第5章
CHAPTER 5


串 口 通 信






随着数字技术水平不断提高，串行方式传输速度也随之得到了一定的改善。如果对传输速度要求不是很高，大都采用串行方式。串口还可以用于各种各样外设之间的通信。例如，目前广泛使用的GSM/GPRS手机调制解调器和蓝牙调制解调器可以与微控制器UART接口通信。主流的微控制器都带有串口，STM32自然也不例外。串口作为STM32的重要外部接口，同时也是软件开发重要的调试手段，其重要性不言而喻。串行协议提供访问各种各样设备的功能。STM32串口资源相当丰富，功能也相当强劲。STM32一般都有多路串口，有分数波特率发生器、支持同步单线通信和半双工单线通信、支持LIN、支持调制解调器操作、智能卡协议和IrDA SIR ENDEC规范、具有DMA等。本章将主要介绍串口的基本概念及其工作原理，然后以STM32F103为例讲述串口的编程开发，最后通过一个开发案例说明如何使用STM32F103的串口。通过STM32CubeMX配置串口并生成源程序，将串口发过来的数据接收后并输出到控制台上。

了解串行通信的基本概念； 
理解STM32的串行接口内部结构； 
理解并掌握串行接口的使用方法； 
理解并掌握串口的波特率设置、结构、控制和工作方式； 
掌握STM32串口的配置步骤； 
熟练使用STM32CubeMX创建串口工程； 
熟练使用Keil和Proteus对串口调试的仿真过程。
5.1串口通信基础
通用异步收发/传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,UART)是一种常用的对异步比特流进行编码和解码的设备。UART是将外围设备提供的数据字节转换成一组单独的比特信息。反过来，又将这组比特信息转换成数据字节传递给外围设备。UART也是一种计算机与计算机或与仪器仪表间相互交互数据的通信协议。在实际应用中，不仅计算机与外部设备之间常常要进行信息交换，而且计算机之间也需要交换信息，所有这些信息的交换均称为“通信”。按发送数据位数不同，可将通信过程细化为并行通信和串行通信。UART是一种设备间非常常用的串行通信方式，因为它简单便捷，大部分电子设备都支持该通信方式，电子工程师在调试设备时也经常使用该通信方式输出调试信息。
在计算机科学里，大部分复杂的问题都可以通过分层来简化。如芯片被分为内核层和片上外设； STM32标准库则是在寄存器与用户代码之间的软件层。对于通信协议也以分层的方式来理解，最基本的是把它分为物理层和协议层。物理层规定通信系统中具有机械、电子功能部分的特性，确保原始数据在物理媒体的传输。协议层主要规定通信逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准。
5.1.1并行通信和串行通信
并行通信是指将一个数据块各位的数据同一时刻传送出去。例如构成一个8位或16位的数据块并行传送，如图51所示。其特点是传输速度快，但当距离较远、位数又多时导致了通信线路复杂且成本高。
串行通信是一个数据块的每一个数据按位串行传送，如图52所示。其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现通信(如电话线)，从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信。其缺点是传送速度慢。异步串行通信的最基本形式是通过连接两个设备的对称导线来实现的。通常计算机与另一台计算机间相互通信时，计算机A通过Tx数据线将数据发送到计算机B，接收数据的计算机B则通过Rx线接收来自发送计算机A的比特流； 如果当接收计算机B通过Tx线发送数据到发送计算机A的比特流时，则计算机A需要通过Rx线接收这些数据，整个数据收发过程如图52所示。这种通信模式也称为“异步”，因为主机和目标没有共享同一个时钟。



图51并行通信




图52串行通信



为进一步说明并行通信和串行通信的传输原理及其优缺点，表51比较了并行通信和串行通信两种方式的区别。


表51并行和串行通信的区别



比较项并 行 通 信串 行 通 信

传输原理数据各个位同时传输数据按位顺序传输
优点速度快占用引脚资源少
缺点占用引脚资源多速度相对较慢


5.1.2单工、半双工和全双工

由于在串行通信中数据是在两机之间进行传送的，按照数据通信方向，可将发送数据过程分为单工、半双工和全双工三种方式。
1. 单工方式
单工(Simplex)方式： 数据传输是由发送机向接收机的单一固定方向上传输数据，数据传输只支持数据在一个方向上传输，通信双方设备中发送机与接收机分工明确，一方固定为发送端，另一方固定为接收端。采用单工方式通信的典型发送设备如早期计算机的读卡器，典型的接收设备如打印机。计算机与打印机之间的串行通信就是单工方式，因为只能由计算机向打印机传递数据，而不可能有相反方向的数据传递。单工方式通信的示意图如图53所示。


图53单工通信的示意图


2. 半双工方式
半双工(Half Duplex)方式： 通信双方设备之间只有一个通信回路，接收和发送不能同时进行，只能分时接收和发送，允许数据在两个方向上传输，设备既是发送机，也是接收机，两台设备可以相互传送数据。在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信； 它不需要独立的接收端和发送端，两者可以合并一起使用一个端口。某一时刻则只能向一个方向传送数据。例如，步话机是半双工设备，因为在一个时刻只能有一方说话。半双工通信的示意图如图54所示。


图54半双工通信的示意图


3. 全双工方式
全双工(Full Duplex)方式： 通信双方设备之间的数据发送和接收可以同时进行，既是发送机，也是接收机，允许数据同时在两个方向上传输。全双工通信是两个单工通信方式的结合，需要独立的接收端和发送端。两台设备可以在两个方向上同时传送数据。例如，电话是全双工设备，因为双方可同时说话。全双工通信的示意图如图55所示。


图55全双工通信的示意图

5.1.3波特率
波特率既是指在串行通信中每秒传输数据的速度，也是指数据信号对载波的调制速率。它用单位时间内载波调制状态改变次数来表示，单位为波特。比特率指单位时间内传输的比特数，单位为bit/s(bps)。对于USART波特率与比特率相等，不区分这两个概念。由于数据是按位进行传送的，传送速率往往用每秒传送的字节数来表示。在波特率选定之后，对于设计者来说，就是如何得到能满足波特率要求的发送时钟脉冲和接收时钟脉冲。收发双方对发送或接收的数据速率(即波特率)要有一定的约定。由于收发双方的信号中没有直接编码时钟信息，发送端和接收端各自独立地保持时钟，并以一个一致的频率(倍数)运行。而且发送端时钟和接收端时钟不同步，也不能保证完全相同的频率，但它们必须在频率上足够接近(优于2%)才能正常恢复传输的数据。因此，异步通信中由于没有时钟信号，所以两个通信设备之间需要约定好波特率，即每个码元的长度，以便对信号进行解码，图56中用虚线分开的每一格就是代表一个码元。常见的波特率为4800bps、9600bps、115200bps等。波特率越大，传输速率越快。


