STM32F407ZGT6串口通信讲解

串口(UART) 1 .UART概述

串口其实就是一种通信协议。
什么是通信协议？
通信双方在数据交流的过程中需要遵守的规则。

1.1 补充(常用通信协议分类及其特征介绍)

1. 同步、异步

同步：通信双方在同一个时钟脉冲下进行通信

异步：通信双方的时钟脉冲由各自提供

2. 单工、半双工、全双工

单工：在一个通信系统中，发送数据的一方叫发送发，接受数据的一方叫接受方，一旦角色确定下来后，永远不会改变。（遥控器）

半双工：在一个通信系统中，一个设备既可以作为发送方发送数据，也可以作为接收方接受数据，但是同一时刻只能拥有一种身份。----可以切换方向的单工（对讲机）

全双工：在一个通信系统中，同一个设备同一时刻既是发送方，也是接收方，同时收发数据。（电话，手机）

3. 串行、并行

串行：只有一根数据线，数据一位一位地传输

并行：有多跟数据线，数据多位传输

4. 现场总线、板级总线

现场总线：没有固定在PCB板上的总线。（ can ）
板级总线：固定在PCB班上的总线。（串口、IIC、SPI）

UART原理示意图：

UART数据帧格式

启动位：
一个bit的低电平时间，一帧的数据的开始
数据位：
传输的有效数据，可以是5-8位
奇偶校验位：
当开启了奇偶校验功能时，数据位的最高位就作为奇偶校验位；如果不开启奇偶校验功能时，就不奇偶校验位。用于验证数据传输过程中是否有数据丢失。
奇偶校验精度只有50%。
CRC校验精度高达99.7%。
停止位：
1个位的高电平时间。（可设置成0.5、1、1.5、2bit）

一取数据位为8，不开奇偶校验，停止位为1。

UART四要素

数据位
奇偶校验位
停止位
波特率(bps):bit per second,每秒传输多少位数据。
通信双方必须在同一个波特率下进行通信

2. STM32的UART

异步串行全双工

universal synchronous asynchronous receiver transmitter
通用同步异步收发器 (USART) 能够灵活地与外部设备进行全双工数据交换，满足外部设备对工业标准 NRZ 异步串行数据格式的要求。 USART 通过小数波特率发生器提供了多种波特率。
它支持同步单向通信和半双工单线通信；还支持 LIN（局域互连网络）、智能卡协议与 IrDA（红外线数据协会） SIR ENDEC 规范，以及调制解调器操作 (CTS/RTS)。而且，它还支持多处理器通信。通过配置多个缓冲区使用 DMA 可实现高速数据通信。

STM32的UART特征(节选)

● 全双工异步通信
● NRZ 标准格式（标记/空格）
● 可配置为 16 倍过采样或 8 倍过采样，因而为速度容差与时钟容差的灵活配置提供了可能
● 小数波特率发生器系统
— 通用可编程收发波特率（有关最大 APB 频率时的波特率值，请参见数据手册）。
● 数据字长度可编程（8 位或 9 位）
● 停止位可配置 - 支持 1 或 2 个停止位
● 传输检测标志：
— 接收缓冲区已满
— 发送缓冲区为空
— 传输结束标志

STM32的UART框架
框架分析

将框架划分成4个部分：

外部接口部分
TX：数据发送管脚
RX：数据接收管脚
SW_RX:不属于标准串口
nRTS:问对方忙不忙（不属于标准串口）
nCTS:告诉对方你忙不忙（不属于标准串口）
SCLK：在同步模式下发送同步信号的（不属于标准串口）
数据收发传输部分
数据寄存器（DR）其实在内部分成两个寄存器，一个是用于发送的TDR寄存器，另一个是用于接收的RDR寄存器。我们对DR寄存器进行写操作时，实际上实在操作TDR寄存器，对DR寄存器进行读操作时，实际上是在操作RDR寄存器。
串口接受数据：数据从RX管脚一位一位地传输到接受移位寄存器里面，当接受移位寄存器接受满了后，就会自动送上接受数据寄存器（RDR），硬件就会使接受满标志位置1，我们直接读取DR寄存器就可以读取到串口接收到的数据。
串口发送数据：当发送缓冲区为空时，我们把要发送的数据直接写入到DR寄存器中，发送数据寄存器（TDR）就会将此数据传输到发送移位寄存器中，然后一位一位输出到TX端。
控制器部分
通过配置发送控制器和接受控制器来控制数据收发传输过程。主要是配置CR1控制寄存器。
小数波特率部分
以USART1为例:
fck=84Mhz.OVER8=0(过采样模式),波特率的值为bond.这些都是已知量。从此可以求出USARTDIV的值，将这个值写入到USART_BRR寄存器里面。

float USARTDIV;u32 DIV_Man;u32 DIV_Fra;
USARTDIV=84000000.0/(16*bond);
DIV_Man=USARTDIV;
DIV_Fra=(USARTDIV-DIV_Man)*16+0.5;
USART_BRR = DIV_Man<<4 | DIV_Fra;

注意：USART_BRR是寄存器，看手册

位 31:16 保留，必须保持复位值
位 15:4 DIV_Mantissa[11:0]：USARTDIV 的尾数
这 12 个位用于定义 USART 除数 (USARTDIV) 的尾数
位 3:0 DIV_Fraction[3:0]：USARTDIV 的小数
这 4 个位用于定义 USART 除数 (USARTDIV) 的小数。当 OVER8 = 1 时，不考虑 DIV_Fraction3
位，且必须将该位保持清零。

3.4 STM32的UART寄存器

3.4.1 状态寄存器 (USART_SR)

