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[嵌入式]STM32串口通信

文章目录

一.串口协议

??串口协议又指串口通信指串口按位（bit）发送和接收字节，尽管比特字节（byte）的串行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。串口通信协议是指规定了数据包的内容，内容包含了起始位、主体数据、校验位及停止位，双方需要约定一致的数据包格式才能正常收发数据的有关规范。
??在串口通信中，常用的协议包括RS-232、RS-422和RS-485标准。

1.设备之间的通信方式

常见串口通信的接口

通信标准引脚说明通信方式通信方向
UART 通用异步收发器TXD：发送端 RXD：接收端 GND：共地异步通信全双工
1-wire 单总线DQ：发送/接收端异步通信半双工
SPISCK：同步时钟 MISO：主机输入，从机输出 MOSI：主机输出，从机输入同步通信全双工
I2CSCK：同步时钟 SDA：数据输入/输出端同步通信半双工

按照通信方式

  • 同步通信：带时钟同步信号传输。比如：SPI，IIC通信接口。
  • 异步通信：不带时钟同步信号。比如：UART(通用异步收发器)，单总线。

??在同步通信中，收发设备上方会使用一根信号线传输信号，在时钟信号的驱动下双方进行协调，同步数据。例如，通信中通常双方会统一规定在时钟信号的上升沿或者下降沿对数据线进行采样。
??在异步通信中不使用时钟信号进行数据同步，它们直接在数据信号中穿插一些用于同步的信号位，或者将主题数据进行打包，以数据帧的格式传输数据。通信中还需要双方规约好数据的传输速率（也就是波特率）等，以便更好地同步。常用的波特率有4800bps、9600bps、115200bps等。
??在同步通信中，数据信号所传输的内容绝大部分是有效数据，而异步通信中会则会包含数据帧的各种标识符，所以同步通讯效率高，但是同步通讯双方的时钟允许误差小，稍稍时钟出错就可能导致数据错乱，异步通讯双方的时钟允许误差较大。
??设备之间的通信方式一般分为串行通信和并行通信
??按照数据的传输方向串口通信分为：单工、半双工、全双工

2.电平标准

2.1 RS232

??是电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA) 制定的异步传输标准接口，同时对应着电平标准和通信协议（时序）
??RS232的电平标准：全双工（逻辑1：-15V–5V 逻辑0：+3V–+15V）

-15V ~ -3V  代表逻辑1
+3V  ~ +15V 代表逻辑0
-3V  ~ +3V  无意义

??尽管PC机和芯片都有TXD和RXD引脚，但是通常PC机（或上位机）通常使用的都是RS232接口（通常为DB9封装），因此不能直接交叉连接。
??传输距离：RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信

??RS232接口是9针（或引脚），通常是TxD和RxD经过电平转换得到的。因此，要想使得芯片与PC机的RS232接口直接通信，需要也将芯片的输入输出端口也电平转换成rs232类型，再交叉连接。
在这里插入图片描述
‘0’和‘1’表示：
在这里插入图片描述

  • RS232 的逻辑电平和TTL 不一样但是协议一样。

两设备通过232标准通讯在这里插入图片描述
控制器发出的是TTL电平，经过电平转换芯片转换成232电平. 其中DB9是一种通讯线如图。其中有用的是RXD,TXD。

单片机串口与PC串口通信遵循下面的连接方式：
在单片机串口与上位机给出的rs232口之间，通过电平转换电路，实现TTL电平与RS232电平之间的转换。

2.2 RS485

?? RS485标准与RS232不一样，数据信号采用差分传输方式。RS485是一种串口接口标准，为了长距离传输采用差分方式传输，传输的是差分信号，即通过AB两根线的电压差作为电平信号。差分信号能有效地抵御外界因素的干扰，因为干扰对两根线影响是一样的，两根线的电压差不变，信号传递也就不会受干扰。与TTL、RS232只能一对一连接不同，RS-485在总线上是允许连接多达128个收发器。抗干扰能力比RS232强很多。两线压差为-(26)V表示1，两线压差为+(26)V表示0,差分负逻辑。

??RS-485电平标准：半双工、（逻辑0：+2V–+6V 逻辑1： -6V—2V）这里的电平指AB两线间的电压差。

  • 发送端电平
 +2V ~ +6V  代表逻辑1
 -2V ~ -6V  代表逻辑0
 其他       无意义
  • 接收端电平
 > +200mv 代表逻辑1
 < -200mv 代表逻辑0
 其他 无意义

