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STM32快速入门（串口传输之USART）

news 2025/10/31 19:03:41

STM32快速入门（串口传输之USART）

前言

USART串口传输能实现信息在设备之间的点对点传输，支持单工、半双工、全全双工，一般是有三个引脚：TX、RX、SW_RX（共地）。不需要一根线来同步时钟。最大优点是可以和电脑通信，实现程序调试的功能。

USART发送和接收的实现细节

第一部分

首先，对于图248的1号矩形框部分。该部分负责数据的发送和接收。（类似人体的四肢

截取了中文手册有关USART的一幅时序图，如下：

时序图1

首先解释一下空闲帧和断开帧：

从图中可以看到，空闲帧包括了停止位。而断开帧是10位低电平，后跟停止位(当m=0时)；或者11位低电平，后跟停止位(m=1时)。不可能传输更长的断开帧(长度大于10或者11位)。

发送流程：

引脚处于空闲状态时，一般是高电平状态。发送使能位被使能：USART_CR1.TE[3] 位被置为1。
（由用户）数据写到发送数据寄存器。在写之前，用户会等待 USART_SR.TXE[7] 被硬件置位，只有该位被置为才说明发送数据寄存器为空，此时写入数据就是安全的，不会造成覆盖的问题。
（以下步骤都是由硬件完成）将发送数据寄存器的内容移到发送移位寄存器，同时将USART_SR.TXE[7] 置位。以示发送数据寄存器为空。
发送一个起始位。（低电平）
从最低位开始，左移位将发送移位寄存器的值按位发送到TX引脚（对发送方）。
如果用户使能了 USART_CR1.PCE[10] ，会根据 USART_CR1.PS[9] 发送一个校验位。
最后，根据 USART_CR2.STOP[13:12] 的配置发送若干个停止位。(高电平)
将状态寄存器 USART_SR.TC[6] 置位，表示数据的一帧发送完成。

接收流程：

接收使能位被使能：USART_CR1.RE[2]。
（以下未特别说明，都是由硬件完成）从RX引脚（对接收方）检测到起始位，接收移位寄存器准备接收数据。
接收移位寄存器从最高位开始，左移位依次按位从RX引脚（对接收方）接收数据。
接收到停止位。
如果使能了校验位的话，根据配置进行数据校验。
校验合格的话，就将接收移位寄存器的值移到接收数据寄存器。
将 USART_SR.RXNE[5] 置位，表示接收数据寄存器非空，提醒用户接收到数据了。
（由用户）读取接收数据寄存器的数据。

注意：

虽然用户可以操作的寄存器只有一个USART_DR，但是实际上发送和接收数据寄存器在硬件上是各自一个！这样的设计也是双缓冲的实践。
在发送和接收数据之前，用户必须统一设置两端的波特率、校验方式、停止位的数量、字长。否则这四项数据不一致，一定会造成传输错误，导致传输无法进行。其原因从上面的传输流程很容易推断。

有关状态寄存器的位的解释如下：

状态寄存器图1

状态寄存器图2

上面对过载错误位做了一个特写。这是因为我再编码的过程中遇到的一个BUG。排查了半天，原因是当RXNEIE接收中断位使能时，发送方的ORE标志位和RXNE标志位的置位都会触发RXNE事件的中断，当中断处理函数在处理完毕后，只复位RXNE标志，而不管ORE，后续还是会不断的产生中断。所以根据手册（手册其实是有误的），我们需要先读USART_SR，在读USART_DR将ORE标志位清除。（注意！库函数Clear类函数不能清楚ORE位！），这里放一张中断请求对应的事件表：

中断事件表

第二部分

对于图248的2号矩形框部分。该部分负责接收和发送的控制，（类似人体大脑。

图中可以看到有很多的控制器、控制寄存器、标志寄存器等。我们可以设置相应的寄存器从而控制收发来实现一些功能。具体寄存器的功能可以参考中文手册，这里不过多赘述。

第三部分

对于图248的3号矩形框部分。该部分负责控制接收和发送的时钟。接收和发送的时钟也称之为波特率，通过波特率，通信双方就能协调其收发的频率（类似人体心脏。

从图248的3号矩形框部分，可知，发送和接受器时钟是相等的。而时钟最开始是来自F_PCLK，送和接受器的时钟是对F_PCLK进行了一个 (16 * USARTDIV) 分频，USARTDIV是一个可调的定点小数。

波特率生成

波特率寄存器

这里解释一下中文手册里面“如何从USART_BRR寄存器值得到USARTDIV”的示例一。最开始看到这个例子我也是很懵的，什么是定点小数？这是怎么用整数来表示小数的？为什么 <Fraction (USARTDIV) = 12/16 = 0.75> 这里要除以16？原理是这样的：

USART_BRR寄存器里面按定点小数的方式存放USARTDIV的值。只使用了16位，高12位存放小数的整数部分，低4位存放的是小数部分。整数部分很好说，直接存放进去就好了。而小数部分呢，因为小数部分一定是小于1的，所以，它根据低4位所能代表的值，将1划分成了2^4份，也就是16份，每一份占1/16，所以我们要将小数部分表示成4位整数就将小数乘以16并向上取整即可。溢出的话就向整数部分进一。反之，要从4位整数还原小数，就用4位整数乘以1/16。

