基於STM32之UART串口通信協議（一）詳解

一、前言

1、簡介

　　寫的這篇博客，是為了簡單講解一下UART通信協議，以及UART能夠實現的一些功能，還有有關使用STM32CubeMX來配置芯片的一些操作，在后面我會以我使用的STM32F429開發板來舉例講解（其他STM32系列芯片大多數都可以按照這些步驟來操作的），如有不足請多多指教。

2、UART簡介

　　嵌入式開發中，UART串口通信協議是我們常用的通信協議（UART、I2C、SPI等）之一，全稱叫做通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）。

3、准備工作

1）Keil5

　　鏈接：點擊下載
　　提取碼：wrt9

2）STMCubeMX5.1.0版本

　　鏈接：點擊下載
　　提取碼：20xs

3）STMF429開發板

　　

注：

　　只要是stm32的開發板都可以用到的，在STM32CubeMx里選對型號、配置好就行了。

二、UART詳解

1、UART簡介

　　嵌入式開發中，UART串口通信協議是我們常用的通信協議（UART、I2C、SPI等）之一，全稱叫做通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），是異步串口通信協議的一種，工作原理是將傳輸數據的每個字符一位接一位地傳輸，它能將要傳輸的資料在串行通信與並行通信之間加以轉換，能夠靈活地與外部設備進行全雙工數據交換。

注：

　　在此開發板中，是有USART（Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter通用同步異步收發器）串口的，USART相當於UART的升級版，USART支持同步模式，因此USART 需要同步始終信號USART_CK（如STM32 單片機），通常情況同步信號很少使用，因此一般的單片機UART和USART使用方式是一樣的，都使用異步模式。因為USART的使用方法上跟UART基本相同，所以在此就以UART來講該通信協議了。

2、UART通信協議

1）起始位

　　當未有數據發送時，數據線處於邏輯“1”狀態；先發出一個邏輯“0”信號，表示開始傳輸字符。

2）數據位

　　緊接着起始位之后。資料位的個數可以是4、5、6、7、8等，構成一個字符。通常采用ASCII碼。從最低位開始傳送，靠時鍾定位。

3）奇偶校驗位

　　資料為加上這一位后，使得“1”的位數應為偶數（偶校驗）或奇數（奇校驗），以此來校驗資料傳送的正確性。

4）停止位

　　它是一個字符數據的結束標志。可以是1位、1.5位、2位的高電平。 由於數據是在傳輸線上定時的，並且每一個設備有其自己的時鍾，很可能在通信中兩台設備間出現了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸的結束，並且提供計算機校正時鍾同步的機會。適用於停止位的位數越多，不同時鍾同步的容忍程度越大，但是數據傳輸率同時也越慢。

5）空閑位或起始位

　　處於邏輯“1”狀態，表示當前線路上沒有資料傳送，進入空閑狀態。

　　處於邏輯“0”狀態，表示開始傳送下一數據段。

6）波特率

　　表示每秒鍾傳送的碼元符號的個數，是衡量數據傳送速率的指標，它用單位時間內載波調制狀態改變的次數來表示。

　　常用的波特率有：9600、115200……

　　時間間隔計算：1秒除以波特率得出的時間，例如，波特率為9600的時間間隔為1s / 9600（波特率） = 104us。

3、UART功能說明

　　接口通過三個引腳從外部連接到其它設備。任何 USART 雙向通信均需要 至少兩個引腳：接收數據輸入引腳 (RX) 和發送數據引腳輸出 (TX)：
　　RX：接收數據輸入引腳就是串行數據輸入引腳。過采樣技術可區分有效輸入數據和噪聲，從而用於恢復數據。
　　TX：發送數據輸出引腳。如果關閉發送器，該輸出引腳模式由其 I/O 端口配置決定。如果使 能了發送器但沒有待發送的數據，則 TX 引腳處於高電平。在單線和智能卡模式下，該 I/O 用於發送和接收數據（USART 電平下，隨后在 SW_RX 上接收數據）。

