第12章 USART1接发通信实验
第十二章 USART1接发通信实验
1. 硬件设计
为利用USART实现开发板与电脑通信，需要用到一个USB转USART的IC，我们选择CH340G芯片来实现这个功能，CH340G是一个USB总线的转接芯片， 实现USB转USART、USB转lrDA红外或者USB转打印机接口，我们使用其USB转USART功能。
我们将CH340G的TXD引脚与USART1的RX引脚连接，CH340G的RXD引脚与USART1的TX引脚连接。CH340G芯片集成在开发板上，其地线(GND)已与控制器的GND连通。
2. 软件设计
2.1 编程目标
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使能RX和TX引脚GPIO时钟和USART时钟；
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初始化GPIO，并将GPIO复用到USART上；
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配置USART参数；
-
配置中断控制器并使能USART接收中断；
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使能USART；
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在USART接收中断服务函数实现数据接收和发送。
2.2 代码分析
- USART1头文件配置-设置端口、引脚、中断
// 串口1-USART1
#define DEBUG_USARTx USART1 // 使用USART1
#define DEBUG_USART_CLK RCC_APB2Periph_USART1 // 串口1时钟
#define DEBUG_USART_APBxClkCmd RCC_APB2PeriphClockCmd // 使能串口1时钟
#define DEBUG_USART_BAUDRATE 115200 // 串口1波特率
// USART GPIO 引脚宏定义
#define DEBUG_USART_GPIO_CLK (RCC_APB2Periph_GPIOA) // APB2
#define DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd RCC_APB2PeriphClockCmd // 使能GPIO时钟
// TX-发送数据输出引脚定义配置
#define DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT GPIOA // 输出端口GPIOA
#define DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN GPIO_Pin_9 // 输出引脚-PA9
// RX-接收数据输入引脚定义配置
#define DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT GPIOA // 输入端口GPIOA
#define DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN GPIO_Pin_10 // 输入引脚-PA10
// 配置NVIC中断
#define DEBUG_USART_IRQ USART1_IRQn // 串口1中断号
#define DEBUG_USART_IRQHandler USART1_IRQHandler // 串口1中断服务函数
使用宏定义方便程序移植和升级 。开发板中的CH340G的收发引脚默认通过跳帽连接到USART1，如果想使用其他串口， 可以把CH340G跟USART1直接的连接跳帽拔掉，然后再把其他串口的IO用杜邦线接到CH340G的收发引脚即可。
这里我们使用USART1，设定波特率为115200，选定USART的GPIO为PA9和PA10。
- 配置NVIC
// 配置嵌套向量中断控制器NVIC
static void NVIC_Configuration(void)
{
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; // 定义NVIC初始化结构体变量
// 1.嵌套向量中断控制器组选择
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
// 2.配置USART为中断源
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DEBUG_USART_IRQ;
// 3.设置抢占优先级和子优先级
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
// 4.使能中断
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
// 5.初始化配置NVIC
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}
在中断章节已对嵌套向量中断控制器的工作机制做了详细的讲解，这里我们就直接使用，配置USART作为中断源，因为本实验没有使用其他中断，对优先级没什么具体要求。
- 串口中断服务函数
// 串口中断服务函数
void DEBUG_USART_IRQHandler(void)
{
uint8_t ucTemp;
if(USART_GetITStatus(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE)!=RESET)
{
ucTemp = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);
USART_SendData(DEBUG_USARTx,ucTemp);
}
}
关于中断函数我们要详细说明一下，因为出现了新的库函数：
- 中断服务函数定义：
DEBUG_USART_IRQHandler()是一个串口中断服务函数，用于处理指定的串口（如DEBUG_USARTx）的中断事件。
- 局部变量：
uint8_t ucTemp;：定义了一个 8 位无符号整型变量，用于存储接收到的数据。
- 中断检查：
if (USART_GetITStatus(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE) != RESET)：USART_GetITStatus()函数用于检查指定 USART 模块的中断状态。USART_IT_RXNE是接收数据寄存器非空中断的标志。- 如果接收到的数据寄存器非空中断被触发，函数返回值将不为
