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【嵌入式09】STM32串口通信，发送Hello Windows示例

本文主要描述串口协议和RS-232标准，RS232电平与TTL电平的区别，以及"USB/TTL转232"模块（以CH340芯片模块为例）的工作原理。

一、串口协议

根据百度百科的定义：
串口通信指串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比特字节（byte）的串行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。串口通信协议是指规定了数据包的内容，内容包含了起始位、主体数据、校验位及停止位，双方需要约定一致的数据包格式才能正常收发数据的有关规范。在串口通信中，常用的协议包括RS-232、RS-422和RS-485。

1、设备之间的通信方式

一般情况下，设备之间的通信方式分为串行通信和并行通信。

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

按照数据的传输方向，串口通信分为：

  • 单工：数据传输只支持数据在一个方向上传输；
  • 半双工：允许数据在两个方向上传输。但是，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；
  • 全双工：允许数据同时在两个方向上传输。因此，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。

在这里插入图片描述
按照通信方式，分为

  • 同步通信：带时钟同步信号传输。比如：SPI，IIC通信接口。
  • 异步通信：不带时钟同步信号。比如：UART(通用异步收发器)，单总线。

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。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。

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，或者将主题数据进行打包，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4800bps、9600bps、115200bps等。

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，而异步通信中会则会包含数据帧的各种标识符，所以同步通讯效率高，但是同步通讯双方的时钟允许误差小，稍稍时钟出错就可能导致数据错乱，异步通讯双方的时钟允许误差较大。

常见串口通信的接口

通信标准引脚说明通信方式通信方向
UART 通用异步收发器TXD：发送端
RXD：接收端
GND：共地		异步通信全双工
1-wire 单总线DQ：发送/接收端异步通信半双工
SPISCK：同步时钟
MISO：主机输入，从机输出
MOSI：主机输出，从机输入		同步通信全双工
I2CSCK：同步时钟
SDA：数据输入/输出端		同步通信半双工

2、STM32串口通信基础

STM32的串口通信接口有两种，分别是：UART（通用异步收发器）、USART（通用同步异步收发器）。
对于大容量STM32F10x系列芯片，分别有3个USART和2个UART。

UART引脚连接方法

RXD：数据输入引脚，数据接受；
TXD：数据发送引脚，数据发送。
在这里插入图片描述

对于两个芯片之间的连接，两个芯片GND共地，同时TXD和RXD交叉连接。这里的交叉连接的意思就是，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。

3、RS-232通信协议

若是芯片与PC机（或上位机）相连，除了共地之外，就不能这样直接交叉连接了。

尽管PC机和芯片都有TXD和RXD引脚，但是通常PC机（或上位机）通常使用的都是RS232接口（通常为DB9封装），因此不能直接交叉连接。

RS232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，要想使得芯片与PC机的RS232接口直接通信，需要也将芯片的输入输出端口也电平转换成rs232类型，再交叉连接。

在这里插入图片描述
经过电平转换后，芯片串口和rs232的电平标准是不一样的：

  • 单片机的电平标准（TTL电平）：+5V表示1，0V表示0；
  • Rs232的电平标准：+15/+13 V表示0，-15/-13表示1。

RS-232通讯协议标准串口的设备间通讯结构图如下：
在这里插入图片描述

因此，单片机串口与PC串口通信遵循下面的连接方式：
在单片机串口与上位机给出的rs232口之间，通过电平转换电路，实现TTL电平与RS232电平之间的转换。

RS-232串口简介

台式机电脑后面的9针接口就是com口(串口) 在工业控制、数据采集上应用广泛。
在这里插入图片描述

RS232接口（封装D89）
在这里插入图片描述
通信过程中只有两个脚参与通信，电路连接时，连接三个脚即可。

  • 2脚：电脑的输入RXD
  • 3脚：电脑的输出TXD 通过2 ，3 脚就可以实现全双工(可同时收发)的串行异步通信
  • 5脚：接地

PC串口与单片机串口连接方式：
其中，DB91是在电脑上的 DB92是在单片机实验板上焊接着的
在这里插入图片描述

如果电脑没有rs232口，只有USB口，可以用串口转接线转出串口，在电脑上位机上需要安装驱动程序。
在这里插入图片描述
用串口通信比USB简单，因为串口通信没有协议，使用方便简单。