中文手册总结了一个公式：

波特率 = F_PCLK / (16 * USARTDIV)

通信必须维持相同的波特率。双方各自通过调节USARTDIV，就可以在不同环境下将双方但的波特率调成一样的。

此外，还应该说明的是，公式中，有一个乘以 1 / 16 的操作，这么做的目的是发送接收控制器里面有一个比波特率大16倍的采样频率。采样频率起到很好的滤波效果，它会对每一位进行16次采样。采样对于起始位的探测非常的精妙。并且，对于数据位，中间的8、9、10次采样会起到决定性作用。

起始位探测：

起始帧探测

首先，我们称对第3、5、7次的采样为第一阶段采样，对第8、9、10次的采样为第二阶段采样。

如果该序列不完整，那么接收端将退出起始位侦测并回到空闲状态(不设置标志位)等待下降沿。
两个阶段检测的全是0，则确认收到起始位，这时设置RXNE标志位，如果RXNEIE=1，则产生中断。
如果两阶段中3个采样点上仅有2个是0，那么起始位仍然是有效的，但是会设置NE噪声标志位。如果不能满足这个条件，则中止起始位的侦测过程，接收器会回到空闲状态(不设置标志位)。
如果两个阶段只有一个阶段中3个采样点上仅有2个是’0’，那么起始位仍然是有效的，但是会设置NE噪声标志位。

数据位噪声探测：

数据采样

对数据位的采样只有一个阶段采样有效，即8、9、10次采样。

上方图片的下面的表格已经规定了采样的值和有效性的映射。读者可以好好的品味一下。

最后，注意因为定点数表示小数是有精度的，所以波特率的计算是存在误差的，具体误差可以查阅中文手册。此外通过中文手册可知F_PCLK有两种情况：

PCLK1用于USART2、3、4、5。
PCLK2用于USART1

USART发送和接收的配置步骤

USART的配置步骤比较简单。

通信双方确定好波特率、停止位数、校验方式、字长。
通过 USART_SR.RXNE[5] 产生的中断（接收数据寄存器非空），去异步接收数据。
通过直接读写USART_DR寄存器可以实现数据的接收和发送。
需要的话，可以等待 USART_SR.TC[6] 被硬件置位，来确保发送完成。
处理中断后，一定要注意彻底清除中断相应的标志位！防止中断假触发！

USART发送和接收的代码

我的开发板硬件连接图如下，所以本实验使用USART1进行串口通信。

硬件图

并且，将PA9、PA10分别配置成推挽复用输出、浮空输入或带上拉输入。

IO复用

GPIO的配置

代码如下：

int fputc(int ch,FILE *p) {//函数默认的，在使用printf函数时自动调用USART_SendData(USART1,(u8)ch);	while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE)==RESET);return ch;
}void LunarNVICInit(){NVIC_InitTypeDef NVIC_Cfg;// 配置系统中断分组NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);// CPU上开启USART的中断NVIC_Cfg.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;NVIC_Cfg.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_Cfg.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;NVIC_Cfg.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2;NVIC_Init(&NVIC_Cfg);}void LunarInitUSART1() {GPIO_InitTypeDef GPIOA9_Cfg, GPIOA10_Cfg;USART_InitTypeDef USART1_Cfg;// PARCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);// 初始化GPIOA9为复用 （发送GPIOA9_Cfg.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIOA9_Cfg.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;GPIOA9_Cfg.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIOA9_Cfg);// 初始化GPIOA10为复用 （接收GPIOA10_Cfg.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;GPIOA10_Cfg.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;GPIO_Init(GPIOA, &GPIOA10_Cfg);// USART1RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);USART1_Cfg.USART_BaudRate = 115200;USART1_Cfg.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;USART1_Cfg.USART_Parity = USART_Parity_No;USART1_Cfg.USART_StopBits = USART_StopBits_1;USART1_Cfg.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;USART1_Cfg.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;USART_Init(USART1, &USART1_Cfg);// 接收中断USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);// 打开usartUSART_Cmd(USART1, ENABLE);
}// 中断处理程序
void USART1_IRQHandler(void) {if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) {	// 接收数据中断uint16_t data = USART_ReceiveData(USART1);USART_SendData(USART1, data);while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);USART_ClearFlag(USART1, USART_FLAG_TXE);} else {// 其他中断不做处理}// 顺序去读SR和DR清楚ORE位if (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_ORE) != RESET){USART_ReceiveData(USART1);// USART_ClearFlag(USART1, USART_FLAG_ORE); // 函数USART_ClearFlag清楚不了USART_FLAG_ORE！！！}
}int main() {// 初始化usartLunarInitUSART1();LunarNVICInit();printf("stm32 启动\n");while(1) {}return 0;}

实验结果就是上位机通过给串口发送字符串，上位机接收框出现回显的效果。

本章完结