第8章 USART与开发实例

第8章USART与开发实例8.1串行通信基础无论是RS-232还是RS-485，均可采用通用异步收发数据格式。通用异步收发器（UniversalAsynchronousReceiver／Transmitter，UART）通信的数据格式如图8-1所示。8.1.1串行异步通信数据格式图8-1通用异步收发器（UART）通信的数据格式（1）通信线上无数据时线路应处于逻辑1状态（高电平）。（2）发送字符时，先送起始位（逻辑0，低电平），紧接数据位，有效数据位为5~8位。（3）之后根据需要加奇偶校验位，最后是停止位（逻辑1，高电平），位数可选1、1.5或2位。串行同步通信是由1～2个同步字符和多字节数据位组成，同步字符作为起始位以触发同步时钟开始发送或接收数据；多字节数据之间不允许有空隙，每位占用的时间相等；空闲位需发送同步字符。串行同步收发通信的数据格式如图8-2所示。8.1.2串行同步通信数据格式图8-2串行同步收发通信的数据格式8.2STM32的USART工作原理通用同步/异步收发器可以说是嵌入式系统中除了GPIO外最常用的一种外设。USART因简单通用，被广泛用于各种计算机和单片机的数据交换。USART接口物理连接简单，仅需2～3根线实现通信。嵌入式系统常用USART进行调试，发送运行状态信息，便于定位错误。USART通信的另一个优势是可以适应不同的物理层。8.2.1USART介绍例如，使用RS-232或RS-485可以明显提升USART通信的距离，无线FSK（FrequencyShiftKeying，频移键控）调制可以降低布线施工的难度。所以USART口在工控领域也有着广泛的应用，是串行接口的工业标准（IndustryStandard）。SM32F407微控制器的小容量产品有2个USART，中等容量产品有3个USART，大容量产品有3个USART＋2个UART。USART主要特性如下：（1）全双工，异步通信。（2）NRZ标准格式。（3）分数波特率发生器系统。发送和接收共用的可编程波特率，最高达10.5Mb/s。（4）可编程数据字长度（8位或9位）。（5）可配置的停止位（支持1或2个停止位）。（6）LIN主发送同步断开符的能力以及LIN从检测断开符的能力。当USART硬件配置成LIN时，生成13位断开符；检测10/11位断开符。（7）发送方为同步传输提供时钟。8.2.2USART的主要特性（8）IRDASIR编码器/解码器。在正常模式下支持3/16位的持续时间。（9）智能卡模拟功能。智能卡接口支持ISO7816-3标准中定义的异步智能卡协议；智能卡用到0.5和1.5个停止位。（10）单线半双工通信。（11）可配置的使用DMA的多缓冲器通信。在SRAM中利用集中式DMA缓冲接收／发送字节。（12）单独的发送器和接收器使能位。（13）检测标志：接收缓冲器满；发送缓冲器空、传输结束标志。（14）校验控制：发送校验位、对接收数据进行校验。（15）四个错误检测标志：溢出错误、噪声错误、帧错误、校验错误。（16）10个带标志的中断源：CTS改变、LIN断开符检测、发送数据寄存器空、发送完成、接收数据寄存器满、检测到总线为空闲、溢出错误、帧错误、噪声错误、校验错误。（17）多处理器通信：如果地址不匹配，则进入静默模式。（18）从静默模式中唤醒：通过空闲总线检测或地址标志检测。（19）两种唤醒接收器的方式：地址位（MSB，第9位），总线空闲。STM32F407微控制器USART接口通过三个引脚与其他设备连接在一起，其内部结构如图8-3所示。8.2.3USART的功能图8-3USART内部结构任何USART双向通信至少需要两个引脚：接收数据输入（RX）和发送数据输出（TX）。RX：接收数据串行输入。通过过采样技术区别数据和噪声，从而恢复数据。TX：发送数据串行输出。当发送器被禁止时，输出引脚恢复到它的I/O端口配置。当发送器被激活，并且不发送数据时，TX引脚处于高电平。在单线和智能卡模式下，此I/O被同时用于数据的发送和接收。（1）总线在发送或接收前应处于空闲状态。（2）一个起始位。（3）一个数据字（8或9位），最低有效位在前。（4）0.5、1.5、2个的停止位，由此表明数据帧结束。（5）分数波特率生成器采用12位整数和4位小数的格式表示。这种设计允许更精确地设置波特率，从而确保串行通信的准确性和一致性。（6）一个状态寄存器（USART_SR）。（7）数据寄存器（USART_DR）。（8）一个波特率寄存器（USART_BRR），12位的整数和4位小数。（9）一个智能卡模式下的保护时间寄存器（USART_GTPR）。1.波特率控制波特率控制即图8-3下部虚线框的部分。通过对USART时钟的控制，可以控制USART的数据传输速度。通过改变USART外设时钟源的分频系数USARTDIV，可以设置USART的波特率。波特率决定了USART数据通信的速率，通过设置波特率寄存器（USART_BRR）配置波特率。