图56UART信号编码

为了理解接收机如何提取编码数据，假设它有一个从空闲状态开始以波特率倍数(例如16倍)运行的时钟，如图56所示。接收机“采样”它的Rx信号，直到它检测到一个高低转换。然后等待1.5个周期(24个时钟周期)，以在它估计为0位数据中心的位置采样Rx信号。然后接收机以位周期间隔(16个时钟周期)采样Rx，直到它读取了剩余的7个数据位和停止位。从那一点开始，这个过程不断重复，直到成功地从帧中提取数据需要超过10.5个周期。为了正确地检测到停止位，目标时钟相对于主机时钟的漂移要小于0.5个周期。
5.1.4同步通信和异步通信
同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，每一次通信仅传送一帧信息。同步通信需要带时钟信号传输。比如SPI，I2C通信接口。这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同，通常含有若干数据字符。
采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，这样字符可以一个接一个地传输，但是在每组信息(通常称为帧)的开始要加上同步字符。在没有信息传输时，要填上空字符，因为同步传输不允许有间隙。换言之，一个信息帧中包含许多字符，每个信息帧用同步字符作为开始，一般将同步字符和空字符用同一个代码。在同步传输过程中，一个字符可以对应5~8位。当然，对同一个传输过程，所有字符对应同样的数位，比如n位。这样传输时，按每n位划分为一个时间片，发送端在一个时间片中发送一个字符，接收端则在一个时间片中接收一个字符。在整个系统中，由一个统一的时钟控制发送端的发送和空字符用同一个代码。接收端是能识别同步字符的，当检测到有一串数位和同步字符相匹配时，就认为开始一个信息帧。于是，把此后的数位作为实际传输信息来处理。同步通信中，在数据开始传送前用同步字符来指示，同步字符通常为1~2个，数据传送由时钟系统实现发送端和接收端同步，即检测到规定的同步字符后，连续按顺序传送数据，直到通信结束。同步传送时，字符与字符之间没有间隙，不用起始位和停止位，仅在数据块开始时用同步字符SYNC(即同步字符8位)来指示，同步传送格式如图57所示。


图57同步串行通信格式


同步通信中数据块传送时去掉了字符开始和结束的标志，因而其速度高于异步传送，但这种通信方式对硬件的结构要求比较高。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，如图58所示。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。
异步通信是一种不带时钟同步信号的通信方式，比如UART、单总线等。异步通信在发送字符时，所发送的字符之间的时间间隔可以是任意的。当然，接收端必须时刻做好接收的准备。发送端可以在任意时刻发送字符，因此必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志，即加上开始位和停止位，以便使接收端能够正确地将每一个字符接收下来。异步通信的优点是通信设备简单、便宜，但传输效率较低(因为开始位和停止位的开销所占比例较大)，如图59所示。



图58同步串行通信




图59异步串行通信



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，或者将主机数据进行打包，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9600bps或115200bps等。
在异步通信中，数据或字符是一帧一帧地传送的。帧定义为一个字符的完整的通信格式，一般也称为帧格式。在帧格式中，一个字符由4部分组成： 起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。首先是一个起始位“0”表示字符的开始； 然后是5~8位数据，规定低位在前，高位在后； 接下来是奇偶校验位(该位可省略)； 最后是一个停止位“1”，用以表示字符的结束，停止位可以是1位、1.5位、2位，不同的计算机规定有所不同。
异步串行通信格式如图510所示。


图510异步串行通信格式


由于异步通信每传送一帧有固定格式，通信双方只需按约定的帧格式发送和接收数据，所以硬件结构比较简单。此外，它还能利用奇偶校验位检测错误，因此，这种通信方式应用比较广泛。
同步通信与异步通信的区别： 
(1) 同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致，发送端发送连续的比特流； 异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步，发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。
(2) 同步通信效率高； 异步通信效率较低。
(3) 同步通信较复杂，双方时钟的允许误差较小； 异步通信简单，双方时钟可允许一定误差。
(4) 同步通信可用于点对多点； 异步通信只适用于点对点。
(5) 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，而异步通信中则会包含数据帧的各种标识符，所以同步通信效率高； 但是同步通信双方的时钟允许误差小，时钟稍稍出错就可能导致数据错乱，异步通信双方的时钟允许误差较大。
5.1.5串口引脚连接



图511串口通信

对于两个芯片串口之间的连接，两个芯片GND共地，同时TxD和RxD交叉连接，如图511所示。这里的交叉连接的意思是，芯片1的RxD连接芯片2的TxD，芯片2的RxD连接芯片1的TxD。这样，两个芯片之间就可以进行TTL电平通信了。
 RxD： 数据输入引脚表示接收数据； 
 TxD： 数据发送引脚表示发送数据。
如果下位机与计算机(或上位机)通过串口相连，那么上位机和下位机需要共地，但不能直接交叉连接。尽管计算机和下位机都有TxD和RxD引脚，但是计算机(或上位机)使用的都是RS232接口(通常为DB9封装)。RS232接口是9针(或引脚)，通常是TxD和RxD经过电平转换得到的，因此不能直接交叉连接。故要想使得下位机与计算机使用RS232标准传输数据信号，需要将下位机的芯片的输入/输出端口电平转换成RS232类型，再交叉连接。这是因为RS232电平标准的信号不能直接被微控制器芯片直接识别，所以这些信号会经过一个“电平转换芯片”转换成控制器能识别的“TTL校准”的电平信号，才能实现通信。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； 而为了增加串口通信的远距离传输及抗干扰能力，RS232的电平标准是+15/+13V表示0，-15/-13V表示1。一般都是两个通信设备的DB9接口之间通过串口信号线建立起连接。
在上面的串口信号线通信方式中，由于微控制器芯片的串口和RS232的电平标准是不一样的，需要经过电平转换后才可实现它们之间通信。根据通信使用的电平标准不同，串口通信可分为TTL标准及RS232标准，见表52。


