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串口通信协议的知识点汇总，错过绝对后悔


串口通信协议的知识点汇总，错过绝对后悔

回帖（1）

张翔

2021-12-13 10:56:51
  一、 串口通信协议简介

  1-1 概念

  
   

  • 物理层：规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性，确保原始数据在物理媒体的传输。其实就是硬件部分。
  • 协议层：协议层主要规定通讯逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准。其实就是软件部分。

   简单来说物理层规定我们用嘴巴还是用肢体来交流，协议层则规定我们用中文还是英文来交流。
  
  1-2 常用标准

  ①.RS232标准

   RS232标准串口通讯结构图
  
  

  
  


  • RS232标准串口主要用于工业设备直接通信
  • 电平转换芯片一般有MAX3232，SP3232
    DB9 标准的公头及母头接法

  
  

  
  RS-232 与 TTL 电平区别(232趋向高容错)
  
  

  
  ②.USB转串口（USB2TTL）

   USB转串口通讯结构图
  
  

  
  


  • USB转串口主要用于设备跟电脑通信
  • 电平转换芯片一般有CH340、PL2303、CP2102、FT232
  • 使用的时候电脑端需要安装电平转换芯片的驱动

  ③.原生的串口到串口 (TTL2TTL)

   原生的串口到串口结构图
  
  

  
  


  • 原生的串口通信主要是控制器跟串口的设备或者传感器通信，不需要经过电平转换芯片来转换电平，直接就用TTL电平通信
  • GPS模块、GSM模块、串口转WIFI模块、HC04蓝牙模块

  1-3 串口数据包的基本组成

  
  

  

  


  • 起始位：由1个逻辑 0 的数据位表示
  • 结束位：由 0.5、 1、 1.5 或 2 个逻辑 1 的数据位表示
  • 有效数据：在起始位后紧接着的就是有效数据，有效数据的长度常被约定为 5、 6、 7 或 8 、9位长
  • 校验位：可选，为的是数据的抗干扰性。
    校验方法分为：
    1-奇校验(odd)、 2-偶校验(even)
    3-0 校验(space)、 4-校验(mark)
    5-无校验(noparity)



    • 奇校验 (odd) ：有效数据和校验位中“ 1”的个数为奇数
      比如一个 8 位长的有效数据为： 01101001，此时总共有 4 个“ 1”，为达到奇校验效果，校验位为“ 1”，最后传输的数据将是 8 位的有效数据加上 1 位的校验位总共 9 位
    • 偶校验 (even) ：有效数据和校验位中“ 1”的个数为偶数
      比如一个 8 位长的有效数据为： 01101001，此时总共有 4 个“ 1”，为达到偶校验效果，校验位为“ 0”，最后传输的数据将是 8 位的有效数据加上 1 位的校验位总共 9 位
    • 0 校验：不管有效数据中的内容是什么，校验位总为“ 0”。
    • 1 校验: 校验位总为“ 1”。
    • 无校验: 数据包中不包含校验位。


  二、 STM32串口功能框图讲解

  
  

  
  2-1 引脚

  
  

  
  TX：数据发送
  RX：数据接收
  SCLK ：时钟，仅同步通信时使用
  nRTS ：请求发送(Request To Send)
  nCTS ：允许发送(Clear To Send)
  2-2 数据寄存器

  
  

  
  


  • 数据寄存器 —USART_DR ：9位有效，包含一个发送数据寄存器TDR和一个接收数据寄存器RDR。一个地址对应了两个物理内存。

      


  • 字长配置：USART_CR1：M，0：8bit，1：9bit

      


  • 停止位配置：USART_CR2：STOP

      


  • 奇偶验证位：USART_CR1：PCE（使能校验控制）、PS（奇偶校验选择）、PEIE（PE中断使能）

      


  • USART_SR ：PE（奇偶校验反映位）

      



  2-2-1 如何通过串口实现发送接收？

   1、 USART_CR1：UE、TE、RE均配置为开启
  
  

  
  
  

  
   2、 以发送为例，发送过程涉及2个寄存器的值改变（发送数据寄存器----TDR）

  

