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[嵌入式]【STM32】HAL库-串口USART

USART简介

通用同步异步收发器(USART)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。
一个波特率寄存器(USART_BRR)，12位的整数和4位小数

任何USART双向通信至少需要两个脚：
接收数据输入(RX)和发送数据输出(TX)

当发送器被激活并且不发送数据时，TX引脚处于高电平
在起始位期间，TX脚处于低电平，在停止位期间处于高电平。

发送和接收由一共用的波特率发生器驱动，当发送器和接收器的使能位分别置位时，分别为其产生时钟。

在这里插入图片描述

空闲符号和端口符号

空闲符号是一个帧，并且全部由1组成，空闲帧后面跟着下一个数据帧的起始位。（空闲帧包含停止位）

空闲符号被视为完全由’1’组成的一个完整的数据帧，后面跟着包含了数据的下一帧的开始位(‘1’的位数也包括了停止位的位数)。

断开符号是一个帧，并且全部有0组成，断开帧后面跟着一个停止位。

断开符号被视为在一个帧周期内全部收到’0’(包括停止位期间，也是’0’)。在断开帧结束时，发送器再插入1或2个停止位(‘1’)来应答起始位。

在这里插入图片描述
当起始位为1位，数据位为8位，停止位为1位时：

空闲帧包括了停止位。
断开帧是10位低电平，后跟停止位。

发送(TX)器

可设置寄存器来确定数据位是8位还是9位。
通过置位TE位来使能发送，发送移位寄存器中的数据将会被输出到TX引脚上。相应的时钟脉冲在CK脚上输出。
在TX引脚上首先移出数据的最低有效位LSB，先发送LSB
TE位被激活后将发送一个空闲帧(空闲符号)

配置步骤

在这里插入图片描述

发送数据寄存器空(TXE)
发送完成(TE)

串口数据发送过程：

将数据写入DR(一个字节的大小)中，DR会将数据复制到TDR中，TDR会将数据复制到发送移位寄存器中，从LSB(最低有效位)一位位发送到TX引脚上，实现数据的发送。
其中：
每发送完一个字节（发送数据寄存器TDR为空）TXE标志会被置位。
全部数据发送完毕后TC标志会被置位。

接收器

USART可以根据USART_CR1的M位接收8位或9位的数据字
在USART接收期间，数据的最低有效位首先从RX脚移进到接收数据寄存器中。

空闲符号
当一空闲帧被检测到时，其处理步骤和接收到普通数据帧一样，但如果IDLEIE位被设置将产生一个中断。

配置步骤

在这里插入图片描述

接收到的数据已准备好读取（RXNE）

串口数据接收过程：
接收移位寄存器从RX引脚接收数据，从数据最低有效位开始（因为数据是先发送最低有效位）接收数据，当接收到一个字节的数据时，将数据复制到RDR寄存器和DR寄存器中，此时RXNE标志被置位，通过读取DR寄存器来获取接收的一个字节数据。

分数波特率

波特率寄存器(USART_BRR)，12位的整数和4位小数
用12位二进制数表示整数部分，4位表示小数部分。
在这里插入图片描述

波特率计算公式
在这里插入图片描述
设置波特率位115200，fck = 36MHz，则USARTDIV = 19.5
整数部分为19 << 4 = 304
小数部分为0.5*16 = 8
USART_BRR寄存器的值位304+8=312=0x138

中断

注意：USART的各种中断事件被连接到同一个中断向量
在这里插入图片描述

demo

串口异步通信-阻塞式发送-仿printf发送

采用STM32F103C8T6单片机，KeilMDK5.32版本

串口异步通信，，仅开启发方向，阻塞式发送数据（仿printf发送）。
PC13控制LED灯，LED灯的亮灭指示程序正常运行。

串口仿printf发送函数

#define USART1_SENDBUFF_MAX_BYTES	100U	//串口1发送缓冲区大小 单位字节

/**
  * @brief  UART 仿printf发送
  * @param  format	输出的字符串
  * @retval 返回写入的字符总数
  */
int USART1Printf(const char* format, ...)
{
	static char sendBuff[USART1_SENDBUFF_MAX_BYTES] = { 0 };//发送缓冲区
	int bytes = 0;
	va_list list;

	va_start(list, format);
	bytes = vsprintf(sendBuff, format, list);//格式化输入
	va_end(list);
	/* 发送之前清除标志位 */
	CLEAR_BIT(huart1.Instance->SR, USART_SR_TC_Msk);//往TC位写入0来清除TC位
	HAL_UART_Transmit(&huart1, (void*)sendBuff, bytes, INFINITE);//阻塞式发送数据，发送等待时间为最大等待时间

	return bytes;
}

HAL_UART_Transmit()是HAL库串口阻塞式发送函数，这个函数没有用到TXE与TC标志位，发送结束后也没有清除标志。

主程序中的代码

while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
	HAL_Delay(1000);//延时1000毫秒
	USART1Printf("Hello World! %hhu\r\n", times);
	times++;
	PCout(13) = !PCin(13);