1）正常 USART 模式下，通過這些引腳以幀的形式發送和接收串行數據：

• 發送或接收前保持空閑線路
• 起始位
• 數據（字長 8 位或 9 位），最低有效位在前
• 用於指示幀傳輸已完成的 0.5 個、1 個、1.5 個、2 個停止位
• 該接口使用小數波特率發生器 - 帶 12 位尾數和 4 位小數
• 狀態寄存器 (USART_SR)
• 數據寄存器 (USART_DR)
• 波特率寄存器 (USART_BRR) - 12 位尾數和 4 位小數。
• 智能卡模式下的保護時間寄存器 (USART_GTPR)。

2）在同步模式下連接時需要以下引腳：

• SCLK：發送器時鍾輸出。該引腳用於輸出發送器數據時鍾，以便按照 SPI 主模式進行同步發送（起始位和結束位上無時鍾脈沖，可通過軟件向最后一個數據位發送時鍾脈沖）。RX 上可同步接收並行數據。這一點可用於控制帶移位寄存器的外設（如 LCD 驅動器）。時鍾相位和極性可通過軟件編程。在智能卡模式下，SCLK 可向智能卡提供時鍾。在硬件流控制模式下需要以下引腳：

• nCTS：“清除以發送”用於在當前傳輸結束時阻止數據發送（高電平時）。
• nRTS：“請求以發送”用於指示 USART 已准備好接收數據（低電平時）。

USART框圖如下：

4、UART工作原理

1）發送接收

　　發送邏輯對從發送FIFO 讀取的數據執行“並→串”轉換。控制邏輯輸出起始位在先的串行位流，並且根據控制寄存器中已編程的配置，后面緊跟着數據位（注意：最低位 LSB 先輸出）、奇偶校驗位和停止位。

　　在檢測到一個有效的起始脈沖后，接收邏輯對接收到的位流執行“串→並”轉換。此外還會對溢出錯誤、奇偶校驗錯誤、幀錯誤和線中止（line-break）錯誤進行檢測，並將檢測到的狀態附加到被寫入接收FIFO 的數據中。

2）波特率產生

　　波特率除數（baud-rate divisor）是一個22 位數，它由16 位整數和6 位小數組成。波特率發生器使用這兩個值組成的數字來決定位周期。通過帶有小數波特率的除法器，在足夠高的系統時鍾速率下，UART 可以產生所有標准的波特率，而誤差很小。

3）數據收發

　　發送時，數據被寫入發送FIFO。如果UART 被使能，則會按照預先設置好的參數（波特率、數據位、停止位、校驗位等）開始發送數據，一直到發送FIFO 中沒有數據。一旦向發送FIFO 寫數據（如果FIFO 未空），UART 的忙標志位BUSY 就有效，並且在發送數據期間一直保持有效。BUSY 位僅在發送FIFO 為空，且已從移位寄存器發送最后一個字符，包括停止位時才變無效。即 UART 不再使能，它也可以指示忙狀態。

　　在UART 接收器空閑時，如果數據輸入變成“低電平”，即接收到了起始位，則接收計數器開始運行，並且數據在Baud16 的第8 個周期被采樣。如果Rx 在Baud16 的第8 周期仍然為低電平，則起始位有效，否則會被認為是錯誤的起始位並將其忽略。

　　如果起始位有效，則根據數據字符被編程的長度，在 Baud16 的每第 16 個周期（即一個位周期之后）對連續的數據位進行采樣。如果奇偶校驗模式使能，則還會檢測奇偶校驗位。

　　最后，如果Rx 為高電平，則有效的停止位被確認，否則發生幀錯誤。當接收到一個完整的字符時，將數據存放在接收FIFO 中。

4）中斷控制

　　出現以下情況時，可使UART 產生中斷：

• FIFO 溢出錯誤
• 線中止錯誤（line-break，即Rx 信號一直為0 的狀態，包括校驗位和停止位在內）
• 奇偶校驗錯誤
• 幀錯誤（停止位不為1）
• 接收超時（接收FIFO 已有數據但未滿，而后續數據長時間不來）
• 發送
• 接收