标准USART的波特率计算公式：波特率＝fPCLK/（8x（2−OVER8）×USARTDIV）式中，fPCLk是USART总线时钟；OVER8是过采样设置；USARTDIV是需要存储在USART_BRR中的数据。USART_BRR由以下两部分组成。（1）USARTDIV的整数部分：USART_BRR的位15:4，即DIV_Mantissa［11:0］。（2）USARTDIV的小数部分：USART_BRR的位3:0，即DIV_Fraction［3:0］。2.收发控制收发控制即图8-3的中间部分。该部分由若干个控制寄存器组成，如USART控制寄存器（ControlRegister）CR1、CR2、CR3和USART状态寄存器（StatusRegister）SR等。通过向以上控制寄存器写入各种参数，控制USART数据的发送和接收。同时，通过读取状态寄存器，可以查询USART当前的状态。USART状态的查询和控制可以通过库函数实现。3.数据存储转移数据存储转移即图8-3上部灰色的部分。它的核心是两个移位寄存器：发送移位寄存器和接收移位寄存器。这两个移位寄存器负责收发数据并进行并串转换。1）USART数据发送过程USART发送时，DMA或指令先写数据到发送寄存器（TDR）。发送控制器自动将TDR数据加载到移位寄存器，逐位通过Tx引脚发送。TDR转移完成生成TXE事件，发送完成生成TC事件，均可状态寄存器查询。2）USART数据接收过程USART数据接收是USART数据发送的逆过程。USART接收数据时，数据由RX引脚逐位进入接收移位寄存器。接收控制器再将其转移到接收数据寄存器（RDR）。最后，内核指令或DMA将RDR数据读入内存。当接收移位寄存器的数据转移到接收数据寄存器后，会产生接收数据寄存器非空／已满事件RXNE。可以通过编程USART_CR1寄存器中的M位，选择8或9位字长，如图8-4所示。起始位传输时，TX引脚保持低电平；停止位传输时，TX引脚为高电平。空闲符号视为全1数据帧，紧接下一帧的起始位。断开符号为全0帧，结束时插入1至2停止位应答。发送接收共用波特率发生器，设置使能位即可为两者产生时钟信号。图8-4中的LBCL（LastBitClockPulse，最后一位时钟脉冲）为控制寄存器2（USART_CR2）的第8位。在同步模式下，该位用于控制是否在CK引脚上输出最后发送的那个数据位（最高位）对应的时钟脉冲。8.2.4USART的通信时序0：最后一位数据的时钟脉冲不从CK输出；1：最后一位数据的时钟脉冲会从CK输出。图8-4USART通信时序STM32F407系列微控制器的USART主要有以下各种中断事件：（1）发送期间的中断事件包括发送完成（TC）、清除发送（CTS）、发送数据寄存器空（TXE）。（2）接收中断事件包括：空闲总线检测(IDLE)、溢出错误(ORE)、接收寄存器非空(RXNE)、校验错误(PE)、LIN断开检测(LBD)、噪声错误(NE)和帧错误(FE)。如果设置了对应的使能控制位，这些事件就可以产生各自的中断。如书中表8-1所示。8.2.5USART的中断下面介绍STM32F407的USART相关寄存器名称，可以用半字（16位）或字（32位）的方式操作这些外设寄存器。（1）状态寄存器（USART_SR）。（2）数据寄存器（USART_DR）。（3）波特比率寄存器（USART_BRR）。（4）控制寄存器1（USART_CR1）。（5）控制寄存器2（USART_CR2）。（6）控制寄存器3（USART_CR3）。（7）保护时间和预分频寄存器（USART_GTPR）。8.2.6USART的相关寄存器8.3USART的HAL驱动程序串口的驱动程序头文件是stm32f4xx_hal_uart.h。串口操作的常用HAL函数如书中表8-2所示。1. 串口初始化函数HAL_UART_Init()用于串口初始化，主要是设置串口通信参数。其原型定义如下：HAL_StatusTypeDefHAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef*huart)其中，参数huart是UART_HandleTypeDef类型的指针，是串口外设对象指针。