位 7 TXE：发送数据寄存器为空 (Transmit data register empty)
当 TDR 寄存器的内容已传输到移位寄存器时，该位由硬件置 1。如果 USART_CR1 寄存器
中 TXEIE 位 = 1，则会生成中断。通过对 USART_DR 寄存器执行写入操作将该位清零。
0：数据未传输到移位寄存器
1：数据传输到移位寄存器
注意：单缓冲区发送期间使用该位。

位 5 RXNE：读取数据寄存器不为空 (Read data register not empty)
当 RDR 移位寄存器的内容已传输到 USART_DR 寄存器时，该位由硬件置 1。如果
USART_CR1 寄存器中 RXNEIE = 1，则会生成中断。通过对 USART_DR 寄存器执行读入
操作将该位清零。 RXNE 标志也可以通过向该位写入零来清零。建议仅在多缓冲区通信时使
用此清零序列。
0：未接收到数据
1：已准备好读取接收到的数据

3.4.2 数据寄存器 (USART_DR)
位 8:0 DR[8:0]：数据值

3.4.3 波特率寄存器 (USART_BRR)

3.4.4 控制寄存器 1 (USART_CR1)

位 15 OVER8：过采样模式 (Oversampling mode)
0： 16 倍过采样
1： 8 倍过采样
注意： 8 倍过采样在智能卡、 IrDA 和 LIN 模式下不可用：当 SCEN=1、 IREN=1 或 LINEN=1 时，
OVER8 由硬件强制清零。
位 13 UE： USART 使能 (USART enable)
该位清零后， USART 预分频器和输出将停止，并会结束当前字节传输以降低功耗。此位由软
件置 1 和清零。
0：禁止 USART 预分频器和输出
1：使能 USART
位 12 M：字长 (Word length)
该位决定了字长。该位由软件置 1 或清零。
0： 1 起始位， 8 数据位， n 停止位
1： 1 起始位， 9 数据位， n 停止位
注意：在数据传输（发送和接收）期间不得更改 M 位
位 10 PCE：奇偶校验控制使能 (Parity control enable)
该位选择硬件奇偶校验控制（生成和检测）。使能奇偶校验控制时，计算出的奇偶校验位被
插入到 MSB 位置（如果 M=1，则为第 9 位；如果 M=0，则为第 8 位），并对接收到的数据
检查奇偶校验位。此位由软件置 1 和清零。一旦该位置 1， PCE 在当前字节的后面处于活动
状态（在接收和发送时）。
0：禁止奇偶校验控制
1：使能奇偶校验控制
位 3 TE：发送器使能 (Transmitter enable)
该位使能发送器。该位由软件置 1 和清零。
0：禁止发送器
1：使能发送器
注意： 1：除了在智能卡模式下以外，传送期间 TE 位上的“0”脉冲（“0”后紧跟的是“1”）
会在当前字的后面发送一个报头（空闲线路）。
2：当 TE 置 1 时，在发送开始前存在 1 位的时间延迟。

位 2 RE：接收器使能 (Receiver enable)
该位使能接收器。该位由软件置 1 和清零。
0：禁止接收器
1：使能接收器并开始搜索起始位

3.4.5 控制寄存器 2 (USART_CR2)
位 13:12 STOP：停止位 (STOP bit)
这些位用于编程停止位。
00： 1 个停止位
01： 0.5 个停止位
10： 2 个停止位
11： 1.5 个停止位

3.5 STM32的UART实验
PC通过串口发送数据给开发板，然后开发板通过串口接收到数据后回发给PC。

利用串口助手把数据从PC端发送到开发板

程序改进：
在demo1中，下载链接：https://download.csdn.net/download/qq_40860986/10962073
使用查询方式，查询接收缓冲区是否为空，不为空表示接收到数据完毕，将数据从数据寄存器保存到自己定义的char data;接收到马上发送出去。

demo2，使用串口中断，在中断完成收发，提高效率。但是有个问题，使用串口中断后并不知道串口接收在什么时候接收完成，需要在串口调试助手添加特殊结束符作为发送结束标志，当单片机接收到结束符，表示接收完成。下载链接：

u8 rev_buf[100];//接收缓冲区
u8 addr=0;     //地址偏移量
u8 revice_ok=0;//接收完成标志
//串口1中断服务函数
/*注意：
1.接收过程发生多次中断，并不是一次就接收完，PC端是一个字节一个字节的发送
单片机一个字节一个字节的接收，当发送完再读出一个完整的字符串。读取过程与
查询方式一样。
2.串口助手发送时，要以#做结尾，同时取消发送新行模式。*/
void USART1_IRQHandler(void)
{u8 data;data=USART1->DR;//读取同时会清除标志if(data=='#')//接收完成{rev_buf[addr]='\0';addr=0;revice_ok=1;}else//正常接收{rev_buf[addr++]=data;}}

demo3，使用串口中断，在中断完成收发，提高效率。取消用特殊标识符作为接收完成的标志。使用超时判断。（一个字节一个字节接收，每次接收计数值清零，当停止接收后，计数值不再清零，超过预设值就代表接收完成）
下载链接：

中断服务函数：

u8 rev_buf[100];//接收缓冲区
u8 addr=0;     //地址偏移量
u8 revice_ok=0;//接收完成标志
u8 revice_start=0;//开始接收受标志
u32 time_out=0;//超时计数值
//串口1中断服务函数
void USART1_IRQHandler(void)
{u8 data;data=USART1->DR;//读取同时会清除标志rev_buf[addr++]=data;revice_start=1;//开始接收time_out=0;//超级计数值清零
}

主函数判断：

     if(revice_start)//开始接收{Main_delay();time_out++;if(time_out>=50)//超时就{revice_ok=1;rev_buf[addr]='\0';addr=0;time_out=0;revice_start=0;}}