一、基礎知識
本節主要寫一下通信的一些基礎知識，簡單過一遍，防忘。
1. 通信基本知識
（1）數據傳送方式
分類：串行和並行。
（2）數據通信方向
分類：全雙工、半雙工和單工。
（3）數據同步方式
分類：同步和異步。
（4）通信速率
比特率（Bitrate）：每秒鍾傳輸的二進制位數，單位為比特每秒(bit/s)。
波特率（Baudrate）：表示每秒鍾傳輸的碼元個數，單位為波特（B），沒有每秒！（常用的波特率：4800、9600、19200、38400、43000、56000、57600、115200）
碼元：舉個例子，當我們用一個二進制數（0或1）表示信息時，0或1為一個碼元，它只有一個位數；當用兩個二進制數（00,01,10,11）表示信息時，譬如01，就是一個碼元，它有兩個位數。
2. 串口通信協議
（1）物理層
物理層：規定通訊系統中具有機械、電子功能部分的特性，確保原始數據在物理媒體的傳輸。其實就是硬件部分。
RS-232標准
RS232標准串口主要用於工業設備直接通信。電平轉換芯片一般有MAX3232，SP3232。
TTL電平標准是5V表示邏輯1，0V表示邏輯0；而為了增加串口通信的遠距離傳輸以及抗干擾能力，RS-232使用-15V表示邏輯1，+15V表示邏輯0。
信號通過DB9串口連接器傳輸入設備，使用的是RS-232標准電平，因此還有電平轉換芯片將其轉為TTL電平。
USB轉串口
USB轉串口主要用於設備跟電腦通信，電平轉換芯片一般有CH340等，所以電腦要安裝CH340電平轉換芯片的驅動程序（之后我們會用到）。
原生串口轉串口
原生的串口通信主要是控制器跟串口的設備或者傳感器通信，不需要經過電平轉換芯片來轉換電平，直接用TTL電平通信。
（2）協議層
串口通信一般是以幀格式傳輸數據，即一幀一幀傳輸，每幀包含有起始信號、數據信息、停止信息，可能還有校驗信息。
串口數據包的組成：
- 起始位：1個邏輯0表示。
- 有效數據：在起始位后緊接着的就是有效數據，有效數據的長度常被約定為5、 6 、 7 或 8 位長。
- 校驗位：用於數據的抗干擾性。
五種校驗方法：
奇校驗(odd，有效數據和校驗位中“ 1”的個數為奇數)
偶校驗(even，有效數據和校驗位中“ 1”的個數為偶數)
0校驗(space，校驗位總為0)
1校驗(mark，校驗位總為1)
無校驗(noparity，不包含校驗位）
- 結束位：由 0.5、 1、 1.5 或 2 個邏輯1的數據位表示。
二、USART串口通信詳解
USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)為通用同步異步收發器，支持同步單向通信和半雙工單線通信。還有一種“閹割版”——UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，去掉了同步，為異步收發器。
【以下內容來自STM32中文參考手冊25章通用同步異步收發器(USART)】USART 滿足外部設備對工業標准NRZ異步串行數據格式的要求，並且使用了小數波特率發生器，可以提供多種波特率，使得它的應用更加廣泛。USART支持同步單向通信和半雙工單線通信；還支持局域互連網絡 LIN、智能卡(SmartCard)協議與lrDA(紅外線數據協會) SIR ENDEC規范。USART支持使用DMA，可實現高速數據通信。
1. USART功能框圖
本節內容可參考STM32中文參考手冊25.3節USART功能概述。我們將框圖分為4個部分進行講解。
（1）引腳
- TX：發送數據輸出
- RX：接收數據串行輸入
- SCLK（位於最右邊）：發送器時鍾輸出，僅同步通信時使用
- nRTS：請求發送(Request To Send)
- nCTS：允許發送(Clear To Send)
- SW_RX：數據接收引腳，屬於內部引腳。
引腳對應的編號如下：
（2）數據寄存器
數據寄存器（USART_DR）只有低9位有效，實際上它包含一個發送數據寄存器USART_TDR和一個接收數據寄存器USART_RDR。TDR和RDR都是介於系統總線和移位寄存器之間。這里比較特別：一個地址對應了兩個物理內存。
當進行發送操作時，往USART_DR寫入數據會自動存儲在 TDR內，然后把內容轉移到發送移位寄存器，最后通過模塊發送到TX引腳；
當進行讀取操作時，信息從RX引腳進入，通過模塊后存入接受移位寄存器，然后把內容轉移到RDR內，最后USART_DR提取RDR數據。
（3）控制器
本部分內容可參考STM32中文參考手冊25.6節USART寄存器描述。
USART有專門控制發送的發送器、控制接收的接收器，還有喚醒單元、中斷控制等。
控制寄存器1（USART_CR1）的TE位負責使能發送器，發送器就會“叫醒”發送移位寄存器。
控制寄存器1（USART_CR1）的RX位負責使能接收器，接收器就會“叫醒”接收移位寄存器。
控制寄存器1的TXEIE或RXNEIE置1可以產生中斷。
控制寄存器1其他位：TXE：發送移位寄存器為空，發送單個字節時使用。TC:發送完成，發送多個字節數據時候使用。TXIE:發送完成中斷使能。
控制寄存器1的M位設置的是字長，該位定義了數據字的長度，由軟件對其設置和清零。設置0：一個起始位，8個數據位；設置1：一個起始位，9個數據位。之前已經說過，數據寄存器(USART_DR)只有低9位有效，並且第9位數據是否有效要取決於控制寄存器1的M位設置。
控制寄存器2（USART_CR2）的STOP[1:0]位用於設置停止位，可選0.5個、1個、1.5個、2個停止位。默認使用1個停止位。2個停止位適用於正常USART模式、單線模式和調制解調器模式。0.5和1.5個停止位用於智能卡模式。
（4）波特率
通過波特率寄存器(USART_BRR)可設置波特率。由於計算出的分頻因子有小數，因此寄存器分為兩個部分：