表52TTL电平标准与RS232电平标准



通 信 标 准电 平 标 准

RS232逻辑0： +3~+15V

逻辑1： -15~-3V
5V TTL逻辑0： 0~0.5V

逻辑1： 2.4~5V

5.2STM32串口通信基础
STM32的串口通信接口有两种，分别是通用异步收发器(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter,UART)、通用同步异步收发器(Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter,USART)。而对于大容量STM32F10x系列芯片，分别有3个USART和2个UART。STM32芯片具有多个USART外设用于串口通信，即通用同步异步收发器可以灵活地与外部设备进行全双工数据交换。有别于USART，它还具有UART外设，它是在USART基础上裁剪掉了同步通信功能，只有异步通信。简单区分同步和异步就是看通信时是否需要对外提供时钟输出，在实际串口通信应用中主要使用UART。
USART只需两根信号线即可完成双向通信，对硬件要求低，使得很多模块都预留USART接口来实现与其他模块或者控制器进行数据传输，比如GSM模块、WiFi模块、蓝牙模块等。在硬件设计时，注意还需要一根“共地线”。经常使用USART来实现控制器与计算机之间的数据传输，这使得调试程序变得非常方便，比如可以把一些变量的值、函数的返回值、寄存器标志位等通过USART发送到串口调试助手，这样可以非常清楚程序的运行状态，当正式发布程序时再把这些调试信息去除即可。这样不仅可以将数据发送到串口调试助手，还可以在串口调试助手发送数据给微控制器芯片，微控制器芯片的程序根据接收到的数据进行下一步操作。
对于STM32F103来说，为实现串行通信，在其内部都设计有串口电路，USART通过软件编程既可以用作通用异步接收和发送器，也可以用作同步移位寄存器。USART满足外部设备对工业标准不归零编码(NonReturntoZero,NRZ)异步串行数据格式的要求，并且使用了小数波特率发生器，可以提供多种波特率，使得它的应用更加广泛。USART支持同步单向通信和半双工单线通信； 还支持局域互联网络（LIN）、智能卡(Smart Card)协议与lrDA(红外线数据协会)SIR ENDEC规范。USART支持使用DMA，可实现高速数据通信。有关DMA具体应用将在DMA章节作具体讲解。
USART在STM32的应用最多莫过于“打印”程序信息，一般在硬件设计时都会预留一个USART通信接口连接计算机，用于在调试程序中可以把一些调试信息“打印”在计算机的串口调试助手工具上，从而了解程序运行是否正确、指出运行出错位置等。STM32的USART输出的是TTL电平信号，若需要RS232标准的信号，则可使用MAX3232芯片进行转换。
5.2.1STM32F103芯片的USART引脚
USART引脚在STM32F103芯片的具体分布见表53。


表53STM32F103芯片的USART引脚



引脚
APB2APB1
USART1USART2USART3

TxPA9/PB6PA2/PD5PB10/PD8/PC10
RxPA10/PB7PA3/PD6PB11/PD9/PC11
SCLKPA8PA4/PD7PB12/PD10/PC12
nCTSPA11PA0/PD3PB13/PD11
nRTSPA12PA1/PD4PB14/PD12

观察表53可发现很多USART的功能引脚有多个GPIO引脚可选，这方便硬件设计，只要在程序编程时软件绑定GPIO引脚并对串口进行初始化即可。
STM32F103内置了3个通用同步/异步收发器(USART1、USART2和USART3)和2个通用异步收发器(UART4和UART5)。其中，USART1的时钟来源于APB2总线时钟，其最大频率为72MHz，其余的时钟来源于APB1总线时钟。UART只具有异步传输功能，所以没有SCLK、nCTS和nRTS功能引脚。
5.2.2USART功能框图
USART功能框图如图512所示。按串口通信功能划分，将这个框图分成上、中、下三个部分，分别是数据处理、收发控制和波特率控制。


图512USART功能框图


1. 数据处理
数据处理在功能框图512的上部分，数据从Rx进入接收移位寄存器，后进入接收数据寄存器，最终供CPU或者DMA来进行读取； 数据从CPU或者DMA传递过来，进入发送数据寄存器，后进入发送移位寄存器，最终通过Tx发送出去。USART支持DMA传输，可以实现高速数据传输。
1) 功能引脚
下面对数据处理部分的功能引脚进行介绍。
Tx： 发送数据输出引脚。
Rx： 接收数据输入引脚。
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，没有具体外部引脚。
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。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。

SCLK： 发送器时钟输出引脚。这个引脚仅适用于同步模式。
2) 数据寄存器
USART数据寄存器(USART_DR)只有低9位有效，并且第9位数据是否有效要取决于USART控制寄存器1(USART_CR1)的M位设置，当M位为0时表示8位数据字长，当M位为1表示9位数据字长，一般使用8位数据字长。
USART_DR包含了已发送的数据或者接收到的数据。USART_DR实际是包含了两个寄存器，一个专门用于发送的可写TDR，另一个专门用于接收的可读RDR。当进行发送操作时，往USART_DR写入数据会自动存储在TDR 内； 当进行读取操作时，向USART_DR读取数据会自动提取RDR数据。
TDR和RDR都是介于系统总线和移位寄存器之间。串行通信传输的单位是一个数据位，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。
2. 收发控制器
收发控制器在框图512的中间部分。USART有专门控制发送的发送器、控制接收的接收器、中断控制等。使用USART之前需要向USART_CR1寄存器的UE位置1使能USART。发送或者接收数据字长可选8位或9位，由USART_CR1的M位控制。
1) 发送器
当USART_CR1寄存器的发送使能位TE置1时，启动数据发送，发送移位寄存器的数据会在Tx引脚输出，如果是同步模式SCLK也输出时钟信号。一个字符帧发送需要三个部分： 起始位、数据帧、停止位。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； 数据帧就是要发送的8位或9位数据，数据是从最低位开始传输的； 停止位是一定时间周期的高电平。停止位时间长短可以通过USART控制寄存器2(USART_CR2)的STOP［1∶0］位控制，可选0.5个、1个、1.5个和2个停止位。默认使用1个停止位。2个停止位适用于正常USART模式、单线模式和调制解调器模式。0.5个和1.5个停止位用于智能卡模式。具体发送字符时序图如图513所示。


图513字符发送时序图



当发送使能位TE置1之后，发送器开始会先发送一个空闲帧(一个数据帧长度的高电平)，接下来就可以往USART_DR寄存器写入要发送的数据。在写入最后一个数据后，需要等待USART状态寄存器(USART_SR)的TC位为1，表示数据传输完成，如果USART_CR1寄存器的TCIE位置1，将产生中断。在发送数据时，几个比较重要的标志位的总结如表54所示。
2) 接收器
如果将USART_CR1寄存器的RE位置1，使能USART接收，使得接收器在Rx线开始搜索起始位。在确定到起始位后就根据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数据移到RDR内，并把USART_SR寄存器的RXNE位置1。如果USART_CR2寄存器的RXNEIE置1，则可以产生中断。在接收数据时，几个比较重要的标志位的总结如表55所示。



