我在高职教STM32——串口通信（5）

时间：2024-10-09 11:34:00

        大家好，我是老耿，高职青椒一枚，一直从事单片机、嵌入式、物联网等课程的教学。对于高职的学生层次，同行应该都懂的，老师在课堂上教学几乎是没什么成就感的。正因如此，才有了借助 **** 平台寻求认同感和成就感的想法。在这里，我准备陆续把自己花了很多心思的教学设计分享出来，主要面向广大师生朋友，单片机老鸟就略过吧。欢迎点赞+关注，各位的支持是本人持续输出的动力，多谢多谢！

        通信，按照传统的理解就是信息的传输与交换。对于像STM32这样的单片机来说，通信则与传感器、存储芯片、外围控制芯片等技术紧密结合，成为整个单片机系统的“神经中枢”。没有通信，单片机所实现的功能仅仅局限于单片机本身，就无法通过其它设备获得有用信息，也无法将自己产生的信息告诉其它设备。如果单片机通信没处理好的话，它和外围器件的合作程度就会受到限制，最终整个系统也无法完成强大的功能，由此可见单片机通信技术的重要性。UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，即通用异步收发器）串行通信是单片机最常用的一种通信技术，通常用于单片机和电脑之间、单片机和单片机之间、单片机与外围器件的通信。

【学习目标】

  1. 知道通信基本概念的含义；
  2. 理解通信机制中物理层和协议层分离的理念；
  3. 学会配置STM32的串口功能；
  4. 了解printf()函数“打印”至串口的实现过程；
  5. 掌握使用串口调试软件对单片机的调试方法。

        STM32串口通信涉及的知识较多，为了不让篇幅太长，本章打算分五个部分来讲解，本文是第五部分，详细解读串口收发的工程源码。

五、STM32的USART收发通信实验

5.6 代码剖析

         和 这两个文件的源码来自正点原子STM32系列的开发板，版权归广州市星翼电子科技有限公司所有。根据笔者自己的开发和教学经验，在STM32串口驱动的完整性和可移植性方面，正点原子的确做的非常优秀，我们不妨就来学习一下人家的优秀之处。

         的源码已在上一部分剖析过了，本节我们来剖析一下 的源码。为了便于阅读，我们将其大致分为三个代码段，如代码清单3所示。

代码清单3 的三个代码段

代码段1

        代码清单4有些抽象，如果初学者看不懂也不要紧。总之，你只需要明白，有了这段代码，printf() 函数“打印”的信息就到USART1上去了。

    

  1. 

    

    //------------------------------------------------------
    

    2. 

  2. 

    

    // 代码清单4：的代码段1
    

    3. 

  3. 

    

    //------------------------------------------------------
    

    4. 

  4. 

    

     
    

    5. 

  5. 

    

    //加入以下代码，支持printf函数，而不需要选择use MicroLIB	  
    

    6. 

  6. 

    

    #if 1
    

    7. 

  7. 

    

    #pragma import(__use_no_semihosting)             
    

    8. 

  8. 

    

    //标准库需要的支持函数                 
    

    9. 

  9. 

    

    
struct __FILE 
    

    10. 

  10. 

    

    { 
    

    11. 

  11. 

    

    	int handle; 
    

    12. 

  12. 

    

    };
    

    13. 

  13. 

    

     
    

    14. 

  14. 

    

    FILE __stdout;       
    

    15. 

  15. 

    

    //定义_sys_exit()以避免使用半主机模式    
    

    16. 

  16. 

    

    
void _sys_exit(int x) 
    

    17. 

  17. 

    

    { 
    

    18. 

  18. 

    

    	x = x; 
    

    19. 

  19. 

    

    }
    

    20. 

  20. 

    

     
    

    21. 

  21. 

    

    //重定义fputc函数 
    

    22. 

  22. 

    

    int fputc(int ch, FILE *f)
    

    23. 

  23. 

    

    {      
    

    24. 

  24. 

    

    	while((USART1->SR&0x40)==0);  //循环发送，直到发送完毕   

    

    25. 

  25. 

    

        USART1->DR = (u8)ch;      
    

    26. 

  26. 

    

    	return ch;
    

    27. 

  27. 

    

    }
    

    28. 

  28. 

    

     
    

    29. 

  29. 

    

    #endif
    

    30.