?? 传输距离：一般1Km以内都没有问题。理论上，通信速率在100Kpbs及以下时，RS485的最长传输距离可达1200米，但在实际应用中传输的距离也因芯片及电缆的传输特性而所差异。在传输过程中可以采用增加中继的方法对信号进行放大，最多可以加八个中继，也就是说理论上RS485的最大传输距离可以达到9.6公里。如果真需要长距离传输，可以采用光纤为传播介质，收发两端各加一个光电转换器，多模光纤的传输距离是5~10公里，而采用单模光纤可达50公里的传播距离

硬件框图如下
在这里插入图片描述

‘0’和‘1’表示：
在这里插入图片描述

2.3 TTL

??TTL指双极型三极管逻辑电路，市面上很多**“USB转TTL”模块，实际上是“USB转TTL电平的串口”**模块。这种信号0对应0V，1对应3.3V或者5V。与单片机、SOC的IO电平兼容。不过实际也不一定是TTL电平，因为现在大部分数字逻辑都是CMOS工艺做的，只是沿用了TTL的说法。

??我们进行串口通信的时候 从单片机直接出来的基本是都是TTL 电平。
TTL的电平标准：全双工（逻辑1: 2.4V–5V 逻辑0: 0V–0.5V）

输出：
小于0.8V  代表逻辑0
大于2.4V  代表逻辑1

输入：
小于1.2V  代表逻辑0
大于2.0V  代表逻辑1
其他      无意义

在这里插入图片描述
TTL电平之间的直接通讯
在这里插入图片描述

‘0’和‘1’表示：

在这里插入图片描述

  • 电平特点：
    1.TTL电平输入脚悬空时是内部认为是高电平。要下拉的话应用1k以下电阻下拉
    2.TTL电平无法进行长距离传输，抗干扰能力弱，信号衰减较大
    3.TTL电平为逻辑电平而设计，基本用于板级通信，单片机基本上都使用TTL信号系统

2.4对比

我们知道常见的电子电路中常使用TTL的电平标准，理想状态下，使用5V表示二进制逻辑1，使用0V表示逻辑0；而为了增加串口通讯的远距离传输及抗干扰能力，它使用-15V表示逻辑1，+15V表示逻辑0。

使用RS232与TTL电平校准表示同一个信号时的对比
在这里插入图片描述

  • 由上述图片可以看出RS232电平与TTL电平逻辑刚好相反。TTL1为高电平，0为低电平.RS232相反。

  • 三者对比

在这里插入图片描述

3."USB/TTL转232"模块

在这里笔者以CH340为例进行讲解

3.1 CH340简介

??CH340 是一个USB 总线的转接芯片，实现USB 转串口、USB 转IrDA 红外或者USB 转打印口。在串口方式下CH340提供常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线。常用于MCU的自动下载电路中，驱动稳定性和通信速率都有不错的保障。为了增加串口通讯的远距离传输及抗干扰能力，RS-232标准使用-15V 表示逻辑 1， +15V 表示逻辑 0。常常会使用 MH340芯片对 USB/TTL与RS-232电平的信号进行转换。

  • CH340原理图
    在这里插入图片描述

3.2发送与接收

  • 串口发送：串口应用发送数据 —> USB串口驱动获取数据 —> 驱动将数据经过USB通道发送给USB串口设备 —> USB串口设备接收到数据通过串口发送
  • 串口接收:USB串口设备接收串口数据 —> 将串口数据经过USB打包后上传给USB主机 —> USB串口驱动获取到通过USB上传的串口数据 —> 驱动将数据保存在串口缓冲区提供给串口应用读取

3.3USB转串口CH340

在这里插入图片描述
??USB转串口模块可以使用5V、3V3电压供电，需要将跳线帽进行安装。

??可以对USB转串口模块进行测试，将USB的电压引脚用跳帽接上，然后将RXD和TXD两个引脚用跳帽或者杜邦线接上。然后打开串口终端，点击“手动发送”或者“自动发送”，如果在接收区可以接收到数据，说明USB转串口模块工作正常，否则需要检查接线是否正确、电路板元器件是否损坏。

??VCC接线是为了单片机供电，USB转串口的RXD引脚与单片机的TXD引脚相连，USB转串口的TXD引脚与单片机的RXD引脚相连，两者的GND引脚直接相连。

二.STM32串口通信（寄存器）

1.题目要求

??完成一个STM32的USART串口通讯程序（查询方式即可，暂不要求采用中断方式）
1）设置波特率为115200，1位停止位，无校验位；
2）STM32系统给上位机（win10）连续发送“hello windows！”。win10采用“串口助手”工具接收。
3）在没有示波器条件下，可以使用Keil的软件仿真逻辑分析仪功能观察管脚的时序波形，更方便动态跟踪调试和定位代码故障点。 请用此功能观察第1题中3个GPIO端口的输出波形，和第2题中串口输出波形，并分析时序状态正确与否，高低电平转换周期（LED闪烁周期）实际为多少。