  }

STM32CubeMX配置
在这里插入图片描述

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串口异步通信-非阻塞式发送-仿printf发送

采用STM32F103C8T6单片机，KeilMDK5.32版本

串口异步通信，，仅开启发方向，非阻塞式发送数据（仿printf发送）。
PC13控制LED灯，LED灯的亮灭指示程序正常运行。

串口仿printf发送函数

#define USART_SENDBUFF_MAX_BYTES	100U	//串口1发送缓冲区大小 单位字节
/**
  * @brief  UART 仿printf发送
  * @param  huart	指向串口结构体的指针
  * @param  format	输出的字符串
  * @retval 返回写入的字符总数
  */
int USARTPrintf(UART_HandleTypeDef *huart, const char* format, ...)
{
	static char sendBuff[USART_SENDBUFF_MAX_BYTES] = { 0 };
	int bytes = 0;
	va_list list;

	va_start(list, format);
	bytes = vsprintf(sendBuff, format, list);
	va_end(list);

	/* 发送之前清除标志位 */
	CLEAR_BIT(huart->Instance->SR, USART_SR_TC_Msk);//往TC位写入0来清除TC位
	HAL_UART_Transmit_IT(huart, (void*)sendBuff, bytes);//非阻塞式发送数据，开启TXE中断，再全部数据都写入DR寄存器并发送后将关闭TXE中断，开启TC中断

	return bytes;
}

HAL_UART_Transmit_IT()函数开启了TXE中断，并在最后一个字节发送结束之后开启TC中断。如下图

HAL_UART_IRQHandler()函数
在这里插入图片描述
这里有2个函数需要注意

UART_Transmit_IT()是每发送完一个字节，则进入该函数里面，往DR寄存器写入下一个字节，如果是最后一个字节则关闭TXE中断开启TC中断。
UART_EndTransmit_IT()全部数据发送完毕，关闭TC中断，进入发送完毕回调函数

STM32CubeMX配置

发送完成回调函数HAL_UART_TxCpltCallback()
在进入该函数前，TXE与TC中断已关闭。

在发生串口回调函数（TXE/TC）时，并且全部数据发送完毕，HAL_UART_IRQHandler()调用UART_EndTransmit_IT()，UART_EndTransmit_IT()在关闭TC中断后进入HAL_UART_TxCpltCallback()。

/**
  * @brief  Tx Transfer completed callbacks.
  * @param  huart  Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains
  *                the configuration information for the specified UART module.
  * @retval None
  */
__weak void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  /* Prevent unused argument(s) compilation warning */
  UNUSED(huart);
  /* NOTE: This function should not be modified, when the callback is needed,
           the HAL_UART_TxCpltCallback could be implemented in the user file
   */
}

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串口异步通信-非阻塞式接收数据

HAL库的阻塞式接收数据函数HAL_UART_Receive()
使用示例HAL_UART_Receive(&huart1, (void*)receiveBuff, sizeof(receiveBuff), INFINITE);

/**
  * @brief  Receives an amount of data in blocking mode.
  * @note   When UART parity is not enabled (PCE = 0), and Word Length is configured to 9 bits (M1-M0 = 01),
  *         the received data is handled as a set of u16. In this case, Size must indicate the number
  *         of u16 available through pData.
  * @param  huart Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains
  *               the configuration information for the specified UART module.
  * @param  pData Pointer to data buffer (u8 or u16 data elements).
  * @param  Size  Amount of data elements (u8 or u16) to be received.
  * @param  Timeout Timeout duration
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);

非阻塞式接收数据函数HAL_UART_Receive_IT()
该函数会开启以下中断

奇偶检验错(PE)
帧错误、噪声错误、溢出错误(NE或ORT或FE)
UART数据寄存器非空中断(RXNE)

