STM32（七）：STM32指南者-通信实验

🕗 发布于 2024-07-24 14:28 stm32 单片机 嵌入式硬件

一、基本概念

通讯基本概念

1、串行和并行

在这里插入图片描述并行传输对同步要求较高，且随着通讯速率的提高，信号干扰的问题会显著影响通讯性能，现在随着技术的发展，越来越多的应用场合采用高速率的串行差分传输。

2、同步通讯与异步通讯

在同步通讯中，收发设备双方会使用一根信号线表示时钟信号，在时钟信号的驱动下双方进行协调，同步数据。通讯中通常双方会统一规定在时钟信号的上升沿或下降沿对数据线进行采样。
在这里插入图片描述
在异步通讯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同步用的信号位，或者把主体数据进行打包，以数据帧的格式传输数据。某些通讯中还需要双方约定数据的传输速率，以便更好地同步。

在这里插入图片描述

3、全双工、半双工、单工

在这里插入图片描述
仍以公路来类比，全双工的通讯就是一个双向车道，两个方向上的车流互不相干；半双工则像乡间小道那样，同一时刻只能让一辆小车通过，另一方向的来车只能等待道路空出来时才能经过；而单工则像单行道，另一方向的车辆完全禁止通行。

4、通讯速率

比特率：即每秒钟传输的二进制位数，单位为比特每秒(bit/s)。
波特率：表示每秒钟传输了多少个码元。
码元：通讯中常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的信号称为码元。
如常见的通讯传输中，用0V表示数字0，5V表示数字1，那么一个码元可以表示两种状态0和1，所以一个码元等于一个二进制比特位，此时波特率的大小与比特率一致；如果在通讯传输中，有0V、2V、4V以及6V分别表示二进制数00、01、10、11，那么每个码元可以表示四种状态，即两个二进制比特位，所以码元数是二进制比特位数的一半，这个时候的波特率为比特率的一半。（一般码元二种状态，此时波特率=比特率）

USART基本概念

1、串口通讯基本概念

串口通讯是一种设备间非常常用的串行通讯方式，大部分电子设备都支持该通讯方式。
串口通讯协议分为物理层及协议层：物理层规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性，确保原始数据在物理媒体的传输。协议层主要规定通讯逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准。简单来说物理层规定我们用嘴巴还是用肢体来交流，协议层则规定我们用中文还是英文来交流。
（1）USART：通用同步异步收发器，是一个串行通信设备，可以灵活地与外部设备进行全双工数据交换。（2）UART：是在USART基础上裁剪掉了同步通信功能，只有异步通信，我们平时用的串口通信基本都是UART。
本教程主要讲USART的串口异步通讯，异步通讯中没有时钟信号。

2、物理层

串口设备间常见的通讯结构：
在这里插入图片描述
其中，TTL标准及RS-232标准是通讯使用的两种电平标准：

控制器一般使用TTL标准，串口信号线中使用RS-232标准

几种通信连接情况：
（1）设备直连（两设备串口相同）
通讯结构图：
两设备都是封装好的DB9接口：
在这里插入图片描述
或两设备都是原生的串口到串口：

在这里插入图片描述

则用串口线或杜邦线直接连接设备A和设备B就行，进行串口通信或者；

其中串口线的接口为DB9接口：
串口线及DB9接口
（2）设备和电脑
一般设备芯片模块是原生的串口走TTL协议，电脑上是USB接口：
在这里插入图片描述则需要USB转串口即电平转换芯片，如CH340，电脑端也需要安装电平转换芯片的驱动。

3、协议层

通讯双方的数据包格式要约定一致才能正常收发数据，这种约定就是协议。在串口通讯的协议层中，规定了数据包的内容，它由启始位、主体数据、校验位以及停止位组成。
在这里插入图片描述两个设备进行串口异步通讯没有时钟信号，所以两个通讯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。上图虚线分开的每一格就是代表一个码元。

1、起始位：数据包的起始信号由一个逻辑0的数据位表示。
2、有效数据（主体数据）：常被约定为5、6、7或8位长。
3、可选的数据校验位：由于数据通信相对更容易受到外部干扰导致传输数据出现偏差，可以在传输过程加上校验位来解决这个问题。如：最后的传输数据9位=有效数据8位+校验位1位。
4、停止位：可由0.5、1、1.5或2个逻辑1的数据位表示，只要双方约定一致即可。

