STM32学习笔记（9_1）- USART串口协议-编程知识

无人问津也好，技不如人也罢，都应静下心来，去做该做的事。

最近在学STM32，所以也开贴记录一下主要内容，省的过目即忘。视频教程为江科大（改名江协科技），网站jiangxiekeji.com

本期开始学习STM32的通信接口，在STM32中，集成了很多用于通信的外设模块，比如这个表里，USART、I2C、SPI、CAN和USB，C8T6芯片是全部都支持的。

本期先学习USART串口。因为有些功能是STM32内部是没有的，比如我们想要蓝牙无线遥控的功能、想要陀螺仪加速度计测量姿态的功能，需要外挂芯片。而外挂芯片的数据都在外面，STM32如何获取这些数据呢？这就需要我们在这两个设备之间，连接上一根或多根通信线。通过通信线路发送或者接收数据，完成数据交换，从而实现控制外挂模块和读取外挂模块数据的目的。

通信接口

第一个USART串口，它的脚是TX和RX，有的地方也叫TXD和RXD，这两种名称是一个意思。

CAN通信，引脚是CAN_H和CAN_L，这两个是差分数据脚，用两个引脚表示一个差分数据。

USB通信，引l脚是DP(Data Positive)和DM(Data Minus)，或者叫D+和D-，也是一对差分数据脚。

异步：没有SCL，所以需要双方约定一个采样频率，并目还需要加一些帧头帧尾等，进行采样位置的对齐。

串口和USB是点对点的通信。

串口通信

可以接电脑屏幕，非常适合调试程序，打印信息。像I2C和SPI这些，一般都是芯片之间的通信，不会接在电脑上。

左边的是USB转串口模块，上面有个芯片，型号是CH340。这个芯片可以把串口协议转换为USB协议。中间这个图是一个陀螺仪传感器的模块，可以测量角速度、加速度这些姿态参数，左右各有四个引脚，一边是串口的引脚，另一边是I2C的引脚。右边这个图是蓝牙串口模块，下面4个脚是串口通信的引脚，中间的芯片可以和手机互联，实现手机遥控单片机的功能。

串口硬件电路

TX和RX是单端信号，它们的高低电平都是相对于GND的。所以，串口通信的TX、RX是必须要接的。像下图这种，直接从控制器里出来的信号，一般都是TTL电平，相同的电平才能互相通信

串口常用的几种电平标准

RS232电平一般在大型的机器上使用，由手环境可能比较恶劣，静电干扰比较大。所以这里电平的电压都比较大，而目允许波动的范围也很大。

RS485电平，这里电平参考是两线压差，所以RS485的电平是差分信号。差分信号抗干扰能力非常强，使用RS485电平标准，通信距离可以达到上干米。而上面这两种电平，最远只能达到几十米，
再远就传不了了。

像单片机这种低压小型设备，使用的都是TTL电平，我们之后的内容，他都是基于TTL电平来讲解的。如果你做设备需要其他的电平，那就再加电平转换芯片就行了。在软件层面，它们都属于串口，所以程序并不会有什么变化。

串口参数及时序

还可在数据饿的最后加一个奇偶检验位，这样数据位就由8位变为9位。

首先，串口的空闲状态是高电平，也就是没有数据传输的时候。然后需要传输的时候，必须要先发送一个起始位，这个起始位必须是低电平，即通信开始前必须有个下降沿。同理，在一个字节数据发送完成后，必须要有一个停止位，同时这个停止位也是为了下一个起始位做准备。

串口通信是低位先行，也就是说低位的数据先发送。

奇偶校验可以判断数据传输是不是出错了，如果数据出错了，可以选择丢弃或者要求重传。校验可以选择3种方式，无校验、奇校验和偶校验。需要校验时，数据分为四个部分，起始位、数据位、校验位、停止位。如果使用了奇校验，那么包括校验位在内的9位数据会出现奇数个1。比如如果你传输00001111，目前总共4个1，是偶数个，奇校验时，校验位就需要再补一个1。如果想要更高的检错率，可以了解一下CRC校验，STM32中也有这个外设。

