STM32F407 通用同步异步收发器（串口）
概述
如上图所示，通过stm32f4xx技术参考手册，可知stm32f407有6个串口，4个USART，2个UART。其中各个模式表示的解释如下：
1.异步模式：双方约定一个时钟频率进行发送和接收，发送端可以在任意时刻开始发送字符，因此必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志，即加上开始位和停止位，以便使接收端能够正确地将每一个字符接收下来，当然接收端需要提前做好接收准备；
2.硬件流控制：通过引脚nCTS、nRTS通过这两个引脚进行接收控制，防止数据接收太快导致缓冲区溢出，造成数据丢失或者需要先对数据进行处理。这两种情况都可以将nRTS引脚降为-5V停止发送数据，当需要继续接收数据时将nCTS拉为高电平, 接收的数据流就恢复了；
3.多缓冲区通信(DMA):接收和发送数据都不占用CPU，而是提前设置好DMA的发送地址和接收地址，当有数据存在时DMA控制器便会自动发送或接收；
4.多处理器通信：设定一个USART为主USART其他的USART为从USART，从USART的RX输入与主USART的TX输出相连接，其各自的TX输出在逻辑上通过与运算连在一起，类型于局域网，每个从USART都需要设置一个地址，主USART通过地址与指定的USART进行通信；
5.同步：发送和接收数据通过时钟输出引脚的时钟频率来进行采样，发送方和接收方的数据保持一致；
6.智能卡：支持符合ISO 7816-3标准中定义的异步协议智能卡；
7.半双工：仅使用TX引脚进行双向通信；
8.IrDA：需要在TX、RX线上加上红外编码解码器，进行选择；
9.lIN：局域网互联模式。
接口标准
串口的接口标准有RS232、RS485、RS422这是外部通信接口，还有一个TTL电平标准因为驱动能力和抗干扰能力很差所以不适用于外部通信，以下是它们的区别:
| RS232 | RS422 | RS485 | TTL | |
|---|---|---|---|---|
| 接口结构 | 标准为9针或者25针 | 无具体标准，一般使用9针 | 无具体标准，一般使用9针 | 无具体标准，根据实际情况选择使用的数目 |
| 电气特性 | -15v<"1"<-3v,15v>"0">3v | AB脚电压差决定 | AB脚电压差决定 | +5V等价于逻辑1，0V等价于逻辑0 |
| 传输距离 | 最大为15米 | 最大为1200米 | 最大为1200米 | 不建议超过1米 |
| 多点通信 | 不支持多站接收 | 最多可连接10个接收器 | 运行多达128个收发器 | 不同串口的RX和TX相互连接，形成环路 |
| 通信电缆 | 三芯双绞线/屏蔽线等 | 用两对特性阻抗为120Ω的双绞屏蔽电缆 | 两芯双绞线/屏蔽线等 | 无 |
| 传输速率 | 最高19200bps | 最高1Mbps | 最高10Mbps | 最高230400bps |
 |
||||
| 上图为RS232、RS422、RS485，9针公头的接口定义，仅供参考，需要查看具体设备的说明文档进行确认。接收接发送，正接正，负接负。 |
帧格式
如上图所示，一个字符帧由起始位和数据位、奇/偶校验（可选）和停止位组成，数据位从最低位开始传输。
实验程序
编写一个串口实验程序，功能很简单，接收到指定的16进制数便打开或关闭相应的LED灯。相关宏定义和工程模板参考我之前的环境搭建随笔和实验程序；
usart.c
#include <stdio.h>
#include "stm32f4xx.h"
#include "common.h"
#include "usart.h"
/*
***出现printf、scanf等文件操作，因程序中并没有对这些函数的底层实现，
使得设备运行时会进入软件中断“BAEB BKPT 0xAB”处，执行次完成后程序将停止。
当使用pragma向编译器声明了__use_no_semihosting_swi，便不会使程序遇到
这些文件操作函数时不停在此中断处
*/
#pragma import(__use_no_semihosting_swi)
struct __FILE { int handle; /* Add whatever you need here */ };
FILE __stdout;
FILE __stdin;
/* 重定向printf函数 */
int fputc(int ch,FILE *f)
{
//发送数据
USART_SendData(USART1,ch);
//检查是否发送完成
while(RESET==USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE));
return ch;
}
/* 重定向scanf函数 */
int getc(FILE *f)
{
/* 等待串口输入数据 */
/* 有了这个等待就不需要在中断中进行了 */
while(USART_GetFlagStatus(USART1 , USART_FLAG_RXNE)==RESET);
/* 返回值进行强制类型转换 */
return (int)USART_ReceiveData(USART1);
}
void _sys_exit(int return_code) {
label: goto label; /* endless loop */
}
void usart1_init(uint32_t baud)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
//配置PA9和PA10引脚，为AF模式（复用功能模式）
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = USART1_TX_PIN|USART1_RX_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF ;//配置为复用功能模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed =GPIO_Speed_100MHz ;//配置引脚的响应时间=1/100MHz .