4、指南者的串口USART

STM32F103VET6系统控制器有三个USART和两个UART，其中USART1和时钟来源于APB2总线时钟，其最大频率为72MHz，其他四个的时钟来源于APB1总线时钟，其最大频率为36MHz。UART只是异步传输功能，所以没有SCLK、nCTS和nRTS功能引脚。
在这里插入图片描述 TX：发送数据输出引脚。
RX：接收数据输入引脚。

I2C基本概念

XXX

SPI基本概念

XXX

二、USART串口实验

前期准备

1、安装安装 USB 转串口驱动_CH340

在这里插入图片描述该驱动支持 XP、WIN7、 WIN10，非 XP 用户使用用管理员身份安装即可。

安装完成后，把 USB 转 TTL 线接入电脑，如果 USB 转串口驱动安装成功，那么可在计算机->管理->设备管理器->端口中可查看识别到串口。

在这里插入图片描述出现了这个说明识别到了CH340

2、野火多功能调试助手

本实验用的是野火串口调试助手.zip为旧版C#，另外还有多个版本在软件包中，野火多功能调试助手直接点击exe就可使用

在这里插入图片描述

两个工具软件可自行下载：111串口调试软件

3、使用USB转串口（USART1）给板子供电

在这里插入图片描述本实验以串口1为例，串口2、3、4、5只需要修改GPIO引脚和时钟即可。

实验一：中断接收和发送实验（板子和电脑）

1、实验说明

本实验编写一个程序实现开发板与电脑通信，（1）在开发板上电时通过USART发送一串字符串给电脑，然后开发板进入中断接收等待状态，（2）如果电脑有发送数据过来，开发板就会产生中断，我们在中断服务函数接收数据，并马上把数据返回发送给电脑。

编程思路
1、配置串口相关GPIO；
2、配置串口工作参数；
3、串口中断配置；当中断函数检测到设备收到了数据时，进行数据读取和发送到电脑；
4、编写数据发送给电脑的函数（固件库自带读取数据的函数）。
5、主函数：初始化调用和实现上电时通过USART发送一串字符串给电脑的功能。

2、编程过程

（1）配置串口相关GPIO

参数

// USART1 GPIO 引脚宏定义
#define  DEBUG_USART_GPIO_CLK           (RCC_APB2Periph_GPIOA)//GPIO挂载的时钟总线
#define  DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd    RCC_APB2PeriphClockCmd
    
#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT       GPIOA   
#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_9 //发出引脚
#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT       GPIOA
#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_10 //输入引脚

#define  DEBUG_USART_IRQ                USART1_IRQn
#define  DEBUG_USART_IRQHandler         USART1_IRQHandler

 USART2 GPIO 引脚宏定义
//#define  DEBUG_USART_GPIO_CLK           (RCC_APB2Periph_GPIOA)
//#define  DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd    RCC_APB2PeriphClockCmd 
//#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT       GPIOA   
//#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_2
//#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT       GPIOA
//#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_3
//#define  DEBUG_USART_IRQ                USART2_IRQn
//#define  DEBUG_USART_IRQHandler         USART2_IRQHandler

 USART3 GPIO 引脚宏定义
//#define  DEBUG_USART_GPIO_CLK           (RCC_APB2Periph_GPIOB)
//#define  DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd    RCC_APB2PeriphClockCmd
//#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT       GPIOB   
//#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_10
//#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT       GPIOB
//#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_11
//#define  DEBUG_USART_IRQ                USART3_IRQn
//#define  DEBUG_USART_IRQHandler         USART3_IRQHandler

 USART4 GPIO 引脚宏定义
//#define  DEBUG_USART_GPIO_CLK           (RCC_APB2Periph_GPIOC)
//#define  DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd    RCC_APB2PeriphClockCmd
//#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT       GPIOC   
//#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_10
//#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT       GPIOC
//#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_11
//#define  DEBUG_USART_IRQ                UART4_IRQn
//#define  DEBUG_USART_IRQHandler         UART4_IRQHandler


 USART5 GPIO 引脚宏定义
//#define  DEBUG_USART_GPIO_CLK           (RCC_APB2Periph_GPIOC|RCC_APB2Periph_GPIOD)
//#define  DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd    RCC_APB2PeriphClockCmd  
//#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT       GPIOC   
//#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_12
//#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT       GPIOD
//#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_2
//#define  DEBUG_USART_IRQ                UART5_IRQn
//#define  DEBUG_USART_IRQHandler         UART5_IRQHandler

初始化函数：

void USART_Config(void)
{
//1、配置GPIO参数
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

// 打开串口GPIO的时钟
DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE);

// 将USART Tx的GPIO配置为推挽复用模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

  // 将USART Rx的GPIO配置为浮空输入模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
...