RESET，中断服务程序将继续执行。
- 读取数据：
ucTemp = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);：USART_ReceiveData()函数从接收数据寄存器中读取一个字节的数据，并将其存储在ucTemp变量中。
- 发送数据：
USART_SendData(DEBUG_USARTx, ucTemp);：USART_SendData()函数将数据ucTemp发送到指定的 USART 发送数据寄存器。这通常用于回显收到的数据。
- 等待数据发送完成：
-
while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TC) == RESET);：USART_GetFlagStatus()函数用于检查指定的 USART 标志位。USART_FLAG_TC是传输完成标志。- 这个
while循环会阻塞，直到发送完成标志位USART_FLAG_TC被设置为SET，即数据发送完成。这个操作确保数据完全发送出去。
-
配置USART GPIO工作参数设置
// USART GPIO 配置,工作参数配置
void USART_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; // 定义GPIO初始化结构体变量
USART_InitTypeDef USART_InitStructure; // 定义USART初始化结构体变量
// 1.打开串口GPIO的时钟
DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE);
// 2.打开串口外设的时钟
DEBUG_USART_APBxClkCmd(DEBUG_USART_CLK, ENABLE);
// 3.将USART Tx的GPIO配置为推挽复用模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN; // 使用GPIO_Pin_9
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 推挽输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 速度为50MHz
// 4.初始化GPIO结构体
GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
// 5.将USART Rx的GPIO配置为浮空输入模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN; // 使用GPIO_Pin_10
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入模式
// 6.初始化GPIO结构体
GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
// 配置串口的工作参数
// 7.配置波特率
USART_InitStructure.USART_BaudRate = DEBUG_USART_BAUDRATE; // 波特率为115200
// 8.配置数据字长
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; // 8位数据位
// 9.配置停止位
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; // 1位停止位
// 10.配置校验位
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; // 无校验位
// 11.配置硬件流控制
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; // 无硬件流控制
// 12.配置工作模式
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; // 收发一起工作
// 13.完成串口的初始化配置
USART_Init(DEBUG_USARTx, &USART_InitStructure);
// 串口中断优先级配置
NVIC_Configuration();
// 使能串口接收中断
USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE, ENABLE);
// 使能串口
USART_Cmd(DEBUG_USARTx, ENABLE);
}
使用GPIO_InitTypeDef和USART_InitTypeDef结构体定义一个GPIO初始化变量以及一个USART初始化变量，这两个结构体内容我们之前已经有详细讲解。
调用RCC_APB2PeriphClockCmd函数开启GPIO端口时钟，使用GPIO之前必须开启对应端口的时钟。使用RCC_APB2PeriphClockCmd函数开启USART时钟。
使用GPIO之前都需要初始化配置它，并且还要添加特殊设置，因为我们使用它作为外设的引脚，一般都有特殊功能。 我们在初始化时需要把它的模式设置为复用功能。这里把串口的Tx引脚配置为复用推挽输出，Rx引脚为浮空输入，数据完全由外部输入决定。
接下来，我们配置USART1通信参数为：波特率115200，字长为8，1个停止位，没有校验位，不使用硬件流控制，收发一体工作模式，然后调用USART初始化函数完成配置。
程序用到USART接收中断，需要配置NVIC，这里调用NVIC_Configuration函数完成配置。配置完NVIC之后调用USART_ITConfig函数使能USART接收中断。
最后调用USART_Cmd函数使能USART，这个函数最终配置的是USART_CR1的UE位，具体的作用是开启USART的工作时钟，没有时钟那USART这个外设自然就工作不了。
照例，我们应该分析一下新出现的库函数：
NVIC_Configuration();：
- 这个函数通常用于配置嵌套向量中断控制器（NVIC）的中断优先级。通过设置中断优先级和中断使能状态，它控制哪个中断源的优先级更高，以及在中断请求时如何响应。
USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE, ENABLE);：
USART_ITConfig函数用于启用或禁用特定 USART 的中断。在这里，USART_IT_RXNE表示接收数据寄存器非空中断，使能这个中断后，每当接收到新数据时，会触发中断请求。ENABLE表示启用这个中断。
USART_Cmd(DEBUG_USARTx, ENABLE);：
-
