STM32f103串口通信詳解

原理分析

首先，我們從串口通信的物理層和協議層來分別分析，

物理層
對于串口通信的物理層的標準變化有很多種，在這兒，我主要是講解 RS-232 標準，
這兒是以 RS-232 標準的常見設備通信結構圖：

由圖可以看到，兩個信號的 DB9 介面，通過串口信號線連接在一起，信號線是使用的 RS-232 標準傳輸資料信號，但是 RS-232 標準信號不能直接被控制器識別使用，所以我們需要使用一個電平轉換芯片轉換成 TTL 標準信號，才能實作通信，
為什么需要轉換呢？ RS-232 與 TTL 有什么區別呢？

上圖是兩種標準電平信號的區別，

上圖是兩種電平標準表示同一個信號的對比圖，
對于 DB9 這種串口線我就不過多介紹了，我們只需要了解到下圖的連線方式就可以了，

這兒要記住， RXD 與 TXD是交叉連接的，
協議層

串口通信的資料包又發送設備通過自身的 TXD 介面傳輸到接收設備的 RXD 介面，在串口通訊的協議層中，資料結構又下圖所示，起始位，資料位，校驗位，停止位，

波特率
由于異步通信之中是沒有時鐘信號的，所以需要在兩個設備之間約定好波特率（及每個碼元的長度），
通訊的起始和停止信號
串口通訊的一個資料包從起始信號開始，到停止信號結束，起始信號由一個邏輯 0 表示，停止信號可以由 0.5 ， 1 ， 1.5 ，或者 2 來表示（ 2 個位），只要兩臺設備約定一致就行，
有效資料
起始位之后就是有效資料（主體資料），一般 5 ， 6 ， 7 ， 8 位長，
資料校驗
由于資料通信容易受到外部干擾而導致資料偏差，可以通過加入校驗位來解決，一般來說，有奇偶校驗， 01 校驗，或者無校驗，
奇校驗要求有效資料加上校驗位中 1 的個數位奇數，而偶校驗就要求為偶數， 0 校驗校驗位總位為 0 ， 1 校驗校驗位總為 1，

現在開始介紹 STM32 的 USART 原理

接下來我們來具體分析這張圖：

功能引腳

從這兒我們可以看到，在 STM32 中，它有這么一些功能引腳：
TX ：發送資料的引腳
RX：接收資料的引腳
SW_RX：資料接收引腳，只用于單線和智能卡模式，屬于內部引腳，沒有具體的外部引腳
nRTS：請求以發送， n 代表低電平有效，如果使能這個引腳，當準備接收資料時就會變成低電平，當接收暫存器已經滿了，就會置高，
nCTS：清除以發送，低電平有效，若使能，當發送資料之前會檢測一下，若是低電平，則可以發送資料，若是高電平，則在當前資料發送完后停止發送，
SCLK：發送器時鐘輸出引腳，僅適用于同步模式
因為每個芯片對應的 USART 引腳不一樣，所以需要去芯片資料自行查閱，

資料暫存器

在 STM32 中 USART 的資料暫存器只有低九位有效用來存放接收和發送的資料，并且第九位資料是否有效取決于 USART 控制暫存器決定，

發送和接收的資料都是放在資料暫存器中，所以資料暫存器實際上包含了兩個暫存器，一個是用于發送的可寫暫存器 TDR ，一個是用于接收的可讀 RDR，當進行讀寫操作時，資料都是放在這個資料暫存器當中，
TDR 和 RDR 都是介于系統總線和移位暫存器之間，串行通信是一個位一個位傳輸的，發送時把 TDR 內容轉移到發送移位暫存器，然后把移位暫存器資料每一位發送出去，接收時把接收到的每一位順序保存在接收移位暫存器內然后才轉移到 RDR，

控制器

當 USART_CR1 暫存器發送使能置 1 ，也就是 TE 置 1 時，啟動資料發送（此時可以往資料暫存器里面寫入資料，），發送移位暫存器的資料會在 TX 引腳輸出，當 RE 置 1 ，使能 USART 接收， RX 口開始搜索起始位，當確定到起始位后，將接收到的資料放到資料暫存器里，并把 RXNE 位置 1 ，如果是同步模式， SCLK 也會輸出時鐘信號，

停止位時間長短可以通過 USART 控制暫存器2控制，

小數波特率的生成

USART 的接收好和發送使用同一個波特率，計算公式為：

f（CK）為 USART 時鐘，USARTDIV是一個存放波特率的暫存器

校驗控制
在 STM32F103 系列的 USART 還支持奇偶校驗位，當使用奇偶校驗時，資料位加上校驗位一共 9 位，此時的 CR1 暫存器 M 位需要置 1 ，設定為 9 位資料位，

中斷控制
當然，對于串口通信中，有多個串口中斷請求事件，分別代表了各種狀態下的情況，
所有 USART 的控制都在下列暫存器里，

狀態暫存器 SR

資料暫存器 DR

波特比例暫存器 BRR

控制暫存器 CR1

控制暫存器 CR2

控制暫存器 CR3

保護時間和預分頻暫存器 GTPR

此上，就是所有關于 STM32F103 的 USART 的所有暫存器，接下來來實操韌體庫函式吧！

代碼

#define DEBUG_USART_IRQ USART1_IRQn	//宏定義中斷源，方便移植，增強可讀性，
#define DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT GPIOA	//宏定義TX的GPIO，
#define DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN GPIO_Pin_9	//宏定義TX口的引腳，
#define DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT GPIOA	//宏定義RX的GPIO，
#define DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN GPIO_Pin_10	//宏定義RX口的引腳，
#define DEBUG_USART_BAUDRATE 115200	//宏定義波特率，
#define  DEBUG_USARTx USART1	//宏定義串口，

static void NVIC_Configuration(void)	//這兒是USART的中斷配置，static代表限制了此函式只能在本檔案之中使用，
{
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;	//定義一個NVIC的結構體，
  
