USART串口协议

USART串口协议

文章目录

  • USART串口协议
    • 1. 通信接口
    • 2.串口通信
      • 2.1硬件电路
      • 2.2电平标准
      • 2.3串口参数及时序（软件部分）
    • 3.USART串口外设
      • 3.1串口外设
      • 3.2USART框图
      • 3.3USART基本结构
      • 3.4数据帧
    • 4.输入电路
      • 4.1起始位侦测
      • 4.2数据采样
    • 5.波特率发生器
    • 6.相关函数介绍
    • 7.串口发送
      • 7.1接线图
      • 7.2代码编写
        • 7.2.1主程序代码main.c
        • 7.2.2函数定义Serial.c
        • 7.2.3函数定义Serial.h
    • 8.串口发送+接收
      • 8.1接线图
      • 8.2代码编写
        • 8.2.1主程序代码
        • 8.2.2函数定义
        • 8.2.3函数定义
    • n.总结
      • n.1USART实现步骤

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

stm32中的通信协议（只列出最典型的参数）

名称引脚双工时钟电平设备说明
USARTTX、RX全双工异步单端点对点TX是数据发送引脚，TP是数据接收引脚
I2CSCL、SDA半双工同步单端多设备SCL是时钟，SDA是数据
SPISCLK、MOSI、MISO、CS全双工同步单端多设备MOSI主机输出数据脚，MISO主机输入数据脚，CS片选，用于指定通信的对象
CANCAN_H、CAN_L半双工异步差分多设备差分数据脚，用两个数据表示一个差分数据
USBDP、DM半双工异步差分点对点D+，D-，也是一对差分数据脚

全双工：就是指通信双方能够同时进行双向通信，一般来说全双工的通信都有两根通信线，表中的两个是合成一根的

单工：是指数据只能从一个设备到另一个设备，而不能反着来

同步：有单独的时钟线，可以在时钟信号的指引下进行采样

异步：没有时钟线，需要双方约定一个采样频率，且还要加一些帧头帧率等，进行采样位置对齐

单端：引脚的高低电平都是对GND的电压差，所以单端通信的双方需要共地，就是把GND接在一起

差分：靠两个引脚的电压差来传输信号的，通信的时候可以不需要GND，USB有些地方需要单端信号。优点：使用差分信号可以极大地提高抗干扰特性，所以差分信号一般传输信号和距离都会非常高

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

串口转USB为例：

串口USB

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

硬件电路

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），该电平可实现远距离通信

2.3串口参数及时序（软件部分）

  • 波特率：串口通信的速率，每秒传码元的个数，单位是码元每秒/s，或者直接叫波特（Baud）（发送和接收必须约定好速率）
  • 起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平
  • 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
  • 校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来
  • 停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平

串口数据

串口时序

串口时序

总结：TX引脚定时输出翻转的高低电平，RX引脚定时读取引脚的高低电平

字节数据的传递：每个字节的数据+起始位+停止位+可选校验位，打包成数据帧，依次输出在TX引脚，另一端RX引脚依次接收

3.USART串口外设

3.1串口外设

  • 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
  • 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、 USART2、 USART3

硬件控制流：例A向B发送数据，A发的太快了，如果B没有硬件流控制，那么B只有抛弃新数据或覆盖原数据。如果有硬件流控制，在硬件电路上，会多出一根线。如果B没有准备好，就置高电平，如果B准备好了就置低电平，A在接收到B的反馈后会做出反应

3.2USART框图

USART框图

3.3USART基本结构

USART基本结构

3.4数据帧

数据帧1

4.输入电路

4.1起始位侦测

起始位侦测

4.2数据采样

数据采样

5.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 f_{\text{PCLK2/1}} fPCLK2/1​/ (16 * DIV)

波特率发生器

6.相关函数介绍

没解释

void USART_DeInit(USART_TypeDef* USARTx);
void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);
void USART_StructInit(USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);

用来配置同步时钟输出的，包括时钟是不是要输出，时钟的极性相位等参数

void USART_ClockInit(USART_TypeDef* USARTx, USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct);
void USART_ClockStructInit(USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct);

void USART_ITConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT, FunctionalState NewState);//开启RXNE标志位的通道
void USART_DMACmd(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_DMAReq, FunctionalState NewState);//开启USART到DMA的触发通道

void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);//发送数据
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);//接收数据

FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);//获取标志位状态
void USART_ClearFlag(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);

