.10

6.3 初始化串口參數(shù)

庫函數(shù)提供了一個(gè)結(jié)構(gòu)體，用于初始化串口。其中包括

USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    
    // USART 初始化設(shè)置
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;   // 串口波特率
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;   // 字長為8位數(shù)據(jù)格式
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;   // 一個(gè)停止位
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;   // 無奇偶校驗(yàn)位
    // 無硬件數(shù)據(jù)流控制
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;   // 收發(fā)模式
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);   // 初始化串口1

6.4 使能串口

USART_Cmd(USART1, ENABLE);   // 使能串口1

6.5 串口接收中斷

平時(shí)開發(fā)過程中經(jīng)常需要開啟串口接收中斷，配置串口接收中斷的方法與上一篇的外部中斷有些類似，主要包括以下步驟

• ? 配置中斷分組（通常在main函數(shù)中初始化中配置）
• ? 設(shè)置中斷優(yōu)先級
• ? 使能中斷

配置中斷優(yōu)先級

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    // Usart1 NVIC 配置
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;   // 搶占優(yōu)先級3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;   // 子優(yōu)先級3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   // IRQ通道使能
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);   // 根據(jù)指定的參數(shù)初始化VIC寄存器

使能串口接收中斷

USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);   // 開啟串口接收中斷

6.6 串口接收中斷服務(wù)函數(shù)

通常接收到的數(shù)據(jù)會是一幀，很少是一個(gè)單獨(dú)的字符，這里給出一個(gè)接收一幀數(shù)據(jù)的串口中斷服務(wù)函數(shù)。需要注意的是，在初始化串口時(shí)，需要使能空閑中斷。

使能空閑中斷的程序如下

USART_ITConfig(USART1, USART_IT_IDLE, ENABLE);   // 使能空閑中斷

/*
 *==============================================================================
 *函數(shù)名稱：USART1_IRQHandler
 *函數(shù)功能：USART1中斷服務(wù)函數(shù)
 *輸入?yún)?shù)：無
 *返回值：無
 *備  注：無
 *==============================================================================
 */
u32 gReceCount = 0;   // 接收計(jì)數(shù)變量
u32 gClearCount = 0;   // 清空接收數(shù)組計(jì)數(shù)變量
u8 gReceFifo[1500];   // 接收數(shù)組
u8 gReceEndFlag = 0;   // 接收完成標(biāo)志位 

void USART1_IRQHandler(void)  
{
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)   //接收到一個(gè)字節(jié)  
    {
        gReceFifo[gReceCount++] = USART_ReceiveData(USART1);
    }
    else if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_IDLE) != RESET)   //接收到一幀數(shù)據(jù)
    {
        USART1- >SR;   // 先讀SR
        USART1- >DR;   // 再讀DR
        
        gReceEndFlag = 1;   // 接收完成標(biāo)志置1 
    } 
}

接收完成后，接收完成標(biāo)志位會置1。此時(shí)，對接收到的幀進(jìn)行解析處理。解析完成后需要清除接收數(shù)組，同時(shí)，不要忘記清除接收完成標(biāo)志位。

/*
 *==============================================================================
 *函數(shù)名稱：Uart_Rece_Pares
 *函數(shù)功能：解析串口接收內(nèi)容
 *輸入?yún)?shù)：無
 *返回值：無
 *備  注：無
 *==============================================================================
 */
void Uart_Rece_Pares(void)   // 串口接收內(nèi)容解析函數(shù)
{
    if (gReceEndFlag  == 1)   // 如果接收完成
    {
        // 解析接收內(nèi)容
        
        // 清空接收數(shù)組
        for (gClearCount = 0;gClearCount < gReceCount;gClearCount ++)
        {
            gReceFifo[gClearCount] = ' ';
        }
            
        gReceEndFlag = 0;   // 清除接收完成標(biāo)志位
        gReceCount = 0;   // 清零接收計(jì)數(shù)變量
    }
}