  

  2、 TDR发送数据后状态寄存器（USART_SR）中的TXE（empty）位置1，若TXEIE=1则产生中断，不代表数据发送成功，此时TC位置1才表示发送成功，若此时TCIE=1则产生中断（相应的读取时UE、RE使能情况下，读取数据进入接收移位寄存器后传到RDR，RXNE置1，用户可从DR寄存器中读数据，若RXNEIE=1，则产生中断）、
  


  • TXEIE/TCIE/RXNEIE均位于CR1寄存器

  
  

  

  

  

   USART_SR：TXE，Transmit data register empty
  2-3 控制器

  
  

  

  
  

  
  
  

  
  2-4 波特率

  


  • 每秒钟要发送多少数据（多少个二进制位）
  • 配置单位：USART_BRR：波特率寄存器

      


  • 计算公式：

      

      
    例：**USART：**USART1，时钟为72M **波特率：**115200

      

      
    最小精度：1/16(2^4)


三、 代码
3-1 固件库相关配置结构体
USART初始化结构体：USART_InitTypeDef


typedef struct
{
  uint32_t USART_BaudRate;      //波特率 BRR
  uint16_t USART_WordLength;    //字长 CR1_M
  uint16_t USART_StopBits;      //停止位 CR2_STOP
  uint16_t USART_Parity;        //校验控制 CR1_PCE、CR1_PS
  uint16_t USART_Mode;          //模式选择CR1_TE、CR1_RE
  // 硬件流选择 CR3_CTSE、CR3_RTSE
  uint16_t USART_HardwareFlowControl;
} USART_InitTypeDef;


USART同步时钟初始化结构体:USART_ClockInitTypeDef


typedef struct
{
  uint16_t USART_Clock;      // 同步时钟 CR2_CLKEN
  uint16_t USART_CPOL;       // 极性 CR2_CPOL
  uint16_t USART_CPHA;       // 相位 CR2_CPHA
  uint16_t USART_LastBit;    //最后一个位的时钟脉冲 CR2_LBC
} USART_ClockInitTypeDef;


3-2 固件库相关配置函数
串口初始化函数：


void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct)
1
中断配置函数:


void USART_ITConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT, FunctionalState NewState)
1
串口使能函数:


void USART_Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState)
1
数据发送函数：


void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data)
1
数据接收函数:


uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx)
1
中断状态位获取函数:


ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT)
1
3-3 固件库编程
编程要点
1-初始化串口需要用到的GPIO


2-初始化串口，USART_InitTypeDef


3-中断配置（接收中断，中断优先级）


4-使能串口


5-编写发送和接收函数


6-编写中断服务函数


实验1：中断接收和发送
需求：单片机给电脑发送数据，电脑上位机把数据打印出来；电脑上位机给单片机发数据，单片机接收到数据之后立马发回给电脑，并打印出来。


‘bsp-usart.c’
#include "bsp-usart.h"


static void NVIC_Configuration(void)
{
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
  
  /* 嵌套向量中断控制器组选择 */
  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
  
  /* 配置USART为中断源 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DEBUG_USART_IRQ;
  /* 抢断优先级*/
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
  /* 子优先级 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
  /* 使能中断 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
  /* 初始化配置NVIC */
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}


void USART_Config(void)
{
        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
        USART_InitTypeDef USART_InitStructure;


        // 打开串口GPIO的时钟
        DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE);
       
        // 打开串口外设的时钟
        DEBUG_USART_APBxClkCmd(DEBUG_USART_CLK, ENABLE);


        // 将USART Tx的GPIO配置为推挽复用模式
        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN;
        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
        GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
        GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);


  // 将USART Rx的GPIO配置为浮空输入模式
        GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN;
        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
        GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
       
        // 配置串口的工作参数
        // 配置波特率
        USART_InitStructure.USART_BaudRate = DEBUG_USART_BAUDRATE;
        // 配置 针数据字长
        USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
        // 配置停止位
        USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
        // 配置校验位
        USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;
        // 配置硬件流控制
        USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
        // 配置工作模式，收发一起
        USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
        // 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);            
}