4、USB转串口CH340接线

USB转串口模块可以使用5V、3V3电压供电，需要将跳线帽进行安装。

在这里插入图片描述
可以对USB转串口模块进行测试，将USB的电压引脚用跳帽接上，然后将RXD和TXD两个引脚用跳帽或者杜邦线接上。
在这里插入图片描述
然后打开串口终端，点击“手动发送”或者“自动发送”，如果在接收区可以接收到数据，说明USB转串口模块工作正常，否则需要检查接线是否正确、电路板元器件是否损坏。

下图是USB转串口模块的一些功能模块的标示，USB转串口电路板背后还预留了一些全信号输出的接口，可以将电线直接焊接在这些引脚上来使用预留的功能。
即便管脚没有这么多，但功能都是差不多的。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
USB转串口电路板与单片机的接线图，VCC接线是为了单片机供电，USB转串口的RXD引脚与单片机的TXD引脚相连，USB转串口的TXD引脚与单片机的RXD引脚相连，两者的GND引脚直接相连。

在这里插入图片描述

二、STM32的USART串口通信（查询方式）

1、题目要求

完成一个STM32的USART串口通讯程序（查询方式即可，暂不要求采用中断方式），要求：
1）设置波特率为115200，1位停止位，无校验位；
2）STM32系统给上位机（win10）连续发送“hello windows！”。win10采用“串口助手”工具接收。
3）在没有示波器条件下，可以使用Keil的软件仿真逻辑分析仪功能观察管脚的时序波形，更方便动态跟踪调试和定位代码故障点。 请用此功能观察串口输出波形，并分析其波形反映的时序状态正确与否，高低电平转换周期（LED闪烁周期）实际为多少。

2、准备

STM32F103C8T6最小核心板
USB转TTL
CH340驱动(USB串口驱动)_XP_WIN7共用
串口调试助手XCOM V2.3

相关资料（CH340驱动、XCOM）会放置在文末最后的网盘链接中

3、USB转TTL与C8T6相连

具体原理请往上翻

USB转TTLSTM32F103C8T6
GNDG
3V33V3
RXDPA9
TXDPA10

实际连接如下，注意boot0接跳线帽到1
在这里插入图片描述

4、CH340驱动安装

在这里插入图片描述
在电脑设备管理器处查看有无com端口出现，有即可证明成功。
在这里插入图片描述

5、代码撰写

这里可以利用CubeMX来做，也可以直接编写代码，这里我采取后者形式。

建立工程可以参考之前的博客【嵌入式08】
我将工程模板放到文章最后的网盘链接中。

只需要修改下usart.c和test.c文件即可。

在SYSTEM组下双击usart.c，其中的uart_init函数，代码如下

void uart_init(u32 pclk2,u32 bound)
{  	 
	float temp;
	u16 mantissa;
	u16 fraction;	   
	temp=(float)(pclk2*1000000)/(bound*16);//得到USARTDIV
	mantissa=temp;				 //得到整数部分
	fraction=(temp-mantissa)*16; //得到小数部分	 
    mantissa<<=4;
	mantissa+=fraction; 
	RCC->APB2ENR|=1<<2;   //使能PORTA口时钟  
	RCC->APB2ENR|=1<<14;  //使能串口时钟 
	GPIOA->CRH&=0XFFFFF00F;//IO状态设置
	GPIOA->CRH|=0X000008B0;//IO状态设置 
	RCC->APB2RSTR|=1<<14;   //复位串口1
	RCC->APB2RSTR&=~(1<<14);//停止复位	   	   
	//波特率设置
 	USART1->BRR=mantissa; // 波特率设置	 
	USART1->CR1|=0X200C;  //1位停止,无校验位.
#if EN_USART1_RX		  //如果使能了接收
	//使能接收中断 
	USART1->CR1|=1<<5;    //接收缓冲区非空中断使能	    	
	MY_NVIC_Init(3,3,USART1_IRQn,2);//组2，最低优先级 
#endif
}