（2）配置串口工作参数

参数

/** 
  * 串口宏定义，不同的串口挂载的总线和IO不一样，移植时需要修改这几个宏
* 1-修改总线时钟的宏，uart1挂载到apb2总线，其他uart挂载到apb1总线
* 2-修改GPIO的宏
  */

// 串口1-USART1
#define  DEBUG_USARTx                   USART1
#define  DEBUG_USART_CLK                RCC_APB2Periph_USART1//挂载总线时钟
#define  DEBUG_USART_APBxClkCmd         RCC_APB2PeriphClockCmd
#define  DEBUG_USART_BAUDRATE           115200 //波特率，和电脑上调试工具一致

// 串口2-USART2
//#define  DEBUG_USARTx                   USART2
//#define  DEBUG_USART_CLK                RCC_APB1Periph_USART2
//#define  DEBUG_USART_APBxClkCmd         RCC_APB1PeriphClockCmd
//#define  DEBUG_USART_BAUDRATE           115200

// 串口3-USART3
//#define  DEBUG_USARTx                   USART3
//#define  DEBUG_USART_CLK                RCC_APB1Periph_USART3
//#define  DEBUG_USART_APBxClkCmd         RCC_APB1PeriphClockCmd
//#define  DEBUG_USART_BAUDRATE           115200

// 串口4-UART4
//#define  DEBUG_USARTx                   UART4
//#define  DEBUG_USART_CLK                RCC_APB1Periph_UART4
//#define  DEBUG_USART_APBxClkCmd         RCC_APB1PeriphClockCmd
//#define  DEBUG_USART_BAUDRATE           115200

// 串口5-UART5
//#define  DEBUG_USARTx                   UART5
//#define  DEBUG_USART_CLK                RCC_APB1Periph_UART5
//#define  DEBUG_USART_APBxClkCmd         RCC_APB1PeriphClockCmd
//#define  DEBUG_USART_BAUDRATE           115200

函数

...
// 2、配置串口的工作参数
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
// 打开串口外设的时钟
DEBUG_USART_APBxClkCmd(DEBUG_USART_CLK, ENABLE);
//发送三个部分：起始位+数据帧+停止位；数据帧就是我们要发送的8位或9位数据
// 配置波特率
USART_InitStructure.USART_BaudRate = DEBUG_USART_BAUDRATE;
// 配置数据帧字长
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//配置为8位
// 配置停止位
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//取一位为停止位
// 配置校验位
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;//无数据校验位
// 配置硬件流控制
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//不使用硬件流。在目前的其它工业控制使用的串口通讯中一般不使用硬件流。
// 配置工作模式，收发一起
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
// 完成串口的初始化配置
USART_Init(DEBUG_USARTx, &USART_InitStructure);
...

（3）串口中断配置

接上面的函数：

  ...
// ！！！串口中断优先级配置
NVIC_Configuration();

// 使能串口接收中断
USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE, ENABLE);

// 使能串口
USART_Cmd(DEBUG_USARTx, ENABLE);    
}

中断优先级配置函数：

static void NVIC_Configuration(void)
{
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
  
  /* 嵌套向量中断控制器组选择 */
/* 提示 NVIC_PriorityGroupConfig() 在整个工程只需要调用一次来配置优先级分组*/
  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
  
  /* 配置USART为中断源 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DEBUG_USART_IRQ;
  /* 主优先级*/
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
  /* 子优先级 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
  /* 使能中断 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
  /* 初始化配置NVIC */
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

