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[嵌入式]STM32F10学习----UART 学习通信协议制定使用实例以及使用总结

学习某一个东西，我们首先要了解这个东西的定义是什么，用来干什么的，怎么用，用的过程中有什么注意事项，这些都OK了，那么我们就算是基本掌握他了。

0 前言

? USART–通用同步/异步串行接收/发送器，通用同步/异步串行接收/发送器USART是一个全双工通用同步/异步串行收发模块。

? UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。在嵌入式设计中，UART用于主机与辅助设备通信，如汽车音响与外接AP之间的通信，与PC机通信包括与监控调试器和其它器件，如EEPROM通信。

? 简单区分同步和异步就是看通信时需不需要对外提供时钟输出，我们平时用的串口通信基本都是 UART。

? 串行通信是指利用一条传输线将资料一位位地顺序传送。特点是通信线路简单，利用简单的线缆就可实现通信，降低成本，适用于远距离通信，但传输速度慢的应用场合。

? 异步通信以一个字符为传输单位，通信中两个字符间的时间间隔多少是不固定的，然而在同一个字符中的两个相邻位间的时间间隔是固定的。

1.USART

1.1概述

在STM32的参考手册中，串口被描述成通用同步异步收发器(USART)，它提供了一种灵活的方法与使用工业标准NRZ异步串行数据格式的外部设备之间进行全双工数据交换。USART利用分数波特率发生器提供宽范围的波特率选择。它支持同步单向通信和半双工单线通信，也支持LIN（局部互联网），智能卡协议和IrDA（红外数据组织）SIR ENDEC规范，以及调制解调器(CTS/RTS)操作。它还允许多处理器通信。还可以使用DMA方式，实现高速数据通信。

发送和接收共用的可编程波特率，最高达4.5Mbits/s

1.2 USART的框图

在这里插入图片描述

1.2.1 串口的硬件接线

RX: 接受数据串行输入。通过过采样技术来区别数据和噪音，从而恢复数据。

TX: 发送数据输出。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引脚处处于高电平。在单线和智能卡模式里，此I/O口被同时用于数据的发送和接收。

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，没有具体外部引脚。具体智能卡模式请查看《STM32F10X数据手册》。

irDA_OUT：irDA模式下的数据输出。

irDA_IN：irD模式下的数据输入。具体irDA模式请查看《STM32F10X数据手册》。

nRTS：请求以发送(Request To Send)，n 表示低电平有效。如果使能 RTS 流控制，当 USART 接收器准备好接收新数据时就会将 nRTS 变成低电平；当接收寄存器已满时， nRTS 将被设置为高电平停止接收。该引脚只适用于硬件流控制。

nCTS：清除以发送(Clear To Send)，n 表示低电平有效。如果使能 CTS 流控制，发送器在发送下一帧数据之前会检测 nCTS 引脚，如果为低电平，表示可以发送数据，如果为高电平则在发送完当前数据帧之后停止发送。该引脚只适用于硬件流控制。具体硬件流模式请查看《STM32F10X数据手册》。

SCLK：发送器时钟输出引脚。这个引脚仅适用于同步模式。

想要与串口实现双向通信硬件上面至少需要3根线：**接受数据输入(RX)和发送数据输出(TX)以及GND。**如下图所示。

在这里插入图片描述

1.2.2串口的数据发送和接收

1、一个完整的串口字符包括：

1位起始位

8位数据位

1位可选的奇偶检验位

0.5-2位的停止位

从框架图可知，串口的数据发送依靠数据发送寄存器，数据接收依靠数据接收寄存器。当数据发送的时候，数据发送寄存器就会将数据移位到移位寄存器中进行发送；当数据接收的时候，先接收到接收移位寄存器中，在放入数据接收寄存器中。所以有**串口的发送和接受都应该是空闲开始的。**在发送和接收的过程中都可以设置相应的位来产生相应的中断。

数据发送时，USART_CR1寄存器的发送使能位TE会被置1，启动数据发送，发送移位寄存器的数据会在TX引脚输出，低位在前，高位在后。起始位是一个位周期的低电平，位周期就是每一位占用的时间。

数据接收时，USART_CR1寄存器的RE位会被置1，使能USART接收，接收器在RX线开始搜索起始位。在确定起始位后，就根据RX线电平状态把数据存放在接收移位寄存器内。接收完成后就把接收移位寄存器的数据移到接收数据寄存器中，并把USART_SR寄存器的RXNE位置。如果USART_CR2寄存器的RXNEIE置1可以产生中断。

一般我们串口中断的方式来传输数据，这样可以保证数据传输的实时性。下面是几个带标志的中断源：

中断事件	事件标志	使能控制位
发送寄存器为空	TXE	TXIEI
CTS标志	CTS	CTSIE
发送完成	TC	TCIE
准备好读取接收数据	RXNE	RXNEIE
检测到上溢错误	ORE	OREIE
检测到空闲线路	IDLE	IDLE
奇偶检验	PE	PEIE
断路标志	LBD	LB
多缓冲区通信中的噪声标志、上溢错误和帧错误	NF、ORE、FE	EIE

2、串口通讯协议设计

（1）制定串口通信协议（推荐）

一般串口完整数据帧的定义：帧头（2字节，例如AA、BB） + 数据长度（2字节） +命令（1字节）+ 数据 + CRC16校验（2字节） + 帧尾（可选的）（2字节）