在STM32CubeMX生成的串口程序文件usart.c里，会为一个串口定义外设对象变量，如：UART_HandleTypeDefhuartl;//USART1的外设对象变量8.3.1常用功能函数结构体类型UART_HandleTypeDef的定义如下，各成员变量的意义见注释：typedefstruct_UART_HandleTypeDef｛UART_TypeDef*Instance;//UART寄存器基址UART_InitTypeDefInit;//UART通信参数uint8_t*pTxBuffPtr;//发送数据缓冲区指针uint16_tTxXferSize;//需要发送数据的字节数_IOuint16_tTxXferCount;//发送数据计数器，递增计数uint8_t*pRxBuffPtr;//接收数据缓冲区指针uint16_tRxXferSize；//需要接收数据的字节数_IOuint16_tRxXferCount；//接收数据计数器，递减计数DMA_HandleTypeDef*hdmatx;//数据发送DMA流对象指针DMA_HandleTypeDef*hdmarx；//数据接收DMA流对象指针HAL_LockTypeDefLock；//锁定类型_IOHAL_UART_StateTypeDefgState；//UART状态_IOHAL_UART_StateTypeDefRxState;//发送操作相关的状态_IOuint32_tErrorCode；//错误码}UART_HandleTypeDef；结构体UART_HandleTypeDef的成员变量Init是结构体类型UART_InitTypeDef，它表示串口通信参数。在STM32CubeMX中，用户可以可视化地设置串口通信参数，生成代码时会自动生成串口初始化函数。2. 阻塞模式数据传输串口数据传输有两种模式:阻塞模式和非阻塞模式。（1）阻塞模式（blockingmode）就是轮询模式，例如，使用函数HAL_UART_Transmit()发送一个缓冲区的数据时，这个函数会一直执行，直到数据传输完成或超时之后，函数才返回。（2）非阻塞模式（non-blockingmode）是使用中断或DMA方式进行数据传输，例如，使用函数HAL_UART_Transmit_IT()启动一个缓冲区的数据传输后，该函数立刻返回。数据传输的过程引发各种事件中断，用户在相应的回调函数中进行处理。以阻塞模式发送数据的函数是HAL_UART_Transmit()，其原型定义如下：HAL_StatusTypeDefHAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef*huart，uint8_t*pData，uint16_tSize，uint32_tTimeout)其中，参数pData是缓冲区指针；参数Size是需要发送的数据长度（字节）；参数Timeout是超时，用嘀嗒信号的节拍数表示。3. 非阻塞模式数据传输以中断或DMA方式启动的数据传输是非阻塞式的。以中断方式发送数据的函数是HAL_UART_Transmit_IT()，其原型定义如下：HAL_StatuaTypeDetHAL_UART_Transmit_IT(UART_HandleTypeDef*huart，uint8_t*pData，uint16_tSize)其中，参数pData是需要发送的数据缓冲区指针，参数Size是需要发送的数据长度（字节）。这个函数以中断方式发送一定长度的数据，若函数返回值为HAL_OK，表示启动发送成功，但并不表示数据发送完成了。在HAL驱动程序中，每个外设都有一些以“＿HAL”为前缀的宏函数。这些宏函数直接操作寄存器，主要是进行启用或禁用外设、开启或禁止事件中断、判断和清除中断标志位等操作。串口操作常用的宏函数如表8-3所示。8.3.2常用的宏函数表8-3串口操作常用的宏函数这些宏函数中的参数＿HANDLE＿是串口外设对象指针，参数＿INTERRUPT＿和＿IT＿都是中断事件类型。一个串口只有一个中断号，但是中断事件类型较多，文件stm32f4xx＿hal＿uart．h定义了这些中断事件类型的宏，全部中断事件类型定义如下：#defineUART_IT_PE((uint32_t)(UART_CR1_REG_INDEX<<28U|USART_CR1_PEIE))#defineUART_IT_TXE((uint32_t)(UART_CR1_REG_INDEX<<28U|USART_CR1_TXEIE))#defineUART_IT_TC((uint32_t)(UART_CR1_REG_INDEX<<28U|USART_CR1_TCIE))#defineUART_IT_RXNE((uint32_t)(UART_CR1_REG_INDEX<<28U|USART_CR1_RXNEIE))#defineUART_IT_IDLE((uint32_t)(UART_CR1_REG_INDEX<<28U|USART_CR1_IDLEIE))#defineUART_IT_LBD((uint32_t)(UART_CR2_REG_INDEX<<28U|USART_CR2_LBDIE))#defineUART_IT_CTS((uint32_t)(UART_CR3_REG_INDEX<<28U|USART_CR3_CTSIE))#defineUART_IT_ERR((uint32_t)(UART_CR3_REG_INDEX<<28U|USART_CR3_EIE))一个串口只有一个中断号，也就是只有一个ISR（中断服务程序），例如，USART1的全局中断对应的ISR是USART1＿IRQHandler()。