中断函数：

// 串口中断服务函数
void DEBUG_USART_IRQHandler(void)
{
  uint8_t ucTemp;
if(USART_GetITStatus(DEBUG_USARTx,USART_IT_RXNE)!=RESET)//中断状态位获取函数
{
ucTemp = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);//从DEBUG_USARTx读取数据，放在临时变量ucTemp中（固件库函数）
        USART_SendData(DEBUG_USARTx,ucTemp); //把临时变量ucTemp中的数据发给电脑（固件库函数）
        //因为中断过程实时检测USART_GetITStatus标志位，保证了不用等待一直在收发数据，所以不用像下面的封装发送函数似的循环等待
} 
}

（4）发送函数封装

固件库USART_SendData(DEBUG_USARTx,ucTemp);函数只能发一个字节，因此封装不同类型的发送函数：

/*****************  发送一个字节(8位），串口一次传8位 **********************/
void Usart_SendByte( USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t ch)
{
/* 发送一个字节数据到USART */
USART_SendData(pUSARTx,ch);

/* 等待发送数据寄存器为空 */
while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

/****************** 发送8位的数组 ************************/
void Usart_SendArray( USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t *array, uint16_t num)
{
  uint8_t i;

for(i=0; i<num; i++)
  {
    /* 发送一个字节数据到USART */
    Usart_SendByte(pUSARTx,array[i]);
  
  }
/* 等待发送完成 */
while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx,USART_FLAG_TC)==RESET);
}

/*****************  发送字符串 **********************/
void Usart_SendString( USART_TypeDef * pUSARTx, char *str)
{
unsigned int k=0;
  do 
  {
      Usart_SendByte( pUSARTx, *(str + k) );
      k++;
  } while(*(str + k)!='\0');
  
  /* 等待发送完成 */
  while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx,USART_FLAG_TC)==RESET)
  {}
}

/*****************  发送一个16位数 **********************/
void Usart_SendHalfWord( USART_TypeDef * pUSARTx, uint16_t ch)
{
uint8_t temp_h, temp_l;

/* 取出高八位 */
temp_h = (ch&0XFF00)>>8;
/* 取出低八位 */
temp_l = ch&0XFF;

/* 发送高八位 */
USART_SendData(pUSARTx,temp_h);
while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);

/* 发送低八位 */
USART_SendData(pUSARTx,temp_l);
while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

（3）主函数

注意：程序发出去的在调试助手中都是以字符形式显示的，如果想显示数值则勾选“十六进制显示”，如：勾选前：‘A’->‘A’,10->‘A’,0x0A->‘A’；勾选“十六进制显示”100->64,0x64->64

int main(void)
{
  /*初始化USART 配置模式为 115200 8-N-1，中断接收*/
  USART_Config();

/* 发送一个字符串 */
Usart_SendString( DEBUG_USARTx,"这是一个串口中断接收回显实验\n");
printf("欢迎使用野火STM32开发板\n\n\n\n");

  while(1)
{

}
}

注意：如果想使用printf函数直接发到调试助手上，还有scanf函数读取，则加入以下两个重定向函数：

///重定向c库函数printf到串口，重定向后可使用printf函数
int fputc(int ch, FILE *f)
{
/* 发送一个字节数据到串口 */
USART_SendData(DEBUG_USARTx, (uint8_t) ch);

/* 等待发送完毕 */
while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);

return (ch);
}

///重定向c库函数scanf到串口，重写向后可使用scanf、getchar等函数
int fgetc(FILE *f)
{
/* 等待串口输入数据 */
while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_RXNE) == RESET);

return (int)USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);
}

3、实验代码

21_test_USART1.zip

实验二：串口控制RGB灯亮灭（板子和电脑）

XXX

原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_44264994/article/details/140628915

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STM32（七）：STM32指南者-通信实验

目录

一、基本概念

通讯基本概念

1、串行和并行

2、同步通讯与异步通讯

3、全双工、半双工、单工

4、通讯速率

USART基本概念

1、串口通讯基本概念

2、物理层

3、协议层

4、指南者的串口USART

I2C基本概念

SPI基本概念

二、USART串口实验

前期准备

1、安装安装 USB 转串口驱动_CH340

2、野火多功能调试助手

3、使用USB转串口（USART1）给板子供电

实验一：中断接收和发送实验（板子和电脑）

1、实验说明

2、编程过程

（1）配置串口相关GPIO

（2）配置串口工作参数

（3）串口中断配置

（4）发送函数封装

（3）主函数

3、实验代码

实验二：串口控制RGB灯亮灭（板子和电脑）

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