7.串口发送

7.1接线图

串口发射接线图

7.2代码编写

7.2.1主程序代码main.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "LED.h"
#include "KEY.h"
#include "OLED.h"
//#include "OLED_Font.h"
#include "Serial.h"int main(void){OLED_Init();Serial_Init();Serial_SendByte(0x41);uint8_t MyArray[] = {0x42, 0x43, 0x44, 0x45};//定义一个数组Serial_SendArray(MyArray, 4);Serial_SendString("helloWorld!\n");Serial_SendNumber(123456,6);//方法1：重定向printf("Num2=%d\r\n", 222);//需要重定向fputc函数，并在工程选项里勾选Use MicroLIB/*方法2：使用sprintf打印到字符数组，再用串口发送字符数组，此方法打印到字符数组，之后想怎么处理都可以，可在多处使用*/char String[100];					//定义字符数组sprintf(String, "\r\nNum3=%d", 333);//使用sprintf，把格式化字符串打印到字符数组Serial_SendString(String);			//串口发送字符数组（字符串）/*方法3：将sprintf函数封装起来，实现专用的printf，此方法就是把方法2封装起来，更加简洁实用，可在多处使用*/Serial_Printf("\r\nNum4=%d", 444);	//串口打印字符串，使用自己封装的函数实现printf的效果Serial_Printf("\r\n");while(1){}
}
7.2.2函数定义Serial.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>void Serial_Init(void){RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA	,ENABLE);//GPIO初始化，输出只需要初始化一个GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);USART_InitTypeDef USART_InitStructure;USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;//波特率（我们给出函数会自己计算）USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//硬件流控制（直接复制参数名称,开启代码提示CTRL+ALT+空格）USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//检验位USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//停止位，0.5、1、1.5、2USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长，可选8或9位USART_Init(USART1,&USART_InitStructure);//开启USART_Cmd(USART1,ENABLE);
}//发送一个Byte
void Serial_SendByte(uint8_t Byte){USART_SendData(USART1,Byte);//发送数据寄存器空标志位,等待TXE置1，标志位不需要手动清除//USART_FLAG_TXE 是发送数据寄存器空标志位（Transmit data register empty）。当该标志位被置 1 时，表示 USART 的发送数据寄存器为空，可以继续写入新的数据；//当该标志位为 0（RESET）时，表示发送数据寄存器仍有数据，需要等待。while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}//遍历数组，并发送
void Serial_SendArray(uint8_t *Array,uint16_t Length){uint16_t i;for(i=0;i<Length;i++){Serial_SendByte(Array[i]);}
}//遍历字符串，并发送
void Serial_SendString(char *String){uint8_t i;for(i=0;String[i] != '\0';i++){Serial_SendByte(String[i]);}
}//拆分多位数
uint32_t Serial_Pow(uint32_t x,uint32_t y){uint32_t Result = 1;while(y--){Result = Result*x;}return Result;
}//分别发送拆分的数
void Serial_SendNumber(uint32_t Number,uint8_t Length){uint8_t i;for(i=0;i<Length;i++){Serial_SendByte(Number/Serial_Pow(10,Length-i-1)%10+'0');/*在串口通信中，通常需要发送字符的 ASCII 码。数字 0 - 9 的 ASCII 码是连续的，字符 '0' 的 ASCII 码值为 48。将数字加上 '0' 可以将其转换为对应的 ASCII 码字符。例如：数字 1 加上 '0' 得到字符 '1'，其 ASCII 码值为 49。数字 2 加上 '0' 得到字符 '2'，其 ASCII 码值为 50。数字 3 加上 '0' 得到字符 '3'，其 ASCII 码值为 51。*/}
}//printf的底层代码，显示信息需要经过该函数
int fputc(int ch,FILE *f){Serial_SendByte(ch);return ch;
}void Serial_Printf(char *format,...){char String[100];			va_list arg;					va_start(arg, format);			vsprintf(String, format, arg);	va_end(arg);					Serial_SendString(String);
}
7.2.3函数定义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);
int fputc(int ch,FILE *f);
void Serial_Printf(char *format,...);#endif