在STM32CubeMX自动生成代码时，其ISR框架会在文件stm32f4xx_it．c中生成，代码如下：voidUSART1_IRQHandler(void)//USART1中断ISR{HAL_UART_IRQHandler(&huart1);//串口中断通用处理函数}所有串口的ISR都是调用HAL_UART_IRQHandler()这个处理函数，这个函数是中断处理通用函数。8.3.3中断事件与回调函数8.4采用STM32CubeMX和HAL库的USART串行通信应用实例STM32F4的USART的功能有很多。最基本的功能就是发送和接收。其功能的实现需要串口工作方式配置、串口发送和串口接收三部分程序。本节只介绍基本配置，其他功能和技巧都是在基本配置的基础上完成的，读者可参考相关资料。HAL库提供的串口相关操作函数。8.4.1STM32F4的USART的基本配置流程1）串口参数初始化（波特率/停止位等），并使能串口。串口作为STM32的一个外设，HAL库为其配置了串口初始化函数。接下来看看串口初始化函数HAL_UART_Init相关知识，定义如下：HAL_StatusTypeDefHAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef*huart);该函数只有一个入口参数huart，为UART_HandleTypeDef结构体指针类型，俗称串口句柄，它的使用会贯穿整个串口程序。一般情况下，会定义一个UART_HandleTypeDef结构体类型全局变量，然后初始化各个成员变量。接下来看看结构体UART_HandleTypeDef的定义：typedefstruct{USART_TypeDef *Instance;UART_InitTypeDef Init;uint8_t *pTxBuffPtr;uint16_t TxXferSize;IOuint16_t TxXferCount;uint8_t *pRxBuffPtr;uint16_t RxXferSize;IOuint16_t RxXferCount;DMA_HandleTypeDef *hdmatx;DMA_HandleTypeDef *hdmarx;HAL_LockTypeDef Lock;IOHALUARTStateTypeDef gState;IOHALUARTStateTypeDefRxState;__IOuint32_t ErrorCode;}UART_HandleTypeDef; 该结构体成员变量非常多，一般情况下载调用函数HAL_UART_Init对串口进行初始化的时候，只需要先设置Instance和Init两个成员变量的值。2）使能串口和GPIO口时钟。要使用串口，所以必须使能串口时钟和使用到的GPIO口时钟。例如要使用串口1，所以必须使能串口1时钟和GPIOA时钟（串口1使用的是PA9和PA10）。3）GPIO口初始化设置（速度、上下拉等）以及复用映射配置。4）开启串口相关中断，配置串口中断优先级。5）编写中断服务函数。串口1中断服务函数为：voidUSART1_IRQHandler(void);当发生中断的时候，程序就会执行中断服务函数。然后在中断服务函数中编写它们相应的逻辑代码即可。6）串口数据接收和发送。STM32F4的发送与接收是通过数据寄存器USART_DR实现的，这是一个双寄存器，包含了TDR和RDR。当向该寄存器写数据的时候，串口就会自动发送，当收到数据时，也是存在该寄存器内。HAL库操作USART_DR寄存器发送数据的函数是：HAL_StatusTypeDefHAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef*huart,uint8_t*pData,uint16_tSize,uint32_tTimeout);通过该函数向串口寄存器USART_DR写入一个数据。HAL库操作USART_DR寄存器读取串口接收到的数据的函数是：HAL_StatusTypeDefHAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef*huart,uint8_t*pData,uint16_tSize,uint32_tTimeout);通过该函数可以读取串口接收到的数据。为利用USART实现开发板与计算机的通信，需要用到一个USB转USART的IC电路，选择CH340G芯片实现这个功能。CH340G是一个USB总线的转接芯片，实现USB转USART、USB转IrDA或者USB转打印机接口。使用其USB转USART功能，具体电路设计如图8-5所示。