　　由於所有中斷事件在發送到中斷控制器之前會一起進行“或運算”操作，所以任意時刻 UART 只能向中斷產生一個中斷請求。通過查詢中斷狀態函數，軟件可以在同一個中斷服務函數里處理多個中斷事件（多個並列的if 語句）。

 5）FIFO 操作

　　FIFO 是“First-In First-Out”的縮寫，意為“先進先出”，是一種常見的隊列操作。 Stellaris 系列ARM 的UART 模塊包含有2 個16 字節的FIFO：一個用於發送，另一個用於接收。可以將兩個FIFO 分別配置為以不同深度觸發中斷。可供選擇的配置包括：1/8、 1/4、1/2、3/4 和7/8 深度。例如，如果接收FIFO 選擇1/4，則在UART 接收到4 個數據時產生接收中斷。

　　 發送FIFO的基本工作過程： 只要有數據填充到發送FIFO 里，就會立即啟動發送過程。由於發送本身是個相對緩慢的過程，因此在發送的同時其它需要發送的數據還可以繼續填充到發送 FIFO 里。當發送 FIFO 被填滿時就不能再繼續填充了，否則會造成數據丟失，此時只能等待。這個等待並不會很久，以9600 的波特率為例，等待出現一個空位的時間在1ms 上下。發送 FIFO 會按照填入數據的先后順序把數據一個個發送出去，直到發送 FIFO 全空時為止。已發送完畢的數據會被自動清除，在發送FIFO 里同時會多出一個空位。

　　 接收FIFO的基本工作過程： 當硬件邏輯接收到數據時，就會往接收FIFO 里填充接收到的數據。程序應當及時取走這些數據，數據被取走也是在接收FIFO 里被自動刪除的過程，因此在接收 FIFO 里同時會多出一個空位。如果在接收 FIFO 里的數據未被及時取走而造成接收FIFO 已滿，則以后再接收到數據時因無空位可以填充而造成數據丟失。

　　收發FIFO 主要是為了解決UART 收發中斷過於頻繁而導致CPU 效率不高的問題而引入的。在進行 UART 通信時，中斷方式比輪詢方式要簡便且效率高。但是，如果沒有收發 FIFO，則每收發一個數據都要中斷處理一次，效率仍然不夠高。如果有了收發FIFO，則可以在連續收發若干個數據（可多至14 個）后才產生一次中斷然后一並處理，這就大大提高了收發效率。

　　完全不必要擔心FIFO 機制可能帶來的數據丟失或得不到及時處理的問題，因為它已經幫你想到了收發過程中存在的任何問題，只要在初始化配置UART 后，就可以放心收發了， FIFO 和中斷例程會自動搞定一切。

6）回環操作

　　UART 可以進入一個內部回環（Loopback）模式，用於診斷或調試。在回環模式下，從Tx 上發送的數據將被Rx 輸入端接收。

三、CubeMx配置

說明：

　　在使用STM32CubeMx配置的時候，首先要選擇正在使用的芯片的型號，再配置芯片的時鍾，然后才去配置所需要用到的功能。

1、新建項目

1）選擇新建

2）選擇芯片型號

2、時鍾配置

1）配置界面

2）時鍾模式配置

3）設置調試接口

 

4）時鍾配置（盡量將下面方框內的值設成最高值即可）

3、功能配置

 1）啟用串口

 