        第7行声明提到的半主机是这么一种机制，它使得在ARM目标上跑的代码，如果电脑运行了调试器，那么该代码可以使用该主机电脑的输入输出设备。这点非常重要，因为开发初期，可能开发者根本不知道该ARM器件上有什么输出设备，而半主机机制使得你不必知道ARM器件的外设，利用电脑的外设就可以实现输出调试。所以要利用目标ARM器件的输出设备，首先要关掉半主机机制，然后再将输出重定向到ARM器件上，也就是我们期望的printf()函数输出重定向到USART1。

        那么如何实现重定向呢？第22~27行重写的 fputc() 函数即可实现，因为如果你研究过 printf() 函数的源码，最终调用的是标准库 fputc(int ch,FILE *f) 这个函数。而我们现在自定义了一个与之同名的函数，那 printf() 函数会调用哪个呢？标准库里的？自定义的？还是编译报错呢？答案是使用自定义的。于是我们在 fputc() 函数内部将输出的字符指向USART1的数据寄存器即可。

        第24行的等待发送完毕是通过读取 USART1->SR 状态寄存器里的TC位来实现的。我们把手册里对这个寄存器的描述摘录过来，如图20所示。TC位正好与0x40（01000000）里的那个1在相同位置，(USART1->SR&0x40)==0 意味着TC位为0，说明发送未完成，那就停在对应的while循环里。如果发送完成，TC位变成1，while循环退出。由此实现了“循环发送，直到发送完毕”。

图20 USART1->SR状态寄存器TC位的描述

        第25行的 USART1->DR 是数据寄存器，如果是发送，把待发送的字符填入该寄存器，之后会借助移位寄存器将数据一位一位的发送出去。如果是接收，移位寄存器会将接收到的数据一位一位地填入该寄存器。因此，USART1->DR 这个数据寄存器是收发共用的，会根据程序的需要自动改变数据方向。关于该寄存器的详细描述，请参考STM32数据手册。

        我们再回到与“半主机”有关的代码上，为确保没有从C库链接使用半主机的函数，那么 中有些使用半主机的函数要重写，于是就有了第9~19行的代码。至于为何这么写，有兴趣的朋友可以阅读ARM官方的两个文档《RealView编译工具开发指南》和《ARM Developer Suite Compilers and Libraries Guide》，内容比较多，理解起来也有难度。

        最后，我们再补充一个在Keil编译中“使用微库”的问题，即第1行注释里提到的“use MicroLIB”，它其实是Keil编译器的一个配置选项，如图21所示。如果勾选此项，第5~19行的代码也就不需要了，只需要留下重定向 fputc() 函数的代码即可。因此，如果你看到有的STM32工程的串口“打印”没有出现类似的代码段1，不妨看一下是否勾选了此项。

图21 Keil软件里的use MicroLIB选项

        微库可以看作是缺省标准C库的备选库，它用于必须在极少量内存环境下运行的嵌入式应用程序，它只保留了标准库里的一些常用功能，在一定程度上方便了程序的开发和移植，毕竟标准库是成熟和通用的。当然，也有弊端，使用微库编译出来的代码量会比较大，感兴趣的朋友可以在做完该实验之后，使用微库再编译一次，看看代码量究竟差了多少。

代码段2

        这段代码主要就是一个串口初始化函数 uart_init()，完成 USART1_TX 和 USART1_RX 两个引脚的GPIO初始化、USART1串口中断的初始化以及串口自身参数的初始化，源码见代码清单5。

    

  1. 

    

    //----------------------------------------------------------------
    

    2. 

  2. 

    

    // 代码清单5：代码段2
    

    3. 

  3. 

    

    //----------------------------------------------------------------
    

    4. 

  4. 

    

     
    

    5. 

  5. 

    

    #if EN_USART1_RX				//如果使能了接收
    

    6. 

  6. 

    

     	
    

    7. 

  7. 

    

    u8 USART_RX_BUF[USART_REC_LEN];	//接收缓冲,最大USART_REC_LEN个字节.

    

    8. 

  8. 

    

    u16 USART_RX_STA = 0;			//接收状态标记	  

    

    9. 

  9. 

    

     
    

    10. 

  10. 

    

    /**
    

    11. 

  11. 

    

     ******************************************************************
    

    12. 

  12. 

    

     * 函 数 名：uart_init
    

    13. 

  13. 

    

     * 功    能：串口初始化
    

    14. 

  14. 

    

     * 入口参数：bound --- 波特率
    

    15. 

  15. 

