STM32f103串口通信详解

原理分析

首先，我们从串口通信的物理层和协议层来分别分析。

1. 物理层
   对于串口通信的物理层的标准变化有很多种，在这儿，我主要是讲解 RS-232 标准。
   这儿是以 RS-232 标准的常见设备通信结构图：
   
   由图可以看到，两个信号的 DB9 接口，通过串口信号线连接在一起，信号线是使用的 RS-232 标准传输数据信号。但是 RS-232 标准信号不能直接被控制器识别使用，所以我们需要使用一个电平转换芯片转换成 TTL 标准信号，才能实现通信。
   为什么需要转换呢？ RS-232 与 TTL 有什么区别呢？
   
   上图是两种标准电平信号的区别。
   
   上图是两种电平标准表示同一个信号的对比图。
   对于 DB9 这种串口线我就不过多介绍了，我们只需要了解到下图的连线方式就可以了。
   
   这儿要记住， RXD 与 TXD是交叉连接的。
2. 协议层

串口通信的数据包又发送设备通过自身的 TXD 接口传输到接收设备的 RXD 接口，在串口通讯的协议层中，数据结构又下图所示，起始位，数据位，校验位，停止位。

波特率
由于异步通信之中是没有时钟信号的，所以需要在两个设备之间约定好波特率（及每个码元的长度）。
通讯的起始和停止信号
串口通讯的一个数据包从起始信号开始，到停止信号结束，起始信号由一个逻辑 0 表示，停止信号可以由 0.5 ， 1 ， 1.5 ， 或者 2 来表示（ 2 个位），只要两台设备约定一致就行。
有效数据
起始位之后就是有效数据（主体数据），一般 5 ， 6 ， 7 ， 8 位长。
数据校验
由于数据通信容易受到外部干扰而导致数据偏差，可以通过加入校验位来解决，一般来说，有奇偶校验， 01 校验，或者无校验。
奇校验要求有效数据加上校验位中 1 的个数位奇数，而偶校验就要求为偶数， 0 校验校验位总位为 0 ， 1 校验校验位总为 1。

现在开始介绍 STM32 的 USART 原理

接下来我们来具体分析这张图：

功能引脚

从这儿我们可以看到，在 STM32 中，它有这么一些功能引脚：
TX ：发送数据的引脚
RX：接收数据的引脚
SW_RX：数据接收引脚，只用于单线和智能卡模式，属于内部引脚，没有具体的外部引脚
nRTS：请求以发送， n 代表低电平有效。如果使能这个引脚，当准备接收数据时就会变成低电平，当接收寄存器已经满了，就会置高。
nCTS：清除以发送，低电平有效，若使能，当发送数据之前会检测一下，若是低电平，则可以发送数据，若是高电平，则在当前数据发送完后停止发送。
SCLK：发送器时钟输出引脚，仅适用于同步模式
因为每个芯片对应的 USART 引脚不一样，所以需要去芯片资料自行查阅。

数据寄存器

在 STM32 中 USART 的数据寄存器只有低九位有效用来存放接收和发送的数据，并且第九位数据是否有效取决于 USART 控制寄存器决定。

发送和接收的数据都是放在数据寄存器中，所以数据寄存器实际上包含了两个寄存器，一个是用于发送的可写寄存器 TDR ，一个是用于接收的可读 RDR，当进行读写操作时，数据都是放在这个数据寄存器当中。
TDR 和 RDR 都是介于系统总线和移位寄存器之间。串行通信是一个位一个位传输的， 发送时把 TDR 内容转移到发送移位寄存器，然后把移位寄存器数据每一位发送出去，接收 时把接收到的每一位顺序保存在接收移位寄存器内然后才转移到 RDR。

控制器

当 USART_CR1 寄存器发送使能置 1 ，也就是 TE 置 1 时，启动数据发送（此时可以往数据寄存器里面写入数据。），发送移位寄存器的 数据会在 TX 引脚输出，当 RE 置 1 ，使能 USART 接收， RX 口开始搜索起始位，当确定到起始位后，将接收到的数据放到数据寄存器里，并把 RXNE 位置 1 。如果是同步模式， SCLK 也会输出时钟信号。

停止位时间长短可以通过 USART 控制寄存器2控制。

小数波特率的生成

USART 的接收好和发送使用同一个波特率，计算公式为：

f（CK） 为 USART 时钟，USARTDIV是一个存放波特率的寄存器

校验控制
在 STM32F103 系列的 USART 还支持奇偶校验位，当使用奇偶校验时，数据位加上校验位一共 9 位，此时的 CR1 寄存器 M 位需要置 1 ，设置为 9 位数据位。

中断控制
当然，对于串口通信中，有多个串口中断请求事件，分别代表了各种状态下的情况。
所有 USART 的控制都在下列寄存器里。

状态寄存器 SR

数据寄存器 DR

波特比例寄存器 BRR

控制寄存器 CR1

控制寄存器 CR2

控制寄存器 CR3

保护时间和预分频寄存器 GTPR

此上，就是所有关于 STM32F103 的 USART 的所有寄存器，接下来来实操固件库函数吧！

代码

#define DEBUG_USART_IRQ USART1_IRQn	//宏定义中断源，方便移植，增强可读性。
#define DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT GPIOA	//宏定义TX的GPIO。
#define DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN GPIO_Pin_9	//宏定义TX口的引脚。
#define DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT GPIOA	//宏定义RX的GPIO。
#define DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN GPIO_Pin_10	//宏定义RX口的引脚。
#define DEBUG_USART_BAUDRATE 115200	//宏定义波特率。
#define  DEBUG_USARTx USART1	//宏定义串口。

static void NVIC_Configuration(void)	//这儿是USART的中断配置，static代表限制了此函数只能在本文件之中使用。
{
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;	//定义一个NVIC的结构体。
  