并且会将huart的接收类型设置为HAL_UART_RECEPTION_STANDARD
接收类型值有

HAL_UART_RECEPTION_STANDARD标准接收
HAL_UART_RECEPTION_TOIDLE接收至完成或闲置事件

/**
  * @brief  Receives an amount of data in non blocking mode.
  * @note   When UART parity is not enabled (PCE = 0), and Word Length is configured to 9 bits (M1-M0 = 01),
  *         the received data is handled as a set of u16. In this case, Size must indicate the number
  *         of u16 available through pData.
  * @param  huart Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains
  *               the configuration information for the specified UART module.
  * @param  pData Pointer to data buffer (u8 or u16 data elements).
  * @param  Size  Amount of data elements (u8 or u16) to be received.
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size)

HAL_UART_IRQHandler()函数会调用UART_Receive_IT()进行串口接收中断处理。UART_Receive_IT()会将DR寄存器中的数据复制到串口接收缓存区中，如果接收数据的字节数目满足指定的数目，则会关闭中断（RXNE，NE或ORT或FE，PE），根据接收类型进入相应的接收完成回调函数中。
在这里插入图片描述

下面示例串口非阻塞式接收数据
采用STM32F103C8T6单片机，KeilMDK5.32版本

串口异步通信，开启收发方向，阻塞式发送（仿printf发送）；非阻塞式接收数据。
PC13控制LED灯，LED灯的亮灭指示接收到数据。

程序初始化完成之后，开启接收中断。
在接收完成回调函数中，重新开启接收中断（因为在进入接收回调函数前，所有与接收相关的中断已经关闭）

STM32CubeMX配置
在这里插入图片描述

接收完成回调函数HAL_UART_RxCpltCallback()

在进入该函数前，以下中断已关闭。

奇偶检验错(PE)
帧错误、噪声错误、溢出错误(NE或ORT或FE)
UART数据寄存器非空中断(RXNE)

extern char receiveBuff[15];
/**
  * @brief  Rx Transfer completed callbacks.
  * @param  huart  Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains
  *                the configuration information for the specified UART module.
  * @retval None
  */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
	if(huart == &huart1)
	{
		PCout(13) = !PCin(13);//;LED亮灭翻转 指示接收到数据
		HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (void*)receiveBuff, sizeof(receiveBuff));
	}
}

注意一下：主要当全部数据都接收完毕（比如，想要收到15个字节的数据，当收到第15个字节的数据的时候）才会进入接收完成回调函数（在该函数中重新开启串口空闲接收）HAL_UART_RxCpltCallback()

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串口异步通信-串口空闲中断接收，未使用DMA

采用STM32F103C8T6单片机，KeilMDK5.32版本

串口异步通信，开启收发方向，阻塞式发送（仿printf发送）；非阻塞式接收数据。
PC13控制LED灯，LED灯的亮灭指示接收到数据。

程序初始化完成之后，开启接收空闲中断。
在接收空闲回调函数中，重新开启接收空闲中断（因为在进入接收回调函数前，所有与接收相关的中断已经关闭）

串口空闲中断：检测到有数据被接收后，当总线上在一个字节的时间内没有再接收到数据的时候，触发串口空闲中断。

调用HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT()来使用串口空闲中断，该函数会将串口接收类型设置为HAL_UART_RECEPTION_TOIDLE，开启RXNE，NE或ORT或FE，PE和串口空闲中断(IDLE)

在RXNE中断中，将数据（一个字节）复制到串口接收缓冲区中

串口空闲回调函数
在该函数中将LED亮灭取反，并重新开启串口空闲接收

extern char receiveBuff[15];
/**
  * @brief  Reception Event Callback (Rx event notification called after use of advanced reception service).
  * @param  huart UART handle
  * @param  Size  Number of data available in application reception buffer (indicates a position in
  *               reception buffer until which, data are available)
  * @retval None
  */
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
{
	if(huart == &huart1)
	{
		PCout(13) = !PCin(13);//;LED亮灭翻转 指示接收到数据
		HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT(&huart1, (void*)receiveBuff, sizeof(receiveBuff));//重新开启串口空闲接收
	}
}

HAL_UART_IRQHandler()函数中有2处可以进入串口空闲回调函数

一处是UART_Receive_IT()
当数据全部接收完毕时（比如，想要收到15个字节的数据，实际也收到15个字节的数据），则进入串口空闲回调函数，在进入该函数前会将接收类型设置为HAL_UART_RECEPTION_STANDARD
在这里插入图片描述
另外一处是数据没有接收完毕（比如，想要收到15个字节的数据，实际收到少于15个字节的数据），也会进入串口空闲中断。