表54串口发送寄存器标志位



名称描述

TE发送使能
TxE发送寄存器为空，发送单个字节数据时使用
TC发送完成，发送多个字节数据时使用
TxIE发送完成中断使能



表55串口接收寄存器标志位



名称描述
RE接收使能
RxNE读数据寄存器非空
RxNEIE发送完成中断使能


为得到一个信号真实情况，需要用一个比这个信号频率高的采样信号去检测，称为过采样。这个采样信号的频率大小决定最后得到源信号的准确度，一般频率越高得到的准确度越高。但为了得到越高频率采样信号也越困难，运算和功耗等也会增加，所以一般选择合适的采样频率就好。
接收器可配置为不同的采样技术，以实现从噪声中提取有效的数据。USART_CR1寄存器的OVER8位用来选择不同的采样方法，如果OVER8位设置为1则采用8倍过采样，即用8个采样信号采样1位数据； 如果OVER8位设置为0则采用16倍过采样，即用16个采样信号采样1位数据。
USART的起始位检测需要用到特定序列。如果在Rx线识别到该特定序列就认为是检测到了起始位。起始位检测对使用16倍或8倍过采样的序列都是一样的。16倍过采样速度虽然没有8倍过采样那么快，但得到的数据更加精准，其最大速度为fPCLK/16，fPCLK为USART外设的时钟。16倍采样过程如图514所示。


图51416倍采样过程


图514中使用第8、9、10次脉冲的值决定该位的电平状态。图中的×表示电平任意，1或0皆可。
3) 中断控制
STM32F103的USART包含多个中断请求事件，例如发送数据寄存器为空、发送完成、准备好读取接收到的数据、奇偶校验错误、检测到空闲线路等。每一个中断请求事件对应了寄存器的事件标志位。如果要想使能某个中断请求事件，需要事先中断使能控制位，见表56。


表56USART中断请求



中 断 事 件事 件 标 志使能控制位
发送数据寄存器为空TxETxEIE
CTS标志CTSCTSIE
发送完成TCTCIE

准备好读取接收到的数据RxNE
检测到上溢错误ORERxNEIE

检测到空闲线路IDLEIDLEIE
奇偶校验错误PEPEIE
断路标志LBDLBDIE
多缓冲通信中的噪声标志、上溢错误和帧错误NF/ORE/FEEIE


3. 波特率控制
波特率控制在框图512的下部分。UART的发送和接收都需要波特率来进行控制，在接收移位寄存器、发送移位寄存器都有一个进入的箭头，分别连接到接收器控制、发送器控制。而这两者连接的又是接收器时钟、发送器时钟。也就是说，异步通信尽管没有时钟同步信号，但是在串口内部是提供了时钟信号来进行控制的。从图512中可以看到，接收器时钟和发送器时钟又被连接到同一个控制单元，也就是说它们共用一个波特率发生器。同时也可以看到，接收器时钟(发生器时钟)的计算方法、USARTDIV的计算方法。
USART的发送器和接收器使用相同的波特率。波特率的常用值有2400bps、9600bps、19200bps、115200bps。接收器和发送器的波特率在USARTDIV的整数和小数寄存器中的值应设置成相同。计算公式如下： 

Tx/Rx波特率=fPLCK(16*USARTDIV)

其中，fPLCK是USART外设的时钟； USARTDIV是一个存放在波特率寄存器(USART_BRR)的无符号定点数。这12位的值设置在USART_BRR寄存器。
下面讲解如何通过设定寄存器值得到波特率的值。选取USART1作为实例讲解，当使用16倍过采样时，即OVER8=0，设定fPLCK=90MHz，为得到115200bps的波特率，此时，

115200=90000000(16*USARTDIV)

解得USARTDIV=48.825125。其中，USARTDIV=DIV_Mantissa+（DIV_Fraction/16），可算得DIV_Fraction=0xD，DIV_Mantissa=0x30，即应该设置USART_BRR的值为0x30D。在计算DIV_Fraction时经常出现小数情况，经过取舍得到整数，这样会导致最终输出的波特率较目标值略有偏差。下面从USART_BRR的值为0x30D开始计算得出实际输出的波特率大小。由USART_BRR的值为0x30D，可得DIV_Fraction=13，DIV_Mantissa=48，所以USARTDIV=48+13÷16=48.8125，所以实际波特率为115237； 这个值与目标波特率的误差为0.03%，这么小的误差在正常通信的允许范围内。8倍过采样时计算原理是一样的。
5.2.3STM32的UART特点
STM32的UART特点如下： 
(1) 全双工异步通信； 
(2) 分数波特率发生器系统，提供精确的波特率。发送和接收共用的可编程波特率，最高可达4.5Mbps； 
(3) 可编程的数据字长度(8位或者9位)； 
(4) 可配置的停止位(支持1或者2位停止位)； 
(5) 使用DMA多缓冲器通信； 
(6) 单独的发送器和接收器使能位； 
(7) 检测标志： ①接收缓冲器标志; ②发送缓冲器标志; ③传输结束标志； 
(8) 多个带标志的中断源，触发中断； 
(9) 校验控制，四个错误检测标志。
5.2.4STM32中的UART参数
STM32中串口异步通信需要定义的参数： 起始位、数据位(8位或者9位)、奇偶校验位(第9位)、停止位(1位,1.5位,2位)、波特率设置。
UART串口通信的数据包以帧为单位，常用的帧结构为： 1位起始位、8位数据位、1位奇偶校验位(可选)、1位停止位。字长设置如图515所示。


图515字长设置


奇偶校验位分为奇校验和偶校验两种，是一种简单的数据误码校验方法。奇校验是指每帧数据中，包括数据位和奇偶校验位的全部9位中“1”的个数必须为奇数； 偶校验是指每帧数据中，包括数据位和奇偶校验位的全部9位中“1”的个数必须为偶数。校验方法除了奇校验(odd)、偶校验(even)之外，还可以有0校验(space)、1校验(mark)以及无校验(noparity)。0/1校验： 不管有效数据中的内容是什么，校验位总为0或者1。
串口通信的数据包由发送设备通过自身的TxD接口传输到接收设备的RxD接口。在串口通信的协议层中，规定了数据包的内容，它由起始位、主体数据、校验位以及停止位组成，通信双方的数据包格式要约定一致才能正常收发数据，其组成见图516。