2）配置串口（默認即可，波特率為115200）

4、生成工程

1）項目信息設置

2）選擇生成必要的代碼

3）生成代碼

4）打開項目（生成代碼成功后會彈出窗口，可以直接打開工程）

注：

　　因為STM32CubeMX自動生成的代碼中，沒有設置把每次下載燒寫都重置一下，所以生成代碼后，我們需要自己選上該功能，步驟如下：

1）功能界面

 2）選擇小錘子

3）選擇Debug->Settings

4）選擇Flash Download->勾選Reset and Run

　　完成上面的操作后，在每次燒寫都會重置，並運行新下載燒寫的程序了。

四、HAL庫關鍵函數說明

 1、初始化/還原初始化函數

/* Initialization/de-initialization functions  **********************************/
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart);                                                    //根據UART_InitTypeDef中指定的參數初始化UART模式，並創建關聯的句柄。
HAL_StatusTypeDef HAL_HalfDuplex_Init(UART_HandleTypeDef *huart);                                              //根據UART_InitTypeDef中指定的參數初始化半雙工模式並創建關聯句柄。
HAL_StatusTypeDef HAL_LIN_Init(UART_HandleTypeDef *huart, uint32_t BreakDetectLength);                         //根據UART_InitTypeDef中指定的參數初始化LIN模式，並創建關聯的句柄。
HAL_StatusTypeDef HAL_MultiProcessor_Init(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t Address, uint32_t WakeUpMethod);  //根據UART_InitTypeDef中指定的參數初始化多處理器模式，並創建關聯的句柄。
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DeInit(UART_HandleTypeDef *huart);                                                  //非初始化UART外圍設備。
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart);                                                              //弱函數UART MSP初始化
void HAL_UART_MspDeInit(UART_HandleTypeDef *huart);                                                            //弱函數UART MSP初始化還原

2、IO口操作函數

/* IO operation functions *******************************************************/
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);//以阻塞模式發送大量數據。
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout); //在阻塞模式下接收大量數據。
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);               //以非阻塞模式發送大量數據。
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);                //在非阻塞模式下接收大量數據。
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);              //以非阻塞模式發送大量數據。
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);               //在非阻塞模式下接收大量數據。
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAPause(UART_HandleTypeDef *huart);                                                 //暫停DMA傳輸。
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAResume(UART_HandleTypeDef *huart);                                                //恢復DMA傳輸。
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAStop(UART_HandleTypeDef *huart);                                                  //停止DMA傳輸。

3、傳輸中斷函數

/* Transfer Abort functions */
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Abort(UART_HandleTypeDef *huart);            //中止正在進行的傳輸(阻塞模式)。
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_AbortTransmit(UART_HandleTypeDef *huart);    //中止正在進行的傳輸傳輸(阻塞模式)。
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_AbortReceive(UART_HandleTypeDef *huart);     //中止正在進行的接收傳輸(阻塞模式)。
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Abort_IT(UART_HandleTypeDef *huart);         //中止正在進行的傳輸(中斷模式)。
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_AbortTransmit_IT(UART_HandleTypeDef *huart); //中止正在進行的傳輸(中斷模式)。
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_AbortReceive_IT(UART_HandleTypeDef *huart);  //中止正在進行的接收傳輸(中斷模式)。

4、中斷處理及回調函數

void HAL_UART_IRQHandler(UART_HandleTypeDef *huart);                    //函數處理UART中斷請求。
void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);                //Tx傳輸完成回調函數。
void HAL_UART_TxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);            //Tx半傳輸完成回調函數。
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);                //Rx傳輸完成回調函數。
void HAL_UART_RxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);            //Rx完成一半傳輸回調函數。
void HAL_UART_ErrorCallback(UART_HandleTypeDef *huart);                 //UART錯誤回調函數。
void HAL_UART_AbortCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);             //UART中止完成回調函數。
void HAL_UART_AbortTransmitCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);     //UART中止完成回調函數。
void HAL_UART_AbortReceiveCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);      //UART中止接收完整的回調函數。

 五、結尾

1、總結

　　這篇博客主要是講解一下UART串口通信協議的時序、功能以及工作原理，還有使用STM32CubeMX來配置USART。而還未講到有關HAL庫函數的函數調用，有了STM32CubeMX生成的這個HAL庫函數，我們基本不用管協議上的事情了，可以直接調用里面的發送或接收函數來實現UART通信。而我也會在后續繼續編寫有關HAL庫的調用說明，詳細說一下HAL庫是如何使用的。

2、后續

1）UART發送

2）UART接收

3）待續未完……

~

~

~

~

最后～最后～最后～

 歡迎大家關注我的博客，一起分享嵌入式知識～