STM32CubeMX配置与非阻塞式接收数据demo一样。

工程文件下载链接

DMA式收发数据

利用DMA发送数据

在这里插入图片描述
注意：根据需要来确定是不是要DMA控制寄存器中开启存储器地址自增的位

TXE事件后，DMA传输指定地址上的数据到DR中和从DR中传输数据到TX引脚上是同时进行。
在这里插入图片描述

利用DMA接收数据

在这里插入图片描述
RXNE事件后，从RX引脚读出数据到DR寄存器中和DR寄存器中的数据复制的指定的地址中式同时进行的

串口异步通信-DMA式收发数据-仿printf发送

采用STM32F103C8T6单片机，KeilMDK5.32版本

串口异步通信，开启收发方向，DMA式收发数据（仿printf发送）。
收发的DMA不在循环模式下（单次）。
PC13控制LED灯，LED灯的亮灭指示接收到数据。
在STM32CubeMX中需要同时开启DMA与串口全局中断

DMA发送

调用HAL_UART_Transmit_DMA()来使用DMA发送数据，会开启DMA传输错误(TE)，传输完成(TC)和传输完成一半(HT)中断。注意并没有开启串口的TC中断
在这里插入图片描述
一般用不到传输完成一半中断，如果不需要这个中断，可以将HAL_UART_Transmit_DMA()函数中 huart->hdmatx->XferHalfCpltCallback = UART_DMA_TxHalfCplt；
改为huart->hdmatx->XferHalfCpltCallback = NULL;即可

在DMA传输完成之后，开启串口的TC中断（UART_DMATransmitCplt()中开中断）

UART_DMATransmitCplt()函数如下
在这里插入图片描述

通过观察UART_DMATransmitCplt()函数源码，在DMA单次模式下，需要开启串口全局中断，在TC中断发生后，进入串口发送完成回调函数。

串口发送完成回调函数

/**
  * @brief  Tx Transfer completed callbacks.
  * @param  huart  Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains
  *                the configuration information for the specified UART module.
  * @retval None
  */
__weak void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  /* Prevent unused argument(s) compilation warning */
  UNUSED(huart);
  /* NOTE: This function should not be modified, when the callback is needed,
           the HAL_UART_TxCpltCallback could be implemented in the user file
   */
}

DMA接收

调用HAL_UART_Receive_DMA()函数来使能串口DMA接收。
该函数会使能NE或ORT或FE，PE
并且也会开启DMA传输错误(TE)，传输完成(TC)和传输完成一半(HT)中断
注意：并没有开启RXNE中断

在DMA传输完成之后进入中断服务函数后，
UART_DMAReceiveCplt()函数调用HAL_UART_RxCpltCallback()串口接收完成回调函数
在这里插入图片描述
与DMA发送类似，如果不需要DMA传输完成一半的中断可以更改源码UART_Start_Receive_DMA()

huart->hdmarx->XferHalfCpltCallback = NULL;		以前是UART_DMARxHalfCplt;

STM32CubeMX配置
在这里插入图片描述

接收回调函数中重新开启DMA接收(因为DMA处于单次模式下)
在这里插入图片描述

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串口异步通信-DMA式收发数据-仿printf发送-接收的DMA循环

采用STM32F103C8T6单片机，KeilMDK5.32版本

串口异步通信，开启收发方向，DMA式收发数据（仿printf发送）。
发的DMA不在循环模式下（单次）；接收的DMA在循环模式下。
PC13控制LED灯，LED灯的亮灭指示接收到数据。
在STM32CubeMX中需要同时开启DMA与串口全局中断

在每次DMA传输完成之后，DMA中断服务函数中，检查DMA是否处于循环模式，如果是则不关闭传输完成TC和传输完成一半HT中断
在这里插入图片描述
中断服务函数调用UART_DMAReceiveCplt()函数，再次判断串口接收类型，根据类型进入相应的传输完成回调函数。

调用HAL_UART_Receive_DMA()函数，该函数不会开启RXNE中断。

因为DMA是循环模式，所有不需要重新开启接收在这里插入图片描述

STM32CubeMX配置
在这里插入图片描述

工程文件下载链接

串口异步通信-DMA式收发数据-仿printf发送-串口空闲接收

采用STM32F103C8T6单片机，KeilMDK5.32版本

串口异步通信，开启收发方向，DMA式收发数据（仿printf发送）。
发的DMA不在循环模式下（单次）；接收的DMA在单次模式下。开启串口接收空闲中断
PC13控制LED灯，LED灯的亮灭指示接收到数据。
在STM32CubeMX中需要同时开启DMA与串口全局中断