DIV_Mantissa[11:0]：USARTDIV的整數部分，這12位定義了USART分頻器除法因子(USARTDIV)的整數部分。
DIV_Fraction[3:0]：USARTDIV的小數部分，這4位定義了USART分頻器除法因子(USARTDIV)的小數部分。
波特比率的計算公式為：
fCK：串口的時鍾，需要注意不同USART有不同AHB時鍾頻率。
USARTDIV：分頻器除法因子，為無符號的定點數，最后為寫入寄存器的值。
例如設置波特率為115200的計算過程：
使用十進制小數轉換為二進制小數的方法進行。
2. USART的結構體定義和相關庫函數
本節內容位於頭文件stm32f10x_usart.h中。
USART的初始化結構體定義：
typedef struct
{
//波特率設置
uint32_t USART_BaudRate;
//字長設置
uint16_t USART_WordLength;
//停止位設置
uint16_t USART_StopBits;
//校驗位設置
uint16_t USART_Parity;
//USART模式設置
uint16_t USART_Mode;
//硬件流控制選擇
uint16_t USART_HardwareFlowControl;
} USART_InitTypeDef;
USART的相關常用且重要庫函數（可查看庫函數手冊）：
void USART_DeInit(USART_TypeDef* USARTx);
void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);
void USART_StructInit(USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);
void USART_Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);
void USART_ITConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT, FunctionalState NewState);
void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);
FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
void USART_ClearFlag(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);
void USART_ClearITPendingBit(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);
3. 配置USART的流程
void USART_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
// 1. 開啟USART時鍾和對應的引腳時鍾
// USART1
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
// 2. 配置USART引腳
// USART1-TX發送 GPIOA.9 復用推挽模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = USART1_TX_GPIO_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(USART1_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
// USART1-RX接收 GPIOA.10 浮空輸入模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = USART1_RX_GPIO_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_Init(USART1_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
// 3. 配置USART1串口參數
USART_InitStructure.USART_BaudRate = USART_BAUDRATE; // 3.1 配置波特率
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; // 3.2 配置數據字長
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; // 3.3 配置停止位
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; // 3.4 配置校驗位
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx; // 3.5 配置工作模式
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; // 3.6 配置硬件控制流
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); // 4. 初始化串口
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//USART中斷使能
USART_Cmd(USART1, ENABLE); // 5. 使能串口
}
三、實例：單片機向PC機（上位機）發送數據