串口时序

最后，看几个串口的波形直观了解时序。

下图的波特率是9600，所以每一位的时间就是1/9600，大概是104us。没发送数据的时候，是空闲状态高电平，数据开始先发送起始位，产生下降沿，代表数据帧开始。数据0x55转为二进制，低位先行，就是依次发送10101010。然后，这个参数是8位数据，1位停止，无校验，没有校验位，所以之后就是停止位，把引脚置回高电平，这样一个数据帧就完成了。

在STM32中，这个根据字节数据翻转高低电平，是由USART外设自动完成的，不用我们操心。当然，你也可以软件模拟产生这样的波形，那就是定时器定一个104us的时间，时间到之后，按照数据帧要求，调用GPIO_WriteBit置高低电平，产生一个和这一模一样的波形，这样也是可以完成串口通信的。TX引脚发送, 就是置高低电平，那在RX引脚接收，显然就是读取高低电平了，这也可以由USART外设自动来完成，不用我们操心。如果想软件模拟的话，那就是定时调用GPIO_ReadInputDataBit来读取每一位，最终拼成每一位，当然接收的时候，应该还需要一个外部中断，在起始位的下降沿触发，进入接收状态，并且对齐采样时钟，然后依次采样8次，这就是接收的逻辑。

串口发送接收总结

总结一下就是，TX引脚输出定时翻转的高低电平，RX引脚定时读取引脚的高低电平。每个字节的数据加上起始位、停上位、可选的校验位，打包为数据帧，依次输出在TX写引脚，另一端RX引脚依次接收，这样就完成了字节数据的传递。在STM32中，这个根据字节数据翻转高低电平，是由USART外设自动完成的，如果想用软件模拟也可以，参考上面串口时序。

两个程序现象

串口发送

我们可以写一个串口的模块，通过串口通信，把一些数据发送到电脑上的串口助手来显示。

程序里先串口初始化，然后我们会写一些功能函数，比如串口发送一个字节，字节数据是0x41；串口发送一个数组，把这个MyArray数组一起发送出去；还有串口发送字符串、发送数字这些函数。

最后给出3种实现printf函数的方法，printf函数它是一个非常强大的格式化打印字符串函数，在这里，我们也可以把printf函数移植到串口这里来，用于向电脑的串口助手打印消息。

	/*下述3种方法可实现printf的效果*//*方法1：直接重定向printf，但printf函数只有一个，此方法不能在多处使用*/printf("\r\nNum2=%d", 222);			//串口发送printf打印的格式化字符串//需要重定向fputc函数，并在工程选项里勾选Use MicroLIB/*方法2：使用sprintf打印到字符数组，再用串口发送字符数组，此方法打印到字符数组，之后想怎么处理都可以，可在多处使用*/char String[100];					//定义字符数组sprintf(String, "\r\nNum3=%d", 333);//使用sprintf，把格式化字符串打印到字符数组Serial_SendString(String);			//串口发送字符数组（字符串）/*方法3：将sprintf函数封装起来，实现专用的printf，此方法就是把方法2封装起来，更加简洁实用，可在多处使用*/Serial_Printf("\r\nNum4=%d", 444);	//串口打印字符串，使用自己封装的函数实现printf的效果Serial_Printf("\r\n");

这里我们通过这个USB转串口模块，把STM32的串口引脚，接到电脑上来。之后电脑端可以打开串口助手的软件，选择一下串口号，其他参数也根据STM32程序的配置来，最后打开串口，按一下STM32的复位键。我们的程序在每次上电之后会通过串口发送一批数据，当切换模式为文本模式时，再按一下复位键，这时，软件就会对刚才的数据进行文本映射，找到每个数据对应的字符，以字符串的形式显示出来。这样，电脑上就能显示Num1=111、Num2=222等等这些文本了。

串口发送+接受

这里程序的主体部分是，先判断是否收到数据，如果收到数据，则读取数据，并将数据回传电脑，并且也在OLED上显示一下。实际上在串口中，只能发送二进制数，也就是十六进制的最直接的数据，如果想发送字符，那我们就需要一个数据到字符的映射表，最简单最常用的映射表，就是ASCII码表。在ASCII码表里，0x41这个数，就映射为字符A。所以发送0x41，如果以HEX模式显示，就是数据本身；如果以文本模式显示，它就会先去找一下映射表，最终发现，0x41对应的是字符A，所以就是显示A了。这就是HEX模式和文本模式的区别。