  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);	//配置优先级分组。
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DEBUG_USART_IRQ;	//配置USART为中断源
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;	//选择中断主优先级。
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;	//配置子优先级。
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;	//使能中断。
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);	//初始化NVIC结构体。
}

void USART_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;	//定义一个GPIO结构体。
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;	//定义一个USART结构体。

	DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE);	// 打开串口GPIO的时钟。
	DEBUG_USART_APBxClkCmd(DEBUG_USART_CLK, ENABLE);	// 打开USART的时钟。
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN;	//配置发送引脚。
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;	//模式选择推挽复用模式。
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	//配置引脚速度。
	GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);	//初始化发送引脚。
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN;	//配置接收引脚。
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;	//模式选择浮空输入模式。
	GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);	//初始化接收引脚。
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = DEBUG_USART_BAUDRATE;	//配置波特率。
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;	//配置数据字长。
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;	//配置停止位。
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;	//配置校验位。
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;	//关闭硬件流控制。
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;	//配置工作模式为接收和发送。
	USART_Init(DEBUG_USARTx, &USART_InitStructure);	//初始化USART结构体。
	NVIC_Configuration();	//串口中断优先级配置。
	USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE, ENABLE);	//使能串口接收中断。
	USART_Cmd(DEBUG_USARTx, ENABLE);	//使能串口。	    
}

以上，就是串口的所有配置了，此时串口已经打开，我们需要怎么来使用呢？可以直接使用固件库里面的函数。

void Usart_SendByte( USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t ch)	//发送一个字节的数据
{
	USART_SendData(pUSARTx, ch);	//发送一个字节数据到USART的数据寄存器，进行发送。
	while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);	//等待发送数据寄存器为空，数据发送出去后才退出发送函数。
}

void Usart_SendArray( USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t *array, uint16_t num)	//发送一个八位数据的数组。
{
  uint8_t i;	//定义一个数来记录数组个数。
  for(i=0; i<num; i++)	//i记录发送数据组数，当数组全部发送完成，退出循环。
  {
  	Usart_SendByte(pUSARTx, array[i]);	//每次发送一个字节数据到USART数据寄存器。
  }
  while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TC)==RESET);	//等待发送完成后退出函数。
}

void Usart_SendString( USART_TypeDef * pUSARTx, char *str)	//发送字符串。
{
	unsigned int k=0;	//定义一个数，记录字符串长度。
	do 
	{
		Usart_SendByte(pUSARTx, *(str + k));	//字符是有ASCII表表达，所以每一个字符都是一个八位的数据。
     	k++;	//记录数据已发送长度。
  	} while(*(str + k)!='\0');	//判断下一个字符是否为'\0'。
 	while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx,USART_FLAG_TC)==RESET);	//等待发送完成。
}

void Usart_SendHalfWord( USART_TypeDef * pUSARTx, uint16_t ch)	//发送16位数据。
{
	uint8_t temp_h, temp_l;	//将16位数据拆分为两个8位数据。
	
	temp_h = (ch&0XFF00)>>8;	//取出高八位。
	temp_l = ch&0XFF;	//取出低八位。
	USART_SendData(pUSARTx,temp_h);	//发送高八位。
	while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);	//等待高8位发送完成。
	USART_SendData(pUSARTx,temp_l);	//发送低八位。
	while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);	//等待低8位发送完成。
}

以上就是串口的发送函数了，读取数据就要去中断里面读取，中断函数全部在 stm32f10x_it.c 文件里。

#define  DEBUG_USART_IRQHandler USART1_IRQHandler	//宏定义串口中断函数名字。

void DEBUG_USART_IRQHandler(void)
{
  uint8_t ucTemp;	//定义一个8位数据来保存数据。
  
  if(USART_GetITStatus(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE)!=RESET)	//确认数据寄存器不为空，读取数据。
  {		
  	ucTemp = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);	//读取数据，可以使用全局变量来保存。
  }	 
}

以上，就是关于串口的发送和读取了，不过，对于写习惯了 C 语言的人来说，更加习惯用 C 语言里面的输入输出吧，那串口可以使用这个来进行发送和接收数据吗？当然可以！只需要将函数重定向就可以了。

int fputc(int ch, FILE *f)	//重定向c库函数printf到串口，重定向后可使用printf函数。
{
	USART_SendData(DEBUG_USARTx, (uint8_t) ch);	//发送一个字节数据到串口。
	while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);	//等待发送完毕。	
	
	return (ch);
}

int fgetc(FILE *f)	//重定向c库函数scanf到串口，重写向后可使用scanf、getchar等函数。
{
		while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_RXNE) == RESET);	//等待串口输入数据。

		return (int)USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);
}

是不是很简单，相信大家都已经学会了 STM32 的串口使用了吧。
谢谢大家的阅读！！！