USART串口（发送和接收）

一. USART串口协议

二. USART串口外设

三. 串口发送+接收

四. 效果展示

一. USART串口协议

USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)通用同步/异步收发器。

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。

通信的协议：制定通信的规则，通信双方按照协议规则进行数据收发。

单片机有了通信功能，就能与众多别的模块互联。总的来说，通信的目的就是进行信息传递，双方约定的规则就是通信协议。通信协议不止一种，在STM32中，就有诸如USART,I2C，SPI，CAN,USB等通信。今天我们主要介绍USART串口通信。

单片机的串口可以使单片机与单片机，单片机与电脑，单片机与各种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。

其中，单片机和电脑通信，是串口的一大优势，可以接电脑屏幕，非常适合调试程序，打印信息。

串口的硬件电路，需要其中一个设备的发送端TX连接另外一个设备的接收端RX，接收端RX连接另一个设备的发送端TX。当只需单向的数据传输时，可以只接一根通信线。

TX和RX都是单端信号，它们的高低电平都是相对于GND的。所以串口通信的TX，RX，GND都是必须要连接的。

串口的参数及时序：

1）波特率：串口通信的速率。由于串口一般使用异步通信，所以需要双方约定一个通信速率。它决定了每隔多久发送一位。

2）起始位：它是标志一个数据帧的开始，固定为低电平。首先串口的空闲状态是高电平，也就是没有数据传输的时候，引脚必须要置高电平，作为空闲状态。然后需要传输的时候，就必须要先发送一个起始位，这个起始位必须是低电平，来打破空闲状态的高电平，产生一个下降沿。这个下降沿就告诉接收设备，这一帧数据要开始了。

3）停止位：在一个字节数据发送完成后，必须要有一个停止位。这个停止位的作用就是用于数据帧间隔，固定为高电平。同时，这个停止位，也是为下一个起始位做准备的。

4）数据位：表示数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平，低位先行。低位先行的意思就是数据先从低位发送。

5）校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来。校验可以选择3种方式。无校验，奇校验和偶校验。

二. USART串口外设

一般我们串口很少使用同步功能，所以USART和UART使用起来，并没有太大的区别。所以我们学习串口，主要还是异步通信。

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。

USART外设就是串口通信的硬件支持电路。当我们配置好了USART电路，直接读写数据寄存器，就能自动发送和接收数据了。

举个案例，我们STM32F103C8T6的USART资源就有如下：USART1，USART2，USART3.总共3个独立的USART外设，可以挂载很多串口设备。其中，USART1是APB2总线上的设备，剩下的两个都是APB1总线的设备。

下面我们来了解一下整个USART的框图和结构：

如上所示，串口的数据寄存器就包括上面的右边部分，发送或接收的字节数据就存在这里。一个是发送数据寄存器TDR（Transmit DR）和接收数据寄存器RDR（Receive DR）。

但其实，这两个数据寄存器都占用一个地址，在程序上只表现为一个寄存器，那就是数据寄存器DR(Data Register)。

当数据从TDR移动到移位寄存器时，会置一个标志位，叫TXE(TX Empty),发送寄存器空。我们检查这个标志位，如果置1了，我们就可以在TDR写入下一个数据了。然后发送移位器就会在下面的发送器控制的驱动下，向右移位，然后一位一位地，把数据输出到TX引脚。向右移位，正好和串口协议规定的低位先行，是一致的。

同样的，接收数据的时候，也会置一个标志位，叫RXNE（RX Not Empty），接收数据寄存器非空。当我们检测到RXNE置1之后，就可以把数据读走了。当数据从移位寄存器转移到RDR时，就可以直接移位接收下一帧数据了。

如上所示的中间位置，有一个唤醒单元，而这个唤醒单元的作用就是用来实现多设备的功能。

串口一般是点对点模式。

上面的时钟输入一般是fPCLKx（x=1或2）。

USART1挂载在APB2，所以就是PCLK2的时钟，一般是72M.其他的USART都挂载在APB1,所以是PCLK1的时钟，一般是32M.

之后这个时钟进行一个分频，除以一个USARTDIV的分频系数。之后分频完后，还要再除个16，得到发送器时钟和接收器时钟，通向控制部分。

然后右边这里，如果TE(TX Enable)为1，就是发送器使能了，发送部分的波特率就有效。

如果RE(RX Enable)为1，就是接收器使能了，接收部分的波特率就有效。

到这里USART的框图就看完了，剩下的就是一些寄存器的指示，比如各个CR控制寄存器的哪一位控制那一部分电路。这些都可以自己看看手册里的寄存器描述。

最后我们看下USART基本结构：

上图中的最左边这里就是波特率发生器，用于产生约定的通信速率。

时钟来源是PCLK2或1.

三. 串口发送+接收

通过观察引脚定义表，我们可以发现USART1的TX是PA9,RX是PA10.

如下所示：

所以根据产品手册和上文中所介绍的USART串口结构，我们可以总结除如下串口的相关代码配置流程：

1）开启时钟，把需要用到的USART和GPIO的时钟打开。

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);	//开启USART1的时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	//开启对应的GPIO口

2）GPIO初始化，把TX配置成复用功能（因为只有复用功能才能让片上外设模块的复用功能生效），RX配置成输入模式。

    /*GPIO初始化*/GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PA9引脚初始化为复用推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;           //将PA10引脚初始化为上拉输入模式GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

3）配置USART,可以直接使用一个结构体，就可以把相关的所有参数配置好了。

    /*USART初始化*/USART_InitTypeDef USART_InitStructure;					//定义结构体变量USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;				//波特率USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;	//硬件流控制，不需要USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;	//模式，发送模式和接收模式均选择USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;		//奇偶校验，不需要USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;	//停止位，选择1位USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;		//字长，选择8位USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

4）如果你只需要发送的功能，就直接开启USART，初始化就完成了。如下所示：

USART_Cmd(USART1, ENABLE);

如果你需要接收的功能，可能还需要配置中断，那就在开启USART之前，再加上ITConfig和NVIC的代码就行了。如下所示：

    /*NVIC中断分组*/NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);			//配置NVIC为分组2/*NVIC配置*/NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;					//定义结构体变量NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;		//选择配置NVIC的USART1线NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;			//指定NVIC线路使能NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;		//指定NVIC线路的抢占优先级为1NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;		//指定NVIC线路的响应优先级为1NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

在上面进行好了USART相关初始化后，就需要编写串口函数了，在启动文件startup_stm32f10x_md.s中找到串口的名称，如下所示：

void USART1_IRQHandler(void)
{if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)		//判断是否是USART1的接收事件触发的中断{Serial_RxData = USART_ReceiveData(USART1);				//读取数据寄存器，存放在接收的数据变量Serial_RxFlag = 1;										//置接收标志位变量为1USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);			//清除USART1的RXNE标志位//读取数据寄存器会自动清除此标志位//如果已经读取了数据寄存器，也可以不执行此代码}
}

我们就可以编写程序来测试下了。这里例举两个测试案例：

#include "Serial.h"uint8_t RxData;			//定义用于接收串口数据的变量int main(void)
{/*模块初始化*/OLED_Init();		//OLED初始化/*显示静态字符串*/OLED_ShowString(1, 1, "RxData:");/*串口初始化*/Serial_Init();		//串口初始化while (1){if (Serial_GetRxFlag() == 1)			//检查串口接收数据的标志位{RxData = Serial_GetRxData();		//获取串口接收的数据Serial_SendByte(RxData);			//串口将收到的数据回传回去，用于测试OLED_ShowHexNum(1, 8, RxData, 2);	//显示串口接收的数据}}
}