USART串行通信协议和配置流程

1.1 波特率和数据格式
USART通信中的同步通信功能很少用到，大多情况下只采用异步通信，只能实现异步通信功能的接口就称之为UART。UART通信通常以字节为单位组成数据帧，由通信收发双方根据预先约定的波特率（传输速率）进行通信。
波特率表示每秒发送二进制数据位的速率，单位是bps，即位/秒，波特率越高，传输速度越快，常用的UART通信波特率有2400，4800，9600,115200等等。在进行串行通信之前，通信双方需要设置波特率保持一致，否则不能正常通信。
单片机标准串口进行通信时，没有数据传输时通信线路保持高电平状态。当要发送数据时，先发送一位0，用以表示开始发送，叫做起始位。然后再按照低位在前，高位在后的顺序发送8位数据。当8位数据发送完毕时，再发送一位1表示停止位。对于接收端而言，开始时传输线路一直保持高电平，一旦检测到低电平，便准备开始接收数据。当接收完8位数据时，便检测停止位，检测完毕后，表示一帧数据发送完毕，开始准备接受下一帧数据。为了确保数据准确性，通常会在数据位之后设置校验位。
串行通信的数据帧的格式由起始位、数据位、奇偶校验位（可选）和停止位等部分组成，如图5-1所示。


图5-1 串口数据发送格式示意图
1.2 TTL通信接口和RS232通信接口

电脑和单片机之间进行串口通信，通常使用USB转UART芯片，将USB通信协议转成UART协议和单片机通信，如图5-2所示，CH340的6脚和7脚接到USB口上的D-和D+，3脚和4脚接到STM32的UART接口引脚上。Kingst-32F1开发板上CH340的3脚和4脚通过跳线帽选择连接在STM32F103ZE单片机USART1的PA10和PA9引脚上。拔掉跳线帽USB转串口模块可以单独使用,注意连接外部串口时设备之间要共地。


图5-2 USB转串口电路
单片机的串口接口标准一般是TTL或者CMOS，而除此之外，UART通信还有一种RS232串行通信接口，台式电脑和早期的工业专用的笔记本电脑通常带RS232接口。
RS232标准是个反逻辑，也叫做负逻辑。为何叫负逻辑？它的TXD和RXD的电压，-3V～-15V代表是1，+3～+15V代表是0。低电平代表的是1，而高电平代表的是0，所以称之为负逻辑。9针RS232串口是不能和单片机直接连接的，需要用一个电平转换芯片MAX232或者SP3232来完成，这两个芯片只是设计公司不同，其他是完全兼容的，具体电路如图5-3所示。Kingst-32F1开发板中RS485和RS232共用USART2，使用时可以通过跳线帽选择。


图5-3 RS232转串口电路图

　　2 STM32 USART串口介绍
　　STM32F103ZE单片机内部集成有3（USART）+2（UART）个串行通信接口，如表5-1所示。
　　
　　在使用异步通信时也就是相当于有5个UART模块，并且这5个模块能同时进行数据发送和接收，互不干扰。除此之外STM32的USART模块支持8位或9位长度的数据字；可配置1位或2位的停止位。
　　USART外设发送和接收的数据是通过数据寄存器（USART_DR）传输的。该寄存器兼具读和写的功能，实际上它是由发送数据寄存器（TDR）和接收数据寄存器（RDR）两个寄存器组成，就好比一个房间有两个门，一个只进不出，一个只出不进，如图5-4所示。
　　
　　图5-4 USART数据发送和接收简易结构图
　　USART发送数据的大体流程：数据通过内部总线，先发送到TDR中，然后再由TDR移送到“发送移位寄存器”，最后数据通过移位从TXD引脚输出。当TDR中的数据传送到移位寄存器后，TDR为空，同时硬件会设置一个“发送数据寄存器空（TXE）”的标志位，此时可以把下一帧数据写入TDR中，而不必等到移位寄存器发送完所有位，向TDR中写入数据会清除TXE标志位。当一帧数据发送完成（停止位发送后）且TXE=1（TDR为空），即没有数据再写入到TDR时，硬件会设置一个“发送完成（TC）”标志位，表示最后一帧数据发送完毕，USART发送过程标志位状态如图5-5所示。如果设置了TXEIE（TXE中断使能位）或TCIE（TC中断使能位），当TXE或TC标志位被置位时，程序会执行串口中断服务函数。需要注意的是当USART发送功能（TE位）激活后（初始化或复位时），将发送一个空闲帧（0xFF），如果此时没有数据发送，则TXE标志位和TC标志位会一直处于“置位”状态，如果使能了TXEIE或TCIE，程序会重复执行串口中断服务函数，这将会大量占用CPU资源。
　　在使用串口中断发送数据时，只要TDR寄存器为空，就可以写入数据，而不需要等待数据发送完成，因此通常选择检测TXE标志位，而不是TC标志位。由于TDR寄存器一旦为空，TXE标志位会硬件置位，进而触发中断，所以当不发送数据时要及时关闭发送中断。
　　
　　图 5-5 USART发送数据过程状态图
　　USART接收数据的流程要比发送数据简单很多。数据的最低有效位首先从RXD引脚移入到“接收移位寄存器”，当一帧数据接收完成，接收移位寄存器将数据发送到接收数据寄存器（RDR）中。此时硬件会设置一个接收数据寄存器非空标志位（RXNE），表示数据已经被接收并且可以读出，如果设置了接收中断，当检测到RXNE标志位时会执行中断服务函数。读取接收数据寄存器（RDR）中的数据可以自动清除RXNE标志位。RXNE标志位在下一字符接收前也可以手动清除，避免溢出错误。