图516串口通信协议

5.3STM32串口的库函数
5.3.1串口的标准库函数

标准库函数对每个外设都建立了一个初始化结构体，比如USART_InitTypeDef。结构体成员用于设置串口外设工作参数，并由串口外设初始化配置函数，比如USART_Init()调用。这些设定参数将会设置外设相应的寄存器，达到配置串口外设工作环境的目的。
串口初始化结构体和初始化库函数配合使用是标准库的关键理解了初始化结构体每个成员的意义，有助于串口通信的配置。初始化结构体定义在stm32f1xx_usart.h文件中，初始化库函数定义在stm32f1xx_usart.c文件中，编程时可以结合这两个文件的注释，以便正确使用这些功能。
USART初始化结构体如下： 

typedef struct {

uint32_t USART_BaudRate; //此成员配置USART通信波特率

uint16_t USART_WordLength; //指定在一个帧中传输或接收的数据位数

uint16_t USART_StopBits; //指定所传输的停止位数

uint16_t USART_Parity; //指定奇偶校验模式

uint16_t USART_Mode; //指定接收模式是否启用或禁用传输模式

uint16_t USART_HardwareFlowControl; //指定是否启用或禁用硬件流控制模式

} USART_InitTypeDef;


USART_BaudRate： 波特率设置。一般设置为2400bps、9600bps、19200bps、115200bps。标准库函数会根据设定值计算得到USARTDIV值，并设置USART_BRR寄存器值。
USART_WordLength： 数据帧字长，可选8位或9位。它设定USART_CR1寄存器的M位的值。如果没有使能奇偶校验控制，一般使用8数据位； 如果使能了奇偶校验，则一般设置为9数据位。
USART_StopBits： 停止位设置，可选05个、1个、15个和2个停止位，它设定USART_CR2寄存器的STOP［1∶0］位的值，一般我们选择1个停止位。
USART_Parity： 奇偶校验控制选择，可选USART_Parity_No(无校验)、USART_Parity_Even(偶校验)以及USART_Parity_Odd(奇校验)，它设定USART_CR1寄存器的PCE位和PS位的值。启用奇偶校验时，将计算出的奇偶校验插入传输数据的MSB位置(字长度设置为9数据位时第9位； 字长度设置为8数据位时第8位)。
USART_Mode： USART模式选择，有USART_Mode_Rx和USART_Mode_Tx，允许使用逻辑或运算选择，它设定USART_CR1寄存器的RE位和TE位。
USART_HardwareFlowControl： 硬件流控制选择，只有在硬件流控制模式才有效，可有四种选择： 使能RTS、使能CTS、同时使能RTS和CTS、不使能硬件流。
当使用同步模式时需要配置SCLK引脚输出脉冲的属性，标准库通过一个时钟初始化结构体USART_ClockInitTypeDef来设置，因此该结构体内容也只有在同步模式才需要设置。
USART时钟初始化结构体如下： 

typedef struct {

uint16_t USART_Clock; //时钟使能控制

uint16_t USART_CPOL; //时钟极性

uint16_t USART_CPHA; //时钟相位

uint16_t USART_LastBit; //最尾位时钟脉冲

} USART_ClockInitTypeDef;


USART_Clock： 同步模式下SCLK引脚上时钟输出使能控制，可选禁止时钟输出USART_Clock_Disable或开启时钟输出USART_Clock_Enable； 如果使用同步模式发送，一般都需要开启时钟。它设定USART_CR2寄存器的CKEN位的值。
USART_CPOL： 同步模式下SCLK引脚上输出时钟极性设置，可设置在空闲时SCLK引脚为低电平(USART_CPOL_Low)或高电平(USART_CPOL_High)，即设定USART_CR2寄存器的CPOL位的值。
USART_CPHA： 同步模式下SCLK引脚上输出时钟相位设置，可设置在时钟第一个变化沿捕获数据USART_CPHA_1Edge或在时钟第二个变化沿捕获数据，即设定USART_CR2寄存器的CPHA位的值。USART_CPHA与USART_CPOL配合使用可以获得多种模式时钟关系。
USART_LastBit： 选择在发送最后一个数据位时时钟脉冲是否在SCLK引脚输出，可以是不输出脉冲USART_LastBit_Disable、输出脉冲USART_LastBit_Enable，即设定USART_CR2寄存器的LBCL位的值。
下面列出了常用的操作串口的标准库函数： 

void USART_DeInit(USART_TypeDef* USARTx);

/**

* @brief将USARTx外围寄存器取消初始化为其默认重置值

* @paramUSARTx:选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

*USART1,USART2,USART3,UART4 or UART5

* @retval 无

*/

void USART_Init(USART_TypeDef*USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);

/**

* @brief根据USART_InitStruct中指定参数初始化USARTx外围设备

*

* @paramUSARTx: 选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5.

* @paramUSART_InitStruct: 指向包含指定USART外围设备的配置信息的USART_InitTypeDef* 结构体的指针

* @retval 无

*/

void USART_StructInit(USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);

/**

* @brief向每个USART_InitStruct成员填充其默认值

* @paramUSART_InitStruct: 指向将被初始化USART_InitTypeDef结构体的指针

* @retval 无

*/

void USART_ClockInit(USART_TypeDef* USARTx, USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct);

/**

* @brief根据USART_ClockInitStruct结构体中指定的参数初始化USARTx外围时钟

* @paramUSARTx:用于选择USART外围设备，其中x可以为1、2和3

* @paramUSART_ClockInitStruct:指向包含指定USART外围设备的配置信息的USART_* ClockInitTypeDef结构体的指针

* @note UART4和UART5不能使用智能卡和同步模式

* @retval 无

*/

void USART_ClockStructInit(USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct);

/**

* @brief向每个USART_ClockInitStruct结构体成员填充其默认值

* @paramUSART_ClockInitStruct:指向将被初始化USART_ClockInitTypeDef结构体的指针

*

* @retval 无

*/

void USART_Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);

/**

* @brief启用或禁用指定的USART外围设备

* @paramUSARTx:选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @paramNewState: USARTx外围设备的新状态

* 此参数可以是：启用或禁用

* @retval 无

*/

void USART_ITConfig(USART_TypeDef*USARTx, uint16_t USART_IT, FunctionalState NewState);

/**

* @brief启用或禁用指定的USART中断

* @paramUSARTx:选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @paramUSART_IT:指定要启用或禁用的USART中断源

* 此参数可以是以下值之一：

* @arg USART_IT_CTS:CTS变更中断(UART4和UART5不可用)

* @arg USART_IT_LBD:LIN断路检测中断

* @arg USART_IT_TXE:传输数据寄存器为空的中断

* @arg USART_IT_TC: 传输完成中断

* @arg USART_IT_RXNE: 接收数据寄存器，而不是空的中断

* @arg USART_IT_IDLE: 空闲线检测中断

* @arg USART_IT_PE: 奇偶校验错误中断

* @arg USART_IT_ERR:错误中断(帧错误、噪声错误、溢出错误)