2.工程建立

??首先建立基础工程，建立方式可参考笔者的此篇博客工程建立模块进行建立，只需要修改下usart.c和test.c文件即可。
https://blog.csdn.net/weixin_64559251/article/details/127157566?spm=1001.2014.3001.5501
(1)在SYSTEM组下双击usart.c，其中的uart_init函数，代码如下

void uart_init(u32 pclk2,u32 bound)
{  	 
	float temp;
	u16 mantissa;
	u16 fraction;	   
	temp=(float)(pclk2*1000000)/(bound*16);//得到USARTDIV
	mantissa=temp;				 //得到整数部分
	fraction=(temp-mantissa)*16; //得到小数部分	 
    mantissa<<=4;
	mantissa+=fraction; 
	RCC->APB2ENR|=1<<2;   //使能PORTA口时钟  
	RCC->APB2ENR|=1<<14;  //使能串口时钟 
	GPIOA->CRH&=0XFFFFF00F;//IO状态设置
	GPIOA->CRH|=0X000008B0;//IO状态设置 
	RCC->APB2RSTR|=1<<14;   //复位串口1
	RCC->APB2RSTR&=~(1<<14);//停止复位	   	   
	//波特率设置
 	USART1->BRR=mantissa; // 波特率设置	 
	USART1->CR1|=0X200C;  //1位停止,无校验位.
#if EN_USART1_RX		  //如果使能了接收
	//使能接收中断 
	USART1->CR1|=1<<5;    //接收缓冲区非空中断使能	    	
	MY_NVIC_Init(3,3,USART1_IRQn,2);//组2，最低优先级 
#endif
}

??这里需要注意一点，因为我们使用到了串口的中断接收，必须在 usart.h 里面设置EN_USART1_RX 为 1（默认设置就是 1 的）。该函数才会配置中断使能，以及开启串口 1 的 NVIC中断。这里我们把串口 1 中断放在组 2，优先级设置为组 2 里面的最低。

(2)在test.c中编写如下代码：

#include "sys.h"
#include "usart.h"		
#include "delay.h"	 
#include "led.h" 
int main(void)
{				 
	u16 t; u16 len; u16 times=0;
	Stm32_Clock_Init(9);	//系统时钟设置
	delay_init(72);	  		//延时初始化
	uart_init(72,115200); 	//串口初始化为115200
	LED_Init();		  		//初始化与LED连接的硬件接口 
  	while(1)
	{
		if(USART_RX_STA&0x8000)
		{ 
			len=USART_RX_STA&0x3FFF;//得到此次接收到的数据长度
			printf("\r\n Hello Windows! \r\n\r\n");
			for(t=0;t<len;t++)
			{
				USART1->DR=USART_RX_BUF[t];
				while((USART1->SR&0X40)==0);//等待发送结束
			}
			printf("\r\n\r\n");//插入换行
			USART_RX_STA=0;
		}else
		{
			times++;
			if(times%200==0)printf("Hello Windows!\r\n"); 
			if(times%30==0)LED0=!LED0;//闪烁LED,提示系统正在运行.
			delay_ms(10); 
		}
	}	 
}

??大家可以看到笔者在此处将波特率设置为了题目要求的“115200”，常用的还有9600。

??当我们只开启一个串口通信时，我们可以直接用“printf”函数输出到我们的串口助手界面。但是如果我们要使用多个串口时，咱们的芯片就无法区分我们要输出的是哪个了，所以这个时候我们就要自己创建每个串口对应的输出函数了。但是在这里我们只开启了USART1，所以可以直接用“printf”函数就足够啦。

（3）
由于题目要求需用逻辑分析仪观测串口输出波形，并分析时序状态正确与否，高低电平转换周期（LED闪烁周期）实际为多少。因此我们需创建一个串口作为LED电平显示，这里笔者选择了PB5，创建一个led.c
led.c代码

//初始化PB5和PE5为输出口.并使能这两个口的时钟	
#include "led.h"	 
void LED_Init(void)
{
	RCC->APB2ENR|=1<<3;    //使能PORTB时钟	   	 
	RCC->APB2ENR|=1<<6;    //使能PORTE时钟	
	   	 
	GPIOB->CRL&=0XFF0FFFFF; 
	GPIOB->CRL|=0X00300000;//PB.5 推挽输出   	 
    GPIOB->ODR|=1<<5;      //PB.5 输出高
											  
}

led.h代码

#ifndef __LED_H
#define __LED_H	 
#include "sys.h"
//LED端口定义
#define LED0 PBout(5)	// DS0
void LED_Init(void);	//初始化		 				    
#endif