6.7 串口發(fā)送函數(shù)

//串口發(fā)送函數(shù)
void USART1_Send(u8*str)
{
    u8 index=0;
    do
    {
        USART_SendData(USART1,str[index++]);
        while(USART1,str[index++]);
        while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) == RESET);
    }
    while(str[index]!=0);
}

其實(shí)這里最根本的USART_SendData()本質(zhì)就是將數(shù)據(jù)搬運(yùn)到串口發(fā)送的寄存器。當(dāng)然除了直接用發(fā)送函數(shù)發(fā)送，也可以直接重定向之后用printf發(fā)送，這里就不詳細(xì)介紹了，有需要的友友可以直接去看普中或者正點(diǎn)的教程視頻。

七、拓展

7.1 printf重定向

關(guān)于重定向的概念這里就不再做介紹了，重定向之后就可以在程序中使用printf直接打印或者發(fā)送字符串，不再需要串口發(fā)送函數(shù)。重定向的方法就是在串口的.c文件中添加下面的程序

// 加入以下函數(shù)可以使用printf
#pragma import(__use_no_semihosting)             
// 標(biāo)準(zhǔn)庫需要的支持函數(shù)                 
struct __FILE 
{ 
    int handle; 
}; 

FILE __stdout;       
//定義_sys_exit()以避免使用半主機(jī)模式    
void _sys_exit(int x) 
{ 
    x = x; 
} 
//重定義fputc函數(shù) 
int fputc(int ch, FILE *f)
{      
    while((USART1- >SR&0X40)==0);//循環(huán)發(fā)送,直到發(fā)送完畢   
    USART1- >DR = (u8) ch;      
    return ch;
}

7.2 接收幀解析

這里的接收幀解析比較簡單，比如有些項(xiàng)目要求接收到某些特定字符執(zhí)行某些操作。這時(shí)需要根據(jù)接收幀的長度和固定位置的字符來解析命令。

比如項(xiàng)目要求上位機(jī)（電腦）發(fā)送“BEEP ON”時(shí)，蜂鳴器響。這時(shí)在解析時(shí)只要接收到長度為6，第5和第6個(gè)字符分別為“O”，“N”時(shí)，開啟蜂鳴器即可。

// 解析接收內(nèi)容
if (gReceCount == 6 && gReceFifo[5] == 'O' && gReceFifo[6] == 'N')
{
   // 開啟蜂鳴器
}

當(dāng)然上面的只是粗略的卡命令，也可以寫的更詳細(xì)。

八、實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目

8.1 前期準(zhǔn)備

• ? CH340驅(qū)動
• ? USB轉(zhuǎn)TTL，用于單片機(jī)與電腦的通信
• ? 串口調(diào)試助手

剛買來的普中核心板，不拔短接片的話可以直接通過USB下載程序，或者與電腦進(jìn)行串口通信，串口為USART1。注意一定要插圖中標(biāo)出來的USB接口，另一個(gè)只能用來供電。

串口通信跳線帽連接

8.2 項(xiàng)目要求

• ? 單片機(jī)上電發(fā)送“Sys Ready!”

• ? 電腦串口助手發(fā)送“LED1 ON”（帶回車換行），LED1點(diǎn)亮，同時(shí)單片機(jī)回復(fù)“OK!”

• ? 電腦串口助手發(fā)送“LED1 OFF”（帶回車換行），LED2熄滅，同時(shí)單片機(jī)回復(fù)“OK!”