* @paramNewState: 指定USARTx中断的新状态

* 此参数可以是：启用或禁用

* @retval 无

*/

void USART_DMACmd(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_DMAReq, FunctionalState NewState);

/**

* @brief启用或禁用USART的DMA接口

* @paramUSARTx: 选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @paramUSART_DMAReq: 指定DMA请求

* 此参数可以是以下值的任意组合：

* @arg USART_DMAReq_Tx: USART的DMA传输请求

* @arg USART_DMAReq_Rx: USART的DMA接收请求

* @paramNewState: DMA请求源的新状态

* 此参数可以是：启用或禁用

* @note 除STM32高密度值设备(STM32F10X_HD_VL)外，UART5不使用DMA模式

*

* @retval 无

*/



void USART_SetAddress(USART_TypeDef* USARTx, uint8_t USART_Address);

/**

* @brief设置USART节点的地址

* @paramUSARTx: 选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @paramUSART_Address: 指示USART节点的地址

* @retval 无

*/

void USART_WakeUpConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_WakeUp);

/**

* @brief选择USART的WakeUp方法

* @paramUSARTx: 选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @paramUSART_WakeUp: 指定USART的WakeUp方法

* 此参数可以是以下值之一：

* @arg USART_WakeUp_IdleLine: 通过空闲线路检测进行唤醒

* @arg USART_WakeUp_AddressMark: 通过地址标记进行唤醒

* @retval 无

*/

void USART_ReceiverWakeUpCmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);

/**

* @brief确定USART是否处于闲置模式

* @paramUSARTx: 选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @paramNewState: USART闲置模式的新状态

* 此参数可以是：启用或禁用

* @retval 无

*/

void USART_LINBreakDetectLengthConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_LINBreakDetectLength);

/**

* @brief设置USART的LIN断开线检测长度

* @paramUSARTx: 选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @paramUSART_LINBreakDetectLength: 指定LIN断开线检测的长度

* 此参数可以是以下值之一：

* @arg USART_LINBreakDetectLength_10b: 10位中断检测

* @arg USART_LINBreakDetectLength_11b: 11位中断检测

* @retval 无

*/

void USART_LINCmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);

/**

* @brief启用或禁用USART的LIN模式

* @paramUSARTx: 选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @paramNewState: USART的LIN模式的新状态

* 此参数可以是：启用或禁用

* @retval 无

*/

void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);

/**

* @brief通过USARTx外围设备传输单个数据

* @paramUSARTx: 选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @paramData: 要传输的数据

* @retval 无

*/

uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);

/**

* @brief返回USARTx外围设备接收到的最新数据

* @paramUSARTx: 选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @retval 已接收到的数据

*/

void USART_SendBreak(USART_TypeDef* USARTx);

/**

* @brief传输断开符字符

* @paramUSARTx: 选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @retval 无

*/

void USART_SetGuardTime(USART_TypeDef* USARTx, uint8_t USART_GuardTime);

/**

* @brief设置指定的USART防护时间

* @paramUSARTx: 用于选择USARTx外围设备。其中，x可以是1、2或3

* @paramUSART_GuardTime: 指定防护时间

* @note UART4和UART5没有保护时间位

* @retval 无

*/

void USART_SetPrescaler(USART_TypeDef* USARTx, uint8_t USART_Prescaler);

/**

* @brief设置系统时钟的预分频器

* @paramUSARTx: 选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @paramUSART_Prescaler: 指定预分频器的时钟

* @note 该功能用于具有UART4和UART5的IrDA模式

* @retval 无

*/

void USART_SmartCardCmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);

/**

* @brief启用或禁用USARTx的智能卡模式

* @paramUSARTx: 用于选择USARTx外围设备，其中，x可以是1、2或3

* @paramNewState: 智能卡模式的新状态

* 此参数可以是：启用或禁用

* @note UART4和UART5不适用于智能卡模式

* @retval 无

*/

void USART_SmartCardNACKCmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);

/**

* @brief 启用或禁用NACK传输

* @paramUSARTx: 用于选择USARTx外围设备,其中，x可以是1、2或3

* @paramNewState: NACK传输器的新状态

* 此参数可以是：启用或禁用

* @note UART4和UART5不适用于智能卡模式

* @retval 无

*/

void USART_HalfDuplexCmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);

/**

* @brief 启用或禁用USARTx的半双工路通信

* @paramUSARTx: 选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @paramNewState: USART通信的新状态

* 此参数可以是：启用或禁用

* @retval 无

*/

void USART_OverSampling8Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);

/**

* @brief启用或禁用USART的8倍过采样模式

* @paramUSARTx: 选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @paramNewState: USART一位采样方法的新状态

* 此参数可以是：启用或禁用

* @note

* 在调用USART_Init()之前，必须先调用此函数

* 有正确的波特率分配值功能

* @retval 无

*/

void USART_OneBitMethodCmd(USART_TypeDef*USARTx,FunctionalState NewState);

/**

* @brief启用或禁用USART的一位采样方法

* @paramUSARTx: 选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @paramNewState: USART一位采样方法的新状态

* 此参数可以是：启用或禁用

* @retval 无

*/

void USART_IrDAConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IrDAMode);

/**

* @brief配置USART的IrDA接口

* @paramUSARTx: 选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @paramUSART_IrDAMode: 指定IrDA模式

* 此参数可以是以下值之一：

* @arg USART_IrDAMode_LowPower

* @arg USART_IrDAMode_Normal

* @retval 无

*/

void USART_IrDACmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);

/**

* @brief启用或禁用USART的IrDA接口

* @paramUSARTx: 选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @paramNewState: IrDA模式的新状态

* 此参数可以是：启用或禁用

* @retval 无

*/

FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx,uint16_t USART_FLAG);

/**

* @brief检查是否设置了指定的USART标志位

* @paramUSARTx: 选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @paramUSART_FLAG: 指定要检查的标志位

* 此参数可以是以下值之一：

* @arg USART_FLAG_CTS:CTS变更标志位(不适用于UART4和UART5)

* @arg USART_FLAG_LBD:LIN 断路检测标志位

* @arg USART_FLAG_TXE:传输数据寄存器为空标志位

* @arg USART_FLAG_TC: 传输完成的标志位

* @arg USART_FLAG_RXNE: 接收数据寄存器不是空标志位

* @arg USART_FLAG_IDLE: 空闲线检测标志位

* @arg USART_FLAG_ORE:覆盖错误标志位

* @arg USART_FLAG_NE: 噪声错误标志位

* @arg USART_FLAG_FE: 帧设置错误标志位

* @arg USART_FLAG_PE: 奇偶校验错误标志位

* @retval USART_FLAG的新状态(设置或重置)