3.进行烧录

由于笔者很早之前已经安装过CH340驱动了，没有安装的读者一定要记得安装否则会出现无法烧录的现象。

查阅数据手册可知，PA9对应TX,PA10对应RX
在这里插入图片描述

连接方式为

USB转TTLSTM32F103C8T6
GNDG
3V33V3
RXDPA9
TXDPA10
  • 注意boot0接跳线帽到1
    实际连接如图所示
    在这里插入图片描述

（1）进行编译看是否有错误，记得生成hex文件
在这里插入图片描述

（2）打开FlyMcu软件
可点击我的电脑->属性->设备管理器->端口即可找到插入设备端口号
在这里插入图片描述

选择串口，然后选择对应的hex文件，开始编程。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

（3）打开串口助手
这里笔者使用的是XCOM串口助手，选择对应波特率，点击打开串口，即可收到C8T6发送的Hello Windows!
在这里插入图片描述

  • 注意如果在使用串口助手调试时，发现代码程序出现问题需要重新烧录时，我们需要先将串口助手中将端口关闭，不然如果我们直接使用FlyMCU的话就会报错，报告端口被占用。

三.STM32串口通信（HAL库）

3.1创建工程

（1）在STMCubeMX主界面，创建新项目，点击ACCEE TO MCU SELECTOR
在这里插入图片描述

（2）在part name里选择自己的芯片(一般选择直接搜索所需芯片)，本文采用STM32F103C8T6点击信息栏中的具体芯片信息选中，点击start project
在这里插入图片描述

（3）选择Connectivity，点开USART1，Mode选择异步通信Asynchronous
在这里插入图片描述

（4）波特率为115200，1位停止位，无校验位（这里不需要改，默认就是这样）
在这里插入图片描述

（5）点击 NVIC Settings勾选Enabled
在这里插入图片描述

（6）配置项目设置(名称、位置、环境)
在这里插入图片描述

（7）生成项目
在这里插入图片描述

3.2程序编写

（1）用keil打开刚刚在CubeMX生成的项目文件
在这里插入图片描述

（2）在main.c中定义STM32需要给上位机发送的消息

	uint8_t hello[20]="hello windows！\n";

在这里插入图片描述

（3）在main.c中定义一个延时函数，来使设置发送的时间间隔

void  Delay_wxc( volatile  unsigned  int  t)
{
     unsigned  int  i;
     while(t--)
         for (i=0;i<800;i++);
}

在这里插入图片描述

（4）在while循环中调用查询，并调用延时函数

 while (1)
  {
		
			HAL_UART_Transmit(&huart1,hello,20,100000);
			Delay_wxc(3500); //这里每个人电脑不一样发送的间隔时延需要自己调整尝试
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }

在这里插入图片描述

最后编译即可
在这里插入图片描述

四.使用keil观察波形

逻辑仿真分析仪的使用可以参考笔者之前的博客，里面有详细的介绍
https://blog.csdn.net/weixin_64559251/article/details/127176072?spm=1001.2014.3001.5501

??在没有示波器条件下，可以使用Keil的软件仿真逻辑分析仪功能观察管脚的时序波形，更方便动态跟踪调试和定位代码故障点。笔者在这里用此功能观察串口输出波形，并分析其波形反映的时序状态正确与否，高低电平转换周期（LED闪烁周期）实际为多少。

点击魔法棒进行配置
在这里插入图片描述
输入管脚号，记得点bit
在这里插入图片描述

由于之前的代码是延时0.3s，可以看出还是比较接近的
在这里插入图片描述

五.重做流水灯实验

详细可参考笔者上两篇博客，只是这里笔者进行了面包板的演示
https://blog.csdn.net/weixin_64559251/article/details/127176072?spm=1001.2014.3001.5501

https://blog.csdn.net/weixin_64559251/article/details/127157566?spm=1001.2014.3001.5501

1.面包板实现流水灯

因为是低电平灯亮的方式，故而LED灯的正极连接面包板的电源。这里笔者采用了usb转ttl的方式实现流水灯。连接方式如图所示

在这里插入图片描述
运行结果如下图（由于视频大小原因可能秒数没那么精确）

在这里插入图片描述

2.keil逻辑分析仪

按照之前所描述的过程，运行逻辑分析仪，得到如图所示的结果
在这里插入图片描述

六.总结

本次笔者有了面包板再次完成了之前的LED流水灯实验。学习了解了串口协议，再此基础上通过看视频和查阅资料完成了基础的串口通信实验，可以发送hello Windows了，感觉有了更进一步的了解，受益匪浅。

参考

1.https://blog.csdn.net/qq_46467126/article/details/120841504?spm=1001.2014.3001.5502
2.https://blog.csdn.net/vic_to_ry/article/details/110451036
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加:2022-10-17 12:50:48  更:2022-10-17 12:52:31 
 
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