配置流程
　　USART中配置流程并不复杂，只需要按照要求设置相应参数即可。在配置时要分清USART标志位和USART中断标志位，具体流程如下：
　　（1） 使能USART时钟及配置相关引脚：在使能USART时钟时，注意STM32F103ZE单片机的USART1模块位于APB2总线上，USART2、USART3、UART4、UART5位于APB1总线上。USART双向通信时至少需要TXD和RXD两个引脚，其中TXD引脚配置为复用推挽输出模式，RXD引脚配置为浮空输入模式。
　　（2） USART外设初始化参数设置：初始化时要设置USART的波特率、数据长度、停止位、是否使用校验位、使能USART的发送功能和接收功能，一旦激活发送功能，USART会发送一个空闲帧，最后使用USART_Init初始化函数进行初始化。
　　（3） USART中断优先级设置：通过NVIC_Init函数配置串口中断优先级。
　　（4） 使能USART中断： 通过USART_ITConfig函数使能串口发送中断和串口接收中断。注意在此只使能串口接收中断，发送中断必须在发送前使能，发送完毕后关闭，否则程序会重复执行中断服务函数。
　　（5） 使能USART外设：通过USART_Cmd函数使能USART外设，一旦使能，USART便开始工作。
　　（6） 编写USART中断服务函数：串口中断服务函数需要使用中断向量表中定义的函数名称，具体如表5-2所示，中断服务函数依旧是保存在stm32f10x_it.c文件中。
　　

初始化参数
　　USART初始化结构体的成员，包括波特率、数据长度、停止位数、校验位、模式设置、硬件控制流设置。在对USART初始化结构体成员设置参数时参考表5-3 USART初始化结构体参数设置列表。
　　
　　

USART中断设置
　　USART_ITConfig函数是使能或者失能USART模块的中断，函数原型如下：void USART_ITConfig（USART_TypeDef* USARTx， u16 USART_IT， Functional StateNewState），待使能或者失能的 USART 中断源如表5-4所示。USART发送数据时分为查询方式和中断方式，因查询方式会较长时间的占用CPU，可能耽误对其它事件的响应处理，因此实际项目开发中一般采用中断方式发送和接收数据，本章就以中断方式为例来配置USART。初始化时先使能“接收中断（USART_IT_RXNE）”，而“发送中断（USART_IT_TXE）”即用即开，用完关闭。
　　
　　采用中断方式发送数据和接收数据时，当程序进入中断服务后需要判断到来的是哪个中断源，然后执行相应的函数。因此需要使用中断标志位检测函数USART_GetITStatus（USART_TypeDef* USARTx， u16 USART_IT）检测USART相应中断标志的状态，比如：USART_GetITStatus （USART1， USART_IT_TXE）表示获取发送中断标志位状态，其他中断标志位可以参考表5-5。
　　
　　当检测到相应中断标志为后，有些硬件会自动清除相应标志位，而硬件不能自动清除时往往需要手动清除，此时可以使用USART_ClearITPendingBit（USART_TypeDef* USARTx， u16 USART_IT）中断标志位清除函数，清除相应标志位。中断标志位清除函数和中断标志位检测函数使用相同的USART中断标志位参数，如表5-5所示。比如清除“发送数据寄存器空（TXE）”标志位代码如下：USART_ClearITPendingBit（USART_IT_TXE）;

USART通信实例
　　单片机串口主要用于单片机与电脑以及单片机之间进行信息交互。通过前面几节，基本了解了STM32串口的基本状况和配置流程，接下来就是用USART1做一个简单的串口收发实验，实现串口助手发送单个字符到Kingst32-F1开发板，Kingst32-F1开发板收到字符后，对字符进行加1，然后重新发回到串口助手，并通过数码管显示该字符的十六进制数。首先还是先建立usart.c和usart.h驱动文件，根据前几节所讲的配置流程，编写USART驱动函数，具体代码如下：