8.串口发送+接收

8.1接线图

串口发送+接收

8.2代码编写

8.2.1主程序代码
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "LED.h"
#include "KEY.h"
#include "OLED.h"
//#include "OLED_Font.h"
#include "Serial.h"uint8_t RxData;int main(void){OLED_Init();Serial_Init();OLED_ShowString(1,1,"RxData:");while(1){//不断的判断RXNE标志位
//		if(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_RXNE)==SET){
//			RxData = USART_ReceiveData(USART1);
//			OLED_ShowHexNum(1,1,RxData,2);
//		}if(Serial_GetRxFlag() == 1){RxData = Serial_GetRxData();Serial_SendByte(RxData);OLED_ShowHexNum(1,8,RxData,2);}
}}
8.2.2函数定义
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>uint8_t Serial_RxFlag;
uint8_t Serial_RxData;void Serial_Init(void){RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA	,ENABLE);//GPIO初始化GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);USART_InitTypeDef USART_InitStructure;USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;//波特率（我们给出函数会自己计算）USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//硬件流控制（直接复制参数名称,开启代码提示CTRL+ALT+空格）USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx |USART_Mode_Rx;USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//检验位USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//停止位，0.5、1、1.5、2USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长，可选8或9位USART_Init(USART1,&USART_InitStructure);//开启RXNE到NVIC的通道USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE);//开启NVIC的通道NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);//开启USART_Cmd(USART1,ENABLE);
}//标志位
uint8_t Serial_GetRxFlag(void)
{if(Serial_RxFlag == 1){Serial_RxFlag = 0;return 1;//返回1，并自动清零标志位}return 0;
}//Rx封装
uint8_t Serial_GetRxData(void)
{return Serial_RxData;
}//中断函数
void USART1_IRQHandler(void){if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_RXNE) == SET){Serial_RxData = USART_ReceiveData(USART1);Serial_RxFlag = 1;USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE);}
}//发送一个Byte
void Serial_SendByte(uint8_t Byte){USART_SendData(USART1,Byte);//发送数据寄存器空标志位,等待TXE置1，标志位不需要手动清除//USART_FLAG_TXE 是发送数据寄存器空标志位（Transmit data register empty）。当该标志位被置 1 时，表示 USART 的发送数据寄存器为空，可以继续写入新的数据；//当该标志位为 0（RESET）时，表示发送数据寄存器仍有数据，需要等待。while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}//遍历数组，并发送
void Serial_SendArray(uint8_t *Array,uint16_t Length){uint16_t i;for(i=0;i<Length;i++){Serial_SendByte(Array[i]);}
}//遍历字符串，并发送
void Serial_SendString(char *String){uint8_t i;for(i=0;String[i] != '\0';i++){Serial_SendByte(String[i]);}
}//拆分多位数
uint32_t Serial_Pow(uint32_t x,uint32_t y){uint32_t Result = 1;while(y--){Result = Result*x;}return Result;
}//分别发送拆分的数
void Serial_SendNumber(uint32_t Number,uint8_t Length){uint8_t i;for(i=0;i<Length;i++){Serial_SendByte(Number/Serial_Pow(10,Length-i-1)%10+'0');/*在串口通信中，通常需要发送字符的 ASCII 码。数字 0 - 9 的 ASCII 码是连续的，字符 '0' 的 ASCII 码值为 48。将数字加上 '0' 可以将其转换为对应的 ASCII 码字符。例如：数字 1 加上 '0' 得到字符 '1'，其 ASCII 码值为 49。数字 2 加上 '0' 得到字符 '2'，其 ASCII 码值为 50。数字 3 加上 '0' 得到字符 '3'，其 ASCII 码值为 51。*/}
}//printf的底层代码，显示信息需要经过该函数
int fputc(int ch,FILE *f){Serial_SendByte(ch);return ch;
}void Serial_Printf(char *format,...){char String[100];			va_list arg;					va_start(arg, format);			vsprintf(String, format, arg);	va_end(arg);					Serial_SendString(String);
}
8.2.3函数定义
#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);
int fputc(int ch,FILE *f);
void Serial_Printf(char *format,...);
uint8_t Serial_GetRxFlag(void);
uint8_t Serial_GetRxData(void);#endif

n.总结

n.1USART实现步骤

  1. 开启时钟，把需要的USART和GPIO时钟开启
  2. GPIO初始化，把TX配置成复用输出，RX配置成输入
  3. 配置USART，直接使用一个结构体
  4. 如果只需要发送功能，直接开启USART时钟，初始化结束，

（如果需要配置接收的功能那么还需要配置中断，在开启USART之前，再加上ITConfig和NVIC的代码）

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数值积分：通过复合梯形法计算

在物理学和工程学中&#xff0c;很多问题都可以通过数值积分来求解&#xff0c;特别是当我们无法得到解析解时。数值积分是通过计算积分区间内离散点的函数值来近似积分的结果。在这篇博客中&#xff0c;我将讨论如何使用 复合梯形法 来进行数值积分&#xff0c;并以一个简单的…
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