/* 发送一个字节 */
void Usart_SendByte(USART_TypeDef* pUSARTx, uint8_t data)
{
        USART_SendData(pUSARTx, data);
        while( USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET );
}


/* 发送两个字节的数据 */
void Usart_SendHalfWord(USART_TypeDef* pUSARTx, uint16_t data)
{
        uint8_t temp_h,temp_l;
       
        temp_h = (data&0xff00) >> 8 ;
        temp_l = data&0xff;
       
        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 );
}


/* 发送8位数据的数组 */
void Usart_SendArray(USART_TypeDef* pUSARTx, uint8_t *array,uint8_t num)
{
        uint8_t i;
        for( i=0; i   {
                Usart_SendByte(pUSARTx, array);
        }
        while( USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TC) == RESET );
}


/* 发送字符串 */
void Usart_SendStr(USART_TypeDef* pUSARTx, uint8_t *str)
{
        uint8_t i=0;
        do
  {
                Usart_SendByte(pUSARTx, *(str+i));
                i++;
        }while(*(str+i) != '');
        while( USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TC) == RESET );
}


///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)
{
                /* 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);               
       
                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)
{
                /* 等待串口输入数据 */
                while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_RXNE) == RESET);


                return (int)USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);
}


‘bsp-usart.h’
#ifndef __BSP_USART_H
#define __BSP_USART_H


#include "stm32f10x.h"
#include


#define DEBUG_USART1     1
#define DEBUG_USART2     0
#define DEBUG_USART3     0
#define DEBUG_USART4     0
#define DEBUG_USART5     0


#if DEBUG_USART1
// 串口1-USART1
#define  DEBUG_USARTx                   USART1
#define  DEBUG_USART_CLK                RCC_APB2Periph_USART1
#define  DEBUG_USART_APBxClkCmd         RCC_APB2PeriphClockCmd
#define  DEBUG_USART_BAUDRATE           115200


// USART GPIO 引脚宏定义
#define  DEBUG_USART_GPIO_CLK           (RCC_APB2Periph_GPIOA)
#define  DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd    RCC_APB2PeriphClockCmd
   
#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT       GPIOA   
#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_9
#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT       GPIOA
#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_10


#define  DEBUG_USART_IRQ                USART1_IRQn
#define  DEBUG_USART_IRQHandler         USART1_IRQHandler


#elif DEBUG_USART2
//串口2-USART2
#define  DEBUG_USARTx                   USART2
#define  DEBUG_USART_CLK                RCC_APB1Periph_USART2
#define  DEBUG_USART_APBxClkCmd         RCC_APB1PeriphClockCmd
#define  DEBUG_USART_BAUDRATE           115200


// USART GPIO 引脚宏定义
#define  DEBUG_USART_GPIO_CLK           (RCC_APB2Periph_GPIOA)
#define  DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd    RCC_APB2PeriphClockCmd
   
#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT       GPIOA   
#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_2
#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT       GPIOA
#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_3


#define  DEBUG_USART_IRQ                USART2_IRQn
#define  DEBUG_USART_IRQHandler         USART2_IRQHandler


#elif DEBUG_USART3
//串口3-USART3
#define  DEBUG_USARTx                   USART3
#define  DEBUG_USART_CLK                RCC_APB1Periph_USART3
#define  DEBUG_USART_APBxClkCmd         RCC_APB1PeriphClockCmd
#define  DEBUG_USART_BAUDRATE           115200


// USART GPIO 引脚宏定义
#define  DEBUG_USART_GPIO_CLK           (RCC_APB2Periph_GPIOB)
#define  DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd    RCC_APB2PeriphClockCmd
   
#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT       GPIOB   
#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_10
#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT       GPIOB
#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_11


#define  DEBUG_USART_IRQ                USART3_IRQn
#define  DEBUG_USART_IRQHandler         USART3_IRQHandler