  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);	//配置優先級分組，
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DEBUG_USART_IRQ;	//配置USART為中斷源
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;	//選擇中斷主優先級，
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;	//配置子優先級，
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;	//使能中斷，
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);	//初始化NVIC結構體，
}

void USART_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;	//定義一個GPIO結構體，
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;	//定義一個USART結構體，

	DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE);	// 打開串口GPIO的時鐘，
	DEBUG_USART_APBxClkCmd(DEBUG_USART_CLK, ENABLE);	// 打開USART的時鐘，
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN;	//配置發送引腳，
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;	//模式選擇推挽復用模式，
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	//配置引腳速度，
	GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);	//初始化發送引腳，
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN;	//配置接收引腳，
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;	//模式選擇浮空輸入模式，
	GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);	//初始化接收引腳，
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = DEBUG_USART_BAUDRATE;	//配置波特率，
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;	//配置資料字長，
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;	//配置停止位，
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;	//配置校驗位，
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;	//關閉硬體流控制，
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;	//配置作業模式為接收和發送，
	USART_Init(DEBUG_USARTx, &USART_InitStructure);	//初始化USART結構體，
	NVIC_Configuration();	//串口中斷優先級配置，
	USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE, ENABLE);	//使能串口接收中斷，
	USART_Cmd(DEBUG_USARTx, ENABLE);	//使能串口，	    
}

以上，就是串口的所有配置了，此時串口已經打開，我們需要怎么來使用呢？可以直接使用韌體庫里面的函式，

void Usart_SendByte( USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t ch)	//發送一個位元組的資料
{
	USART_SendData(pUSARTx, ch);	//發送一個位元組資料到USART的資料暫存器，進行發送，
	while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);	//等待發送資料暫存器為空，資料發送出去后才退出發送函式，
}

void Usart_SendArray( USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t *array, uint16_t num)	//發送一個八位資料的陣列，
{
  uint8_t i;	//定義一個數來記錄陣列個數，
  for(i=0; i<num; i++)	//i記錄發送資料組數，當陣列全部發送完成，退出回圈，
  {
  	Usart_SendByte(pUSARTx, array[i]);	//每次發送一個位元組資料到USART資料暫存器，
  }
  while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TC)==RESET);	//等待發送完成后退出函式，
}

void Usart_SendString( USART_TypeDef * pUSARTx, char *str)	//發送字串，
{
	unsigned int k=0;	//定義一個數，記錄字串長度，
	do 
	{
		Usart_SendByte(pUSARTx, *(str + k));	//字符是有ASCII表表達，所以每一個字符都是一個八位的資料，
     	k++;	//記錄資料已發送長度，
  	} while(*(str + k)!='\0');	//判斷下一個字符是否為'\0'，
 	while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx,USART_FLAG_TC)==RESET);	//等待發送完成，
}

void Usart_SendHalfWord( USART_TypeDef * pUSARTx, uint16_t ch)	//發送16位資料，
{
	uint8_t temp_h, temp_l;	//將16位資料拆分為兩個8位資料，
	
	temp_h = (ch&0XFF00)>>8;	//取出高八位，
	temp_l = ch&0XFF;	//取出低八位，
	USART_SendData(pUSARTx,temp_h);	//發送高八位，
	while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);	//等待高8位發送完成，
	USART_SendData(pUSARTx,temp_l);	//發送低八位，
	while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);	//等待低8位發送完成，
}

以上就是串口的發送函式了，讀取資料就要去中斷里面讀取，中斷函式全部在 stm32f10x_it.c 檔案里，

#define  DEBUG_USART_IRQHandler USART1_IRQHandler	//宏定義串口中斷函式名字，

void DEBUG_USART_IRQHandler(void)
{
  uint8_t ucTemp;	//定義一個8位資料來保存資料，
  
  if(USART_GetITStatus(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE)!=RESET)	//確認資料暫存器不為空，讀取資料，
  {		
  	ucTemp = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);	//讀取資料，可以使用全域變數來保存，
  }	 
}

以上，就是關于串口的發送和讀取了，不過，對于寫習慣了 C 語言的人來說，更加習慣用 C 語言里面的輸入輸出吧，那串口可以使用這個來進行發送和接收資料嗎？當然可以！只需要將函式重定向就可以了，

int fputc(int ch, FILE *f)	//重定向c庫函式printf到串口，重定向后可使用printf函式，
{
	USART_SendData(DEBUG_USARTx, (uint8_t) ch);	//發送一個位元組資料到串口，
	while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);	//等待發送完畢，	
	
	return (ch);
}

int fgetc(FILE *f)	//重定向c庫函式scanf到串口，重寫向后可使用scanf、getchar等函式，
{
		while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_RXNE) == RESET);	//等待串口輸入資料，

		return (int)USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);
}

是不是很簡單，相信大家都已經學會了 STM32 的串口使用了吧，
謝謝大家的閱讀！！！

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