判断接收到帧头后，开启定时器，在定时器计数时间到还未接收到完整的数据帧，就把这包数据丢弃

完整接收到数据帧后（字节长度，判断校验，判断帧尾部），就可以执行对应的命令

（2）空闲中断

? 通过空闲中断标志来识别一帧的结束，无需制定通信协议，但是可能会出现帧粘包、帧数据丢失、帧数据延迟等问题

（3）根据接收到的字符之间的间隔进行判断

? 其实我不是很理解这个地方为什么会被带起来这种方案，这是设计通信不太靠谱的方案。。。各种风险无法保证帧的完整，虽然可以做，当做扩展一下，但是不要带偏了。

2.使用示例

2.1 USART配置

使用官方提供的固件库配置usart

.c文件内容

#include "usart.h"
#include "stdio.h"
//重定义fputc函数 
int fputc(int ch, FILE *f)
{ 	
	while((USART1->SR&0X40)==0);//循环发送,直到发送完毕   
	USART1->DR = (u8) ch;      
	return ch;
}

/**
 * @brief  串口1和串口2初始化
 * @param  NONE
 * @retval none
 */
void GPIO_Configuration(void)
{

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA| RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
 
    //
    /*PA2 PA3 USART2*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; ;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    /* Configure USART2  Tx (PA.02) as alternate function */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    
    /*USART1*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING ;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    /* Configure USART1  Tx (PA.09)*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

}
/**
 * @brief  串口1和串口2初始化
 * @param  NONE
 * @retval none
 */
void USART_Configuration(void)
{
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2, ENABLE);

    USART_DeInit(USART1);
    /* Configure USART1 */
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl =                                   USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    /* Configure USART1 */
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

    USART_DeInit(USART2);
    /* Configure USART2 */
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl =                  		         USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    /* Configure USART2 */
    USART_Init(USART2, &USART_InitStructure);

    USART_ITConfig(USART1,  USART_IT_TC, ENABLE);//开启串口发送中断
    USART_ITConfig(USART1,  USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启串口接受中断
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
    USART_ITConfig(USART2,  USART_IT_TC, ENABLE);//开启串口发送中断
    USART_ITConfig(USART2,  USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启串口接受中断
    USART_Cmd(USART2, ENABLE);
    
}

/**
 * @brief  串口1和串口2中断初始化
 * @param  NONE
 * @retval none
 */
void NVIC_Configuration(void)
{
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    //Usart1 NVIC 配置
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 3 ; //抢占优先级3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;		//子优先级3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;			//IRQ通道使能
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);	//根据指定的参数初始化VIC寄存器

    USART_ITConfig(USART1,  USART_IT_TXE, ENABLE);//开启串口发送中断
    USART_ITConfig(USART1,  USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启串口接受中断
    /
    //Usart2 NVIC 配置
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART2_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 3 ; //抢占优先级3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2;		//子优先级3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;			//IRQ通道使能
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);	//根据指定的参数初始化VIC寄存器

    USART_ITConfig(USART2,  USART_IT_TXE, ENABLE);//开启串口发送中断
    USART_ITConfig(USART2,  USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启串口接受中断
    
}

void board_init(void)
{
    GPIO_Configuration()
    USART_Configuration();
    NVIC_Configuration();
}

void USART1_IRQHandler(void)
{
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)  //判断是否真的发生了中断
    {
         USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);
         printf("串口1接收测试\n");
         //在这里可以做入队操作 
         //入队一定要保准数据完整的进入队列不能被中断打断  所以此处入队操作必须关闭中断
         //然后在主函数或者其他地方去处理
         //入队完成后不要忘记打开中断
        
    }
    else if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_TC) != RESET)
    {
         USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_TC);
         printf("串口1发送测试\n");
         
    }
}
void USART2_IRQHandler(void)
{
    if(USART_GetITStatus(USART2, USART_IT_RXNE) != RESET)  //判断是否真的发生了中断
    {
         printf("串口2接收测试\n");
         USART_ClearITPendingBit(USART2, USART_IT_RXNE);
    }
    else if(USART_GetITStatus(USART2, USART_IT_TC) != RESET)
    {
         printf("串口2发送测试\n");
         USART_ClearITPendingBit(USART2, USART_IT_TC);
    }
    
    
}

.h文件内容

#ifndef __USART_H
#define __USART_H


void board_init(void);
#endif

mian.c文件内容

void main( void )
{
	while（1）
	{
		if（）//判断队列
		{
		   //出队操作
		   //解析协议
		   //执行串口命令
		}
	}
}

3.使用总结

1、在程序设计中，可能会设计到串口接收完，但是无法及时处理的问题，这个时候我们可以在中断中将接收的消息入队，任务空闲再来处理串口数据

2、使用空闲中断来识别一帧，如果数据因为线路上面的延迟而造成数据推迟到达，这样会造成一包数据不完整，但是这种操作可以使用在实时性不高的操作中，比如在串口工具接收发送显示时候

3、在设计串口通信协议的时候，要考虑可能存在粘包、丢包、丢字节、接收到帧头但数据却延时接收等的问题

4、对于大多数UART来说，内部发送缓冲器”空”会产生中断或置对应的标志位，但此时数据不一定真的发送完成，因为数据有可能还在输出移位寄存器中。如果仅靠发送缓冲的状态来判断一包数据是否发送完成，从而决定是否关闭内部UART的发送使能和接口的发送使能，则这个数据包的最后一个字节将不会发送到总线上，以致对方会少接收一一个字节。

5、波特率设置太高会有误码的情况，

在这里插入图片描述