从该代码可以看出，其初始化串口的过程，和我们前面介绍的一致。先计算得到USART1->BRR 的内容。然后开始初始化串口引脚，然之后设置波特率和奇偶校验等。
这里需要注意一点，因为我们使用到了串口的中断接收，必须在 usart.h 里面设置EN_USART1_RX 为 1（默认设置就是 1 的）。该函数才会配置中断使能，以及开启串口 1 的 NVIC中断。这里我们把串口 1 中断放在组 2，优先级设置为组 2 里面的最低。

在test.c中编写如下代码：

#include "sys.h"
#include "usart.h"		
#include "delay.h"	 
int main(void)
{				 
	u16 t; u16 len; u16 times=0;
	Stm32_Clock_Init(9);	//系统时钟设置
	delay_init(72);	  		//延时初始化
	uart_init(72,115200); 	//串口初始化为115200
  	while(1)
	{
		if(USART_RX_STA&0x8000)
		{ 
			len=USART_RX_STA&0x3FFF;//得到此次接收到的数据长度
			printf("\r\n Hello Windows! \r\n\r\n");
			for(t=0;t<len;t++)
			{
				USART1->DR=USART_RX_BUF[t];
				while((USART1->SR&0X40)==0);//等待发送结束
			}
			printf("\r\n\r\n");//插入换行
			USART_RX_STA=0;
		}else
		{
			times++;
			if(times%200==0)printf("Hello Windows!\r\n"); 
			delay_ms(10); 
		}
	}	 
}

重点看下以下两句：

USART1->DR=USART_RX_BUF[t];
while((USART1->SR&0X40)==0);//等待发送结束

第一句，其实就是发送一个字节到串口，通过直接操作寄存器来实现的。
第二句呢，就是我们在写了一个字节在 USART1->DR 之后，要检测这个数据是否已经被发送完成了，通过检测USART1->SR 的第 6 位，是否为 1 来决定是否可以开始第二个字节的发送。

编译成功后烧录
在这里插入图片描述

6、串口助手观察输出

打开XCOM串口助手，弹出界面点击打开串口，即可以接收到C8T6发送的数据Hello Windows!
在这里插入图片描述
成功！

三、STM32的USART串口通信（HAL库方式）

1、工程文件设置

新建步骤不再赘述，采用的C8T6核心板，直接来到外设设置端
这里，我选用PB5连接LED作为电平显示
在这里插入图片描述
设置USART2
在这里插入图片描述
时钟设置
在这里插入图片描述
之后导出Keil文件即可
在main.c文件的主函数while循环中添加以下代码：

	  char data[]="hello windows!\n";
		HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *)data, 15, 0xffff);
		//高电平点亮A12
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET);
		
		HAL_Delay(100);
		//低电平熄灭A12
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET);
		HAL_Delay(900);

在这里插入图片描述

之后编译烧录即可

四、keil观察串口输出波形

逻辑仿真分析仪使用可参考下一篇博客【嵌入式10】

仿真设置
在这里插入图片描述

在没有示波器条件下，可以使用Keil的软件仿真逻辑分析仪功能观察管脚的时序波形，更方便动态跟踪调试和定位代码故障点。 用此功能观察串口输出波形，并分析其波形反映的时序状态正确与否，高低电平转换周期（LED闪烁周期）实际为多少。
在这里插入图片描述

但是通过实验发现，观察PA9、PA10波形一直是平的，没有变化，后来发现是没有用LED高低电平来显示，因此这里我用PB5进行观察
在这里插入图片描述
根据其周期间隔可以发现HAL库导出工程时间十分精确。

五、总结

本文学习了描述串口协议和RS-232标准，RS232电平与TTL电平的区别，以及"USB/TTL转232"模块（以CH340芯片模块为例）的工作原理，并实际操作串口通信hello windows，受益匪浅。

XCOM、CH340、新建工程模板网盘连接
链接：https://pan.baidu.com/s/1td7Y95lZehL9IYTZluCzhg
提取码：u7iw

参考
[1] https://blog.csdn.net/qq_38410730/article/details/79887200
[2] https://blog.csdn.net/wangjiaweiwei/article/details/49612207

悦读

道可道，非常道；名可名，非常名。 无名，天地之始，有名，万物之母。 故常无欲，以观其妙，常有欲，以观其徼。 此两者，同出而异名，同谓之玄，玄之又玄，众妙之门。

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