通过调用函数HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA来使能DMA接收。
该函数会开启DMA相应的中断传输完成，传输完成一半，传输错误
和串口空闲中断，NE或ORT或FE，PE
注意没有开启RXNE中断

接收回调函数为HAL_UARTEx_RxEventCallback()（在该函数中重新开启串口DMA空闲接收）
分2种情况

接收到指定数目的数据（如，想要15个字节数据，实际也是15个字节）
HAL_DMA_IRQHandler()调用UART_DMAReceiveCplt()进入接收回调函数
HAL_DMA_IRQHandler()

UART_DMAReceiveCplt()
接收的数据数目少于指定数目
在串口服务函数HAL_UART_IRQHandler()中进入接收回调函数

工程文件下载链接

串口异步通信-DMA式收发数据-仿printf发送-接收DMA循环-串口空闲接收

采用STM32F103C8T6单片机，KeilMDK5.32版本

串口异步通信，开启收发方向，DMA式收发数据（仿printf发送）。
发的DMA不在循环模式下（单次）；接收的DMA在循环模式下。开启串口接收空闲中断
PC13控制LED灯，LED灯的亮灭指示接收到数据。
在STM32CubeMX中需要同时开启DMA与串口全局中断

调用HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA()开启串口DMA空闲接收，
该函数会开启DMA相应的中断传输完成，传输完成一半，传输错误
和串口空闲中断，NE或ORT或FE，PE
注意没有开启RXNE中断

接收回调函数为HAL_UARTEx_RxEventCallback()（不需要在该函数中重新开启串口DMA空闲接收）

同样的，

接收的数据数目少于指定数目
通过串口空闲中断进入接收回调函数中断函数
接收到指定数目的数据
通过DMA中断服务函数进入接收回调函数中断函数

在DMA传输完成一半中断关闭的条件下。按空闲中断的定义来说，接收到指定数据的数据也会触发串口空闲中断，从而在退出DMA中断后进入串口空闲中断，也就是触发2次中断（一次是DMA的中断传输完成中断，一次是串口空闲中断）。
但是在实验调试中，只触发一次中断DMA传输完成中断。在进入HAL_DMA_IRQHandler()函数前，调试发现SR寄存器被置位，在进入函数后，串口SR寄存器的IDLE位被自动复位，与手册的需要软件序列来复位说法不同，
在这里插入图片描述
猜想读串口DR寄存器也会清除IDLE标志位。
设计实验，开启串口空闲中断，发送数据，在串口中断服务函数中，先读DR寄存器，发现IDLE标志位被复位。

查看手册串口DMA接收时序图
在DMA的传输完成标志位被置位后，进入DMA中断服务函数，此时DMA正在读串口的DR寄存器，从而将IDLE标志位复位。
在这里插入图片描述
但是，为了安全起见，还是在串口接收完成回调函数中添加软件系列复位IDLE标志的代码，如下

另外一个注意点
在接收的数据数目少于指定数目时候（DMA把串口DR寄存器的数据复制到串口接收缓冲区数组array中），比如指定接收15个字节数据，但是实际接收到7个字节数据，此时触发串口空闲中断，进入串口回调函数中处理这7个字节数据，存放下一个待接收字节的地址是array + 7，而不是array（从数组第0个字节开始存放接收到的数据）。

可通过如下方法修改
先失能DMA通道，修改修改DMA数据传输数量，再使能DMA通道

/**
  * @brief  Reception Event Callback (Rx event notification called after use of advanced reception service).
  * @param  huart UART handle
  * @param  Size  Number of data available in application reception buffer (indicates a position in
  *               reception buffer until which, data are available)
  * @retval None
  */
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
{
	if(huart == &huart1)
	{
		__HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(huart);//清除串口空闲标志位
		__HAL_DMA_DISABLE(huart->hdmarx);//失能DMA
		WRITE_REG(huart->hdmarx->Instance->CNDTR, sizeof(receiveBuff));//修改DMA数据传输数量
		__HAL_DMA_ENABLE(huart->hdmarx);//使能DMA
		PCout(13) = !PCin(13);//;LED亮灭翻转 指示接收到数据
	}
}