注意，電腦需要安裝CH340驅動和串口調試助手工具，並在工具中設置好波特率、校驗位等參數。單片機要用USB（注意是接到單片機USB232接口）連接電腦而不是用STLINK！！！
1. 發送一個字節
void USART_SendByte(USART_TypeDef* pUSARTx, uint8_t data)
{
USART_SendData(pUSARTx, data); //發送數據
while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET); //等待發送完成
}
在main函數中進行調用：
USART_Config();
USART_SendByte(USART1, 0x34);
若選擇16進制顯示，則串口軟件會顯示34。否則會按照ASCII碼轉換為相應的字符。
2. 發送兩個字節
這里需要說明一下，由於一次只能發送一個字節（4位），所以需要把數據源分段發送。
void USART_SendHalfWord(USART_TypeDef* pUSARTx, uint16_t data)
{
uint8_t temp_h, temp_l;
temp_h = (data & 0xFF00) >> 8; //截取高4位
temp_l = data & 0x00FF; //截取低4位
USART_SendData(pUSARTx, temp_h);
while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
USART_SendData(pUSARTx, temp_l);
while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}
3. 串口發送8位數據的數組
void USART_SendArray(USART_TypeDef* pUSARTx, uint8_t* Array, uint8_t num)
{
uint8_t i;
for( i = 0; i < num; i++)
{
USART_SendData(pUSARTx, Array[i]);
while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}
}
4. 串口發送字符串
中文字符也行。
void USART_SendStr(USART_TypeDef* pUSARTx, uint8_t* str)
{
while( *(str) != '\0')
{
USART_SendData(pUSARTx, *(str++));
while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}
}
5. 重定向printf函數輸出到串口
注意需要在魔法棒Target勾選Use MicroLIB，然后重新編譯一次。
MicroLib是對標准C庫進行了高度優化之后的庫，供MDK默認使用，相比之下，MicroLIB的代碼更少，資源占用更少。
//重定向c庫函數printf到串口，重定向后可使用printf、putchar函數
int fputc(int ch, FILE *f)
{
/* 發送一個字節數據到串口 */
USART_SendData(USART1, (uint8_t)ch);
/* 等待發送完畢 */
while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
return (ch);
}
在main函數中調用以下語句時會輸出到串口軟件：
printf("我永遠喜歡伊蕾娜！！！\n");
putchar('A');
四、實例：單片機從PC機（上位機）接收數據
1. 重定向scanf函數輸入到串口
//重定向c庫函數scanf到串口，重寫向后可使用scanf、getchar函數
int fgetc(FILE *f)
{
/* 等待串口輸入數據 */
while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
return (int)USART_ReceiveData(USART1);
}
2. 使用中斷服務函數
//stm32f10x_it.c
void USART1_IRQHandler(void)
{
uint8_t a;
if( USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) != RESET ) //如果接收寄存器接收到數據
{
a = USART_ReceiveData(USART1);
USART_SendData(USART1, a); //將接收的數據發送
}
}
需要配置NVIC：
void NVIC_Config(void)
{
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQ;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}
在main函數調用scanf函數，PC輸入數據時，單片機會回復同樣的數據給PC。
3. 上位機控制LED
功能實現：輸入1時實現LED0反轉，輸入2時實現LED1反轉，輸入其他向上位機提示輸入有誤。部分代碼如下：
int main(void)
{
uint8_t ch;
USART_Config();
LED_Init();
while(1)
{
ch = getchar();
printf("你選擇了%c燈！\n", ch);
switch(ch)
{
case '1':
LED0 = !LED0;
break;
case '2':
LED1 = !LED1;
break;
default:
printf("輸入有誤！請重新輸入！\n");
break;
}
}
}