*/

void USART_ClearFlag(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);

/**

* @brief清除USARTx的挂起标志位

* @paramUSARTx: 选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @paramUSART_FLAG: 指定要清除的标志

* 此参数可以是以下值的任意组合：

* @arg USART_FLAG_CTS: CTS变更标志位(不适用于UART4和UART5)

* @arg USART_FLAG_LBD: LIN 断开检测标志位

* @arg USART_FLAG_TC: 传输完成的标志位

* @arg USART_FLAG_RXNE: 接收数据寄存器不是空标志位

*

* @note

*-PE(奇偶校验错误)、FE(帧错误)、NE(噪声错误)、ORE(溢出错误)和IDLE(检测到空闲行)挂起位通过软件序列清除：对USART_SR寄存器执行读取操作USART_GetITStatus()，然后对USART_DR寄存器执行读取操作USART_ReceiveData()

* -RXNE挂起位也可以通过读取USART_DR寄存器USART_ReceiveData()来清除

*-TC挂起位也可以通过软件序列清除：向USART_SR寄存器进行读取操作USART_GetITStatus()，然后向USART_DR寄存器进行写入操作USART_SendData()

* -TXE挂起位只通过写入USART_DR寄存器USART_SendData()来清除

* @retval 无

*/

ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);

/**

* @brief指定要检查的USART中断源

* @paramUSARTx: 选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @paramUSART_IT: 指定要检查USART的中断源

* 此参数可以是以下值之一：

* @arg USART_IT_CTS:CTS变更中断(UART4和UART5不可用)

* @arg USART_IT_LBD:LIN断开检测中断

* @arg USART_IT_TXE:传输数据寄存器为空中断

* @arg USART_IT_TC: 传输完成中断

* @arg USART_IT_RXNE: 接收数据寄存器非空的中断

* @arg USART_IT_IDLE: 空闲线检测中断

* @arg USART_IT_ORE: 溢出错误中断

* @arg USART_IT_NE:噪声错误中断

* @arg USART_IT_FE:帧错误中断

* @arg USART_IT_PE:奇偶校验错误中断

* @retval USART_IT的新状态(设置或重置)

*/

void USART_ClearITPendingBit(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);

/**

* @brief清除USARTx的中断等待位

* @paramUSARTx: 选择USART或UART外围设备

* 此参数可以是以下值之一：

* USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5

* @paramUSART_IT: 指定要清除的中断等待位

* 此参数可以是以下值之一：

* @arg USART_IT_CTS: CTS变更中断(UART4和UART5不可用)

* @arg USART_IT_LBD: LIN断开检测中断

* @arg USART_IT_TC: 传输完成中断

* @arg USART_IT_RXNE: 接收数据寄存器非空的中断

* @note

*-PE(奇偶校验错误)、FE(帧错误)、NE(噪声错误)、ORE(溢出错误)和IDLE(检测到空闲行)挂起位通过软件序列清除：对USART_SR寄存器执行读取操作(USART_GetITStatus())，然后对USART_DR寄存器执行读取操作USART_ReceiveData()

* -RXNE挂起位也可以通过读取USART_DR寄存器USART_ReceiveData()来清除

* -TC挂起位也可以通过软件序列清除：向USART_SR寄存器进行读取操作(USART_GetITStatus())，然后向USART_DR寄存器进行写入操作USART_SendData()

* -TXE挂起位只通过写入USART_DR寄存器USART_SendData()来清除

* @retval 无

*/


5.3.2STM32串口通信配置步骤
STM32串口通信过程配置步骤如图517所示。


图517串口配置步骤


STM32串口通信的具体步骤如下： 
(1) 串口时钟和GPIO时钟使能; 
(2) 串口复位(不必须); 
(3) GPIO设置； 注意RxD和TxD在设置过程中设置输入/输出方法的不同(AF_PP|IN_FLOATING)； 
(4) 串口参数初始化(这里要初始化很多参数，要记住每个参数的设定值，通信双方要约定参数保持一致)； 
(5) 开启中断，使能 NVIC； 
(6) 实现串口的使能； 
(7) 编写中断处理函数； 
(8) 实现串口数据的收发； 
(9) 实现串口传输状态获取。
一个STM32的串口初始化程序的整体结构，如以下代码所示： 

#include <stm32f10x.h>

#include <stm32f10x_rcc.h>

#include <stm32f10x_gpio.h>

#include <misc.h>

#include"stm32f10x.h"



int main(void)

{

/*初始化GPIO*/

GPIO_Config();

AFIO_Config();

/*串口配置*/

USART_Config();

while(1);

}

5.4STM32串口通信实例
5.4.1STM32串口通信实例的标准库函数开发

本节将学习STM32F103的片内外设USART1的数据通信。本实例通过使用STM32F103的PA9和PA10实现串口的发送和接收数据。最后利用Proteus进行仿真，依据仿真结果说明串口中断实验的通信过程。图518是STM32串口通信的应用实例原理图。


图518STM32串口通信的应用实例原理图


图519为STM32串口通信的应用实例程序的流程图。


图519STM32串口通信的应用实例程序流程


本节是通过重写printf()函数重新定向输出到串口。由于C标准库函数printf()实质是fputc()函数的宏定义，所以需要对fputc()函数进行重写。当运行环境检查到用户编写了与C库函数同名的函数时优先调用用户重写的同名函数，从而实现了对printf()函数的重定向输出到串口。具体代码如下： 

#include "stm32f10x.h"

#include <stdio.h>



int fputc(int ch, FILE *f)

{

USART_SendData(USART1, (unsigned char) ch);

//USART1 可以换成 USART2 等

while (!(USART1->SR & USART_FLAG_TXE));

return (ch);

}

void delay(u16 num)

{

u16 i,j;

for(i=0;i<num;i++)

for(j=0;j<0x800;j++);

}



int main(void)

{

/*USART1 Init with 9600bps*/

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

USART_InitTypeDef USART_InitStructure;



/*Enable GPIO Alternate Function clock*/

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);



/*Configure USART1 Tx(PA.9) as Alternate Function Push-Pull*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);



/*Configure USART1 Rx(PA.10) as In-Floating*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);



/*Enable USART1 clock*/

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);



/*USARTx configured as follow*/

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;

USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;

USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);



/*Clear USART1 Transmission complete flag*/

USART_ClearFlag(USART1, USART_FLAG_TC);