  88.3 串口程序

  8.3.1 初始化串口

  首先是串口初始化程序，需要開啟接收中斷和空閑中斷。

/*
 *==============================================================================
 *函數(shù)名稱：uart_init
 *函數(shù)功能：初始化USART1
 *輸入?yún)?shù)：bound：波特率
 *返回值：無
 *備  注：可以修改成輸入初始化哪個(gè)USART
 *==============================================================================
 */
void uart_init(u32 bound)
{
    // 相關(guān)結(jié)構(gòu)體定義
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    // 使能USART1，GPIOA時(shí)鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd (RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); 

    // USART1_TX   GPIOA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;   // PA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;   // 復(fù)用推挽輸出
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);   // 初始化GPIOA.9

    // USART1_RX   GPIOA.10初始化
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;   // PA10
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;   // 浮空輸入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);   // 初始化GPIOA.10  

    // Usart1 NVIC 配置
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;   // 搶占優(yōu)先級3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;   // 子優(yōu)先級3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   // IRQ通道使能
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);   // 根據(jù)指定的參數(shù)初始化VIC寄存器

    // USART 初始化設(shè)置
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;   // 串口波特率
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;   // 字長為8位數(shù)據(jù)格式
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;   // 一個(gè)停止位
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;   // 無奇偶校驗(yàn)位
    // 無硬件數(shù)據(jù)流控制
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;   // 收發(fā)模式
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);   // 初始化串口1
  
  USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);   // 開啟串口接收中斷
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_IDLE, ENABLE);   // 使能空閑中斷
    
  USART_Cmd(USART1, ENABLE);   // 使能串口1 
}

其次需要加上重定向函數(shù)，直接復(fù)制上面的即可。

8.3.2 串口接收中斷服務(wù)函數(shù)

/*
 *==============================================================================
 *函數(shù)名稱：USART1_IRQHandler
 *函數(shù)功能：USART1中斷服務(wù)函數(shù)
 *輸入?yún)?shù)：無
 *返回值：無
 *備  注：無
 *==============================================================================
 */
u32 gReceCount = 0;   // 接收計(jì)數(shù)變量
u32 gClearCount = 0;   // 清空接收數(shù)組計(jì)數(shù)變量
u8 gReceFifo[1500];   // 接收數(shù)組
u8 gReceEndFlag = 0;   // 接收完成標(biāo)志位 

void USART1_IRQHandler(void)  
{
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)   //接收到一個(gè)字節(jié)  
    {
        gReceFifo[gReceCount++] = USART_ReceiveData(USART1);
    }
    else if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_IDLE) != RESET)   //接收到一幀數(shù)據(jù)
    {
        USART1- >SR;   // 先讀SR
        USART1- >DR;   // 再讀DR
        
        gReceEndFlag = 1;   // 接收完成標(biāo)志置1 
    } 
}

8.3.3 接收幀解析函數(shù)

/*
 *==============================================================================
 *函數(shù)名稱：Uart_Rece_Pares
 *函數(shù)功能：解析串口接收內(nèi)容
 *輸入?yún)?shù)：無
 *返回值：無
 *備  注：無
 *==============================================================================
 */
void Uart_Rece_Pares(void)   // 串口接收內(nèi)容解析函數(shù)
{
    if (gReceEndFlag  == 1)   // 如果接收完成
    {
        // 解析接收內(nèi)容
        if (gReceFifo[6] == 'N')
        {
            Med_Led_StateCtrl (LED1,LED_ON);   // 點(diǎn)亮LED1
            printf ("OK!rn");
        }
        
        if (gReceFifo[6] == 'F' && gReceFifo[7] == 'F')
        {
            Med_Led_StateCtrl (LED1,LED_OFF);   // 熄滅LED1
            printf ("OK!rn");
        }
        
        // 清空接收數(shù)組
        for (gClearCount = 0;gClearCount < gReceCount;gClearCount ++)
        {
            gReceFifo[gClearCount] = ' ';
        }
            
        gReceEndFlag = 0;   // 清除接收完成標(biāo)志位
        gReceCount = 0;   // 清零接收計(jì)數(shù)變量
    }
}

8.3.3 main函數(shù)

int main(void)
{
    Med_Mcu_Iint();   // 系統(tǒng)初始化
    printf ("Sys Ready!rn");
    
    while(1)
  {
        Uart_Rece_Pares ();   // 接收幀解析
    }
}