USART_Cmd函数用于使能或禁用指定的 USART 外设。ENABLE参数表示启用 USART，使其开始工作，接收和发送数据。 -
首先编写发送一个字节（8位）函数
// 发送一个字节函数
void Usart_SendByte(USART_TypeDef *pUSARTx, uint8_t ch) // 函数参数：串口号、待发送的字节
{
// 发送一个字节数据到USART
USART_SendData(pUSARTx, ch);
// 等待发送完成
whbie (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}
Usart_SendByte函数用来在指定USART发送一个ASCLL码值字符，它有两个形参，第一个为USART，第二个为待发送的字符。 它是通过调用库函数USART_SendData来实现的，并且增加了等待发送完成功能。 通过使用USART_GetFlagStatus函数来获取USART事件标志来实现发送完成功能等待，它接收两个参数，一个是USART， 一个是事件标志。这里我们循环检测发送数据寄存器为空这个标志，当跳出while循环时说明发送数据寄存器为空这个事实。
Usart_SendString函数用来发送一个字符串，它实际是调用Usart_SendByte函数发送每个字符，直到遇到空字符才停止发送。 最后使用循环检测发送完成的事件标志TC来实现保证数据发送完成后才退出函数。
- 编写发送一个8位数组函数
// 发送一个8位的数组函数
void Usart_SendArray(USART_TypeDef *pUSARTx, uint8_t *array, uint16_t num) // 函数参数：串口号、待发送的数组、数组长度
{
uint8_t i;
for(i = 0; i < num; i++)
{
// 发送一个字节数据到USART并且通过循环写入到数组中
Usart_SendByte(pUSARTx, array[i]);
}
// 等待发送完成
while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TC) == RESET);
}
- 发送一个字符串函数
// 发送一个字符串函数
void Usart_SendString( USART_TypeDef *pUSARTx, char *str) // 函数参数：串口号、待发送的字符串
{
unsigned int k=0;
do
{
Usart_SendByte(pUSARTx, *(str + k) ); // 发送一个字节数据到USART
k++;
} while(*(str + k)!='\0'); // 直到字符串结束
// 等待发送完成
while(USART_GetFlagStatus(pUSARTx,USART_FLAG_TC) == RESET)
{
}
}
- 发送一个16位数函数
// 发送一个16位数函数
void Usart_SendHalfWord( USART_TypeDef *pUSARTx, uint16_t ch) // 函数参数：串口号、待发送的16位数
{
uint8_t temp_h, temp_l;
// 1.取高八位
temp_h = (ch&0XFF00) >> 8;
// 2.取出低八位
temp_l = ch&0XFF;
// 3.发送高八位
USART_SendData(pUSARTx, temp_h);
// 4.等待发送完成
while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
// 5.发送低八位
USART_SendData(pUSARTx,temp_l);
// 6.等待发送完成
while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}
- 重定向printf和scanf函数到串口-目的是让串口也可以使用
// 重定向c库函数printf到串口，重定向后可使用printf函数
int fputc(int ch, FILE *f) // 函数参数：待发送的字符、文件指针
{
// 发送一个字节数据到串口
USART_SendData(DEBUG_USARTx, (uint8_t)ch);
// 等待发送完毕
while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
// 返回发送的字符
return (ch);
}
// 重定向c库函数scanf到串口，重写向后可使用scanf、getchar等函数
int fgetc(FILE *f) // 函数参数：文件指针
{
// 等待串口输入数据
while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
// 返回接收到的数据
return (int)USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);
}
3. 小结
注释已经写得很详细了，我看过一些教程也都没我写得这样细致。
不过，既然是小结，我们还得总结一下基本流程吧：
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首先就算USART1的头文件了，我们需要在这里宏定义各种串口需要的资源（GPIO、RCC、NVIC）
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接着写我们的串口函数了，首先就算初始化NVIV和GPIO了，接着再写我们的功能函数
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主函数就简单了，直接引用我们已经写好的函数就ok咯
#include "stm32f10x.h"
#include "bsp_usart.h"
int main(void)
{
/*初始化USART 配置模式为 115200 8-N-1，中断接收*/
USART_Config();
/* 发送一个字符串 */
Usart_SendString(DEBUG_USARTx, "这是一个串口中断接收回显实验\n");
printf("欢迎使用野火STM32开发板\n\n\n\n");
// 下面是我们写好的函数
// Usart_SendByte() 函数参数：USARTx 串口号，发送的字节
// Usart_SendArray() 函数参数：USARTx 串口号，发送的数组，数组长度
// Usart_SendString() 函数参数：USARTx 串口号，发送的字符串
// Usart_SendHalfWord() 函数参数：USARTx 串口号，发送的半字
while(1)
{
}
}
2024.8.24 第一次修订，后期不再维护