/*Enable USART1*/

USART_Cmd(USART1, ENABLE);



/*Infinite loop*/

while (1)

{

printf("STM32串口1测试!!!＼n");

delay(1000);

}

}

运用Keil软件对上述代码进行编译，编译成功后开启Debug模式，如图520所示。观察串口1的配置参数和串口1的显示窗口。在串口1的显示窗口中每隔1s打印"STM32串口1测试!!!"。


图520仿真结果


5.4.2STM32CubeMX基础配置
1. STM32CubeMX工程配置

前面已经介绍了如何利用STM32CubeMX新建工程，本节在此基础上对串口1进行配置。首先要使能GPIO时钟，然后使能复用功能时钟，同时要把GPIO模式设置为复用功能对应的模式，配置PA9和PA10引脚，如图521所示。


图521设置通信串口


选择USART1选项，然后设置串口参数，包括波特率、字长、停止位等。串口的波特率设置为默认值115200。注意串口通信前需要将波特率设置一致，此处波特率较低是为了方便Proteus仿真。
设置完成后，接下来就是使能串口。这里需要用到串口中断，先要设置NVIC中断优先级别，再进行使能中断，由于此时只用到了串口中断，中断任务之间不存在影响，故优先级直接采取默认设置，如图522所示。


图522设置串口中断


配置完成的时钟树如图523所示。


图523配置时钟树


2. Keil软件
本节将利用串口1每隔1s发送0xFF、0x00、0x12、0x34和0xDD共5个数据。首先用Keil软件打开由STM32CubeMX生成的工程； 然后从Keil左侧工程目录树的Application/User/Core文件夹下找到main.c源文件； 最后打开main.c源文件并编写串口发送数据代码。
在main.c文件中定义发送数据pData数组，代码如下： 

/*USER CODE BEGIN 1*/

uint8_t pData［7］={0xFF,0x00, 0x12, 0x34, 0xDD,'＼r','＼n'};

/*USER CODE END 1*/

其中，＼r表示回车，英文是linefeed，ASCII码是0xD。＼n表示换行，英文是carriage return, ASCII码是0xA。
找到主函数，加入发送pData数据的代码，代码如下： 

/*Infinite loop*/

/*USER CODE BEGIN WHILE*/

while (1)

{

/*USER CODE END WHILE*/

/*USER CODE BEGIN 3*/

HAL_UART_Transmit(&huart1, pData, 7100);

HAL_Delay(1000);



}

/*USER CODE END 3*/

编译上面的代码，成功编译后开启Debug模式，如图524所示。


图524仿真结果


观察图中的仿真结果，可以看到串口1已经实现了打印0xFF、0x00、0x12、0x34和0xDD的实验结果。
3. Proteus仿真实验
如果将编译好的程序直接烧录到芯片中，则一定要确保程序中的GPIO口要与实际STM32板的原理图相匹配。本次实验为每隔1s打印0xFF、0x00、0x12、0x34和0xDD数据信息。为了进一步验证上述实验的准确性，使用Proteus工具构建基于STM32F103C6Tx的串口通信仿真环境，并通过该软件模拟STM32F103C6Tx在物理环境的运行结果。
接下来在Proteus中配置STM32F103C6，如图525所示。双击原理图上的STM32F103C6，将上面用Keil编译好的串口发送程序加载到STM32F103C6芯片中，设置STM32F103C6芯片的晶振频率，其余保持默认即可，最后单击“OK”按钮，如图525所示。


图525STM32F103C6芯片配置


基于串口发送程序实验的原理图搭建仿真电路，并在PA9和PA10引脚上连接虚拟终端(Virtual Terminal)，单击“运行仿真”或者快捷键F12。运行仿真后能够观察到STM32F103C6引脚PA9和PA10的变化,仿真结果如图526所示。


图526仿真结果


本章小结
本章主要介绍了串口的概念、通信方式、STM32的串行接口内部结构以及如何配置STM32串口。通过本章的学习，要求学生掌握同步和异步串行通信，了解串行通信的数据通路形式有单工、半双工、全双工三种方式，掌握STM32串口的配置步骤，熟练使用STM32CubeMX创建串口工程，并能使用Keil和Proteus完成串口仿真调试。
习题5
1. 填空题
(1) 是指将一个数据块各位的数据同一时刻传送出去。
(2) 是一个数据块的各位数据一位接一位地传送。
(3) 按照数据通信方向，可将发送数据过程分为、和三种方式。
(4) 是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。
(5) STM32的串口通信接口有和两种。
(6) 一个字符帧发送需要、和三部分。
2. 选择题
(1) ()是一种常用的对异步比特流进行编码和解码的设备。

A. 中断B. GPIOC. DMAD. UART
(2) USART1的时钟来源于()总线时钟。
A. APB1B. APB2C. SYSCLKD. HCLK
(3) 下列关于波特率说法不正确的是()。
A. 波特率是指在串行通信中每秒传输数据的速度
B. 波特率是指数据信号对载波的调制速率
C. 波特率指单位时间内传输的比特数
D. 异步通信中有时钟信号，所以两个通信设备之间不需要约定好波特率
(4) 下列关于同步通信描述不正确的是()。
A. 同步通信需要带时钟信号传输
B. 同步通信的信息帧与异步通信中的字符帧相同
C. 采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组
D. 每个信息帧用同步字符作为开始
(5) 下列关于RS232描述不正确的是()。
A. 微控制器芯片与PC机(或上位机)相连，除了共地之外不能直接交叉连接
B. 芯片的电平标准是+5V表示1，0V表示0
C. RS232的电平标准是+15/+13V表示0，-15/-13表示1
D. 微控制器芯片的串口和RS232的电平标准是不一样的

(6) 串行通信传送速率的单位是波特，而波特的单位是()。
A. 字节/秒B. 位/秒C. 帧/秒D. 字符/秒
(7) 在串行通信中，每分钟发送60byte，其波特率为()。
A. 120bpsB. 960bpsC. 2bpsD. 1bps
3. 简答题
(1) 简述什么是并行通信和串行通信，及它们的优缺点。
(2) 简述什么是单工方式。
(3) 简述什么是半双工方式。
(4) 简述什么是全双工方式。
(5) 简述什么是同步通信和异步通信，及二者之间的异同点。
(6) 简述STM32的UART特点。
(7) 简述STM32串口通信的具体步骤。
4. 编程题
(1) 设计一个单片机的双机通信系统。工作方式1，波特率为1200bps，以中断方式发送和接收数据。
(2) 利用串口控制发光二极管工作，使得发光二极管每隔0.5s交替亮、灭，画出硬件电路图并编写程序。