#elif DEBUG_USART4
//串口4-UART4
#define  DEBUG_USARTx                   UART4
#define  DEBUG_USART_CLK                RCC_APB1Periph_UART4
#define  DEBUG_USART_APBxClkCmd         RCC_APB1PeriphClockCmd
#define  DEBUG_USART_BAUDRATE           115200


// USART GPIO 引脚宏定义
#define  DEBUG_USART_GPIO_CLK           (RCC_APB2Periph_GPIOC)
#define  DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd    RCC_APB2PeriphClockCmd
   
#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT       GPIOC   
#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_10
#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT       GPIOC
#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_11


#define  DEBUG_USART_IRQ                UART4_IRQn
#define  DEBUG_USART_IRQHandler         UART4_IRQHandler


#elif DEBUG_USART5
//串口5-UART5
#define  DEBUG_USARTx                   UART5
#define  DEBUG_USART_CLK                RCC_APB1Periph_UART5
#define  DEBUG_USART_APBxClkCmd         RCC_APB1PeriphClockCmd
#define  DEBUG_USART_BAUDRATE           115200


// USART GPIO 引脚宏定义
#define  DEBUG_USART_GPIO_CLK           (RCC_APB2Periph_GPIOC|RCC_APB2Periph_GPIOD)
#define  DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd    RCC_APB2PeriphClockCmd
   
#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT       GPIOC   
#define  DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_12
#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT       GPIOD
#define  DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN        GPIO_Pin_2


#define  DEBUG_USART_IRQ                UART5_IRQn
#define  DEBUG_USART_IRQHandler         UART5_IRQHandler


#endif


void USART_Config(void);
void Usart_SendByte(USART_TypeDef* pUSARTx, uint8_t data);
void Usart_SendHalfWord(USART_TypeDef* pUSARTx, uint16_t data);
void Usart_SendArray(USART_TypeDef* pUSARTx, uint8_t *array,uint8_t num);
void Usart_SendStr(USART_TypeDef* pUSARTx, uint8_t *str);
#endif  /* __BSP_USART_H */


‘stm32f10x_it.c’
void DEBUG_USART_IRQHandler(void)
{
        uint8_t ucTemp;
        if(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TC) != RESET)//再次判断是否发送完毕
        {
                ucTemp = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);                                 //接收数据
                USART_SendData(DEBUG_USARTx, ucTemp);                                         //将接收数据发送至单片机显示
        }
}


‘main.c’
#include "stm32f10x.h"
#include "bsp-usart.h"


int main(void)
{
        USART_Config();
        printf("test_printf~~n");
        Usart_SendStr(DEBUG_USARTx,"test_SendStr~~n");
        while(1)
        {
                //
        }
}
串口调试助手根据‘配置串口的工作参数’选择相应参数调试


  • 串口调试助手现象：

      

      



    • ‘main.c’

    • ‘stm32f10x_it.c’

    • ‘bsp-usart.h’

    • ‘bsp-usart.c’




实验2：串口控制RGB灯亮灭
**需求：**电脑给单片机发命令，用于控制开发板上的RGB灯。


(与实验1相比改动部分)


‘stm32f10x_it.c’
void DEBUG_USART_IRQHandler(void)
{
        if(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx,USART_FLAG_TC) != RESET)
        {
                ch = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);//ch为外部引用全局变量
                printf("ch = %cn", ch);
        }
}


‘main.c’
#include "stm32f10x.h"
#include "bsp-led.h"
#include "bsp-usart.h"


uint16_t ch = 0;//全局变量ch，用于接收串口信息


int main(void)
{
        USART_Config();                                //串口初始化
        LED_GPIO_Config();                        //LED初始化
        while(1)
        {
                //USART判断ch的值进行RGB的状态切换
                LED_USART_SWITCH();                //ch--switch函数
/***************************************/
//                void LED_USART_SWITCH(void)
//                {
//                        switch(ch)
//                        {
//                                case 0x01: LEDON_G;break;                //绿灯
//                                case 0x02: LEDON_R;break;                //红灯
//                                case 0x03: LEDON_B;break;                //蓝灯
//                                default:   LED_ALL(ON);break;        //白灯
//                        }
//                }
/***************************************/
        }
}
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