//从高电平切换到低电平1/100MHz,速度越快，功耗会越高
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP ;//推挽的输出模式，增加输出电流和灌电流的能力
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL ;//不使能内部上下拉电阻
GPIO_Init(USART1_PORT,&GPIO_InitStructure);
//将PA9和PA10的功能进行指定为串口1
GPIO_PinAFConfig(USART1_PORT,USART1_TXSource,GPIO_AF_USART1);
GPIO_PinAFConfig(USART1_PORT,USART1_RXSource,GPIO_AF_USART1);
//配置串口1的参数：波特率、数据位、校验位、停止位、流控制
USART_InitStructure.USART_BaudRate = baud;//波特率
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//8位数据位
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//1个停止位
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//无校验
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//无硬件流控制
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;//允许串口发送和接收数据
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
//使能串口1的接收中断
USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE);
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
//使能串口1工作
USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}
void USART1_IRQHandler(void)
{
uint8_t d;
//检测是否接收到数据
if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_RXNE)==SET)
{
d = USART_ReceiveData(USART1);
if(d == 0X01)LED1ON;
if(d == 0XF1)LED1OFF;
if(d == 0X02)LED2ON;
if(d == 0XF2)LED2OFF;
if(d == 0X03)LED3ON;
if(d == 0XF3)LED3OFF;
if(d == 0X04)LED4ON;
if(d == 0XF4)LED4OFF;
USART_SendData(USART1,d);
while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE)==RESET);
//清空标志位，告诉CPU当前数据接收完毕，可以接收新的数据
USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE);
}
}
usart_test.c
#include "stm32f4xx.h"
#include "common.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
void usart_test(void)
{
led1_init();
led2_init();
led3_init();
led4_init();
LED1OFF();
LED2OFF();
LED3OFF();
LED4OFF();
usart1_init();
while(1);
}
main.c
#include "hwconf.h"
#include "usart_test.h"
int main(void)
{
init_board();//初始化相关时钟
usart_test();
}
当需要使用printf和scanf函数时需要进行重定向，《Cortex M3与M4权威指南.pdf》章节18.1 P583有提到
A common task for beginners is to generate a simple output message of “Hello world!” In C language, this is commonly handled
with a “printf” statement. Under the hood, the message output can be redirected to different forms of communication interfaces.
Typically this is known as re-targeting. For example, it is very common to retarget printf to a UART during embedded software development.
In Keil MDK-ARM (or other ARM toolchains such as DS-5 Professional), the function that needs to be implemented to support printf is “fputc.”
总结
1.串口通信很重要，很多对外通信都会使用串口；
2.当串口数据量太大时，可以使用DMA中断，自动接收数据保存；
3.空闲中断可以用于接收字符串；
4.不同类型的串口进行通信需要使用相应的转接器。