在本实例中，编写一个程序实现开发板与计算机串口调试助手通信，在开发板上电时通过USART1发送一串字符串给计算机，然后开发板进入中断接收等待状态，如果计算机有发送数据过来，开发板就会产生中断，在中断服务函数接收数据，并马上把数据返回发送给计算机。8.4.2STM32F4的USART串行通信应用硬件设计图8-5USB转USART的硬件电路设计STM32F407ZGT6有四个USART和两个UART，其中USART1和USART6的时钟来源于APB2总线时钟，其最大频率为84MHz，其他四个的时钟来源于APB1总线时钟，其最大频率为42MHz。USART_InitTypeDef结构体成员用于设置USART工作参数，并由外设初始化配置函数，比如MX_USART1_UART_Init()调用，这些设定参数将会设置外设相应的寄存器，达到配置外设工作环境的目的。初始化结构体定义在stm32f4xx_hal_usart.h文件中，初始化库函数定义在stm32f4xx_hal_usart.c文件中，编程时可以结合这两个文件内注释使用。8.4.3 STM32F4的USART串行通信应用软件设计USART_InitTypeDef结构体如下。typedefstruct{uint32_tBaudRate;//波特率uint32_tWordLength;//字长uint32_tStopBits;//停止位uint32_tParity;//校验位uint32_tMode;//UART模式uint32_tHwFlowCtl;//硬件流控制uint32_tOverSampling;//过采样模式}USART_InitTypeDef;这些结构体成员说明如下，其中括号{}内的文字是对应参数在STM32HAL库中定义的宏：（1）BaudRate：波特率设置。一般设置为2400、9600、19200、115200。HAL库函数会根据设定值计算得到UARTDIV值，并设置UART_BRR寄存器值。（2）WordLength：数据帧字长，可选8位或9位。它设定UART_CR1寄存器的M位的值。如果没有使能奇偶校验控制，一般使用8数据位；如果使能了奇偶校验则一般设置为9数据位。（3）StopBits：停止位设置，可选0.5个、1个、1.5个和2个停止位，它设定USART_CR2寄存器的STOP[1:0]位的值，一般选择1个停止位。（4）Parity：奇偶校验控制选择，可选USART_PARITY_NONE(无校验)、USART_PARITY_EVEN(偶校验)以及USART_PARITY_ODD(奇校验)，它设定UART_CR1寄存器的PCE位和PS位的值。（5）Mode：UART模式选择，有USART_MODE_RX和USART_MODE_TX，允许使用逻辑或运算选择两个，它设定USART_CR1寄存器的RE位和TE位。（6）HwFlowCtl：设置硬件流控是否使能或禁能。硬件流控可以控制数据传输的进程，防止数据丢失，该功能主要在收发双方传输速度不匹配的时候使用。（7）OverSampling：设置采样频率和信号传输频率的比例。1.通过STM32CubeMX新建工程通过STM32CubeMX新建工程的步骤如下：（1）新建文件夹。在Demo目录下新建文件夹USART，这是保存本章新建工程的文件夹。（2）新建STM32CubeMX工程。在STM32CubeMX开发环境中新建工程。（3）选择MCU或开发板。CommercialPartNumber和MCUs/MPUsList选择STM32F407ZGT6，选择StartProject启动工程。（4）保存STM32CubeMX工程。执行STM32CubeMX菜单File→SaveProject命令，保存工程。（5）生成报告。执行STM32CubeMX菜单File→GenerateReport命令生成当前工程的报告文件。（6）配置MCU时钟树。在STM32CubeMXPinout&Configuration子页面下，选择SystemCore→RCC，HighSpeedClock（HSE）根据开发板实际情况，选择Crystal/CeramicResonator（晶体/陶瓷晶振）。（7）配置MCU外设。首先配置USART1，在STM32CubeMXPinout&Configuration子页面下选择Connectivity→USART1，对USART1进行设置。Mode选择Asynchronous，HardwareFlowControl(RS232)选择Disable，ParameterSettings具体配置如图8-6所示。图8-6USART1配置页面NVIC配置页面如图8-7所示。图8-7NVIC配置页面在CodeGeneration子页面，Selectforinitsequenceordering栏勾选USART1globalinterrupt，NVICCodeGeneration配置页面如图8-8所示。图8-8NVICCode