    

     * 出口参数：无
    

    16. 

  16. 

    

     * 说    明：PA9/PA10三方面的初始化：GPIO、USART和NVIC
    

    17. 

  17. 

    

     ******************************************************************
    

    18. 

  18. 

    

    **/
    

    19. 

  19. 

    

    void uart_init(u32 bound)
    

    20. 

  20. 

    

    {
    

    21. 

  21. 

    

    	//定义必要的初始化结构体

    

    22. 

  22. 

    

    	GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
    

    23. 

  23. 

    

    	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    

    24. 

  24. 

    

    	NVIC_InitTypeDef  NVIC_InitStructure;
    

    25. 

  25. 

    

     
    

    26. 

  26. 

    

    	//使能USART1和GPIOA外设时钟

    

    27. 

  27. 

    

    	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    

    28. 

  28. 

    

      
    

    29. 

  29. 

    

    	//USART1_TX（PA9），复用推挽模式

    

    30. 

  30. 

    

    	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    

    31. 

  31. 

    

    	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    

    32. 

  32. 

    

    	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    

    33. 

  33. 

    

    	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    

    34. 

  34. 

    

       
    

    35. 

  35. 

    

    	//USART1_RX（PA10），浮空输入模式

    

    36. 

  36. 

    

    	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    

    37. 

  37. 

    

    	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    

    38. 

  38. 

    

    	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);  
    

    39. 

  39. 

    

     
    

    40. 

  40. 

    

    	//USART1的中断配置

    

    41. 

  41. 

    

    	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    

    42. 

  42. 

    

    	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 3;
    

    43. 

  43. 

    

    	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;
    

    44. 

  44. 

    

    	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    

    45. 

  45. 

    

    	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    

    46. 

  46. 

    

      
    

    47. 

  47. 

    

    	//USART1初始化设置：波特率、8位字长、1位停止位、无校验、无硬件流、收发一体

    

    48. 

  48. 

    

    	USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;
    

    49. 

  49. 

    

    	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    

    50. 

  50. 

    

    	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    

    51. 

  51. 

    

    	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    

    52. 

  52. 

    

    	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    

    53. 

  53. 

    

    	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    

    54. 

  54. 

    

    	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
    

    55. 

  55. 

    

    	
    

    56. 

  56. 

    

    	//开启串口1及接收中断

    

    57. 

  57. 

    

    	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
    

    58. 

  58. 

    

    	USART_Cmd(USART1, ENABLE);
    

    59. 

  59. 

    

    }
    

    60.

        第5~8行，这几个宏和变量的作用已在前面剖析 源码时解释过了。

        第29~38行是对PA9和PA10两个引脚的GPIO初始化。这里需要注意的是，复用功能下的GPIO模式怎么判定？查看手册得知，如表4所示，配置全双工的串口1，那么 TX（PA9）需要配置为推挽复用输出，RX（PA10）配置为浮空输入或者带上拉输入。

表4 串口GPIO模式配置表

        第41~45行，对于NVIC中断优先级管理，我们在前面章节已有讲解，这里不重复了。需要注意一点，因为使用到了串口的中断接收，必须在 里面设置 EN_USART1_RX 为 1（默认设置就是1）。该函数才会配置中断使能，以及开启USART1的NVIC中断。这里我们把USART1中断放在组2，优先级设置为组2里面的最低。

        第48~54行，我们配置USART1通信参数为：波特率由参数bound传入，字长为8，1个停止位，无校验位，不使用硬件流控制，收发一体工作模式，然后调用 USART_Init() 库函数完成配置。

        第57~58行，配置完NVIC之后调用 USART_ITConfig() 函数使能USART1接收中断，最后调用 USART_Cmd() 函数使能USART1。

代码段3

        这段代码是USART1的中断服务函数，处理串口接收到的数据，源码见代码清单6。

    

  1. 

    

    //----------------------------------------------------------------
    

    2. 

  2. 

    

    // 代码清单6：代码段3
    

    3. 

  3. 

    

    //----------------------------------------------------------------
    

    4. 

  4. 

    

     
    

    5. 

  5. 

    

    /**
    

    6. 

  6. 

    

     ******************************************************************
    

    7. 

  7. 

    

     * 函 数 名：USART1_IRQHandler
    

    8. 

  8. 

    

     * 功    能：串口中断处理函数
    

    9. 

  9. 

    

     * 入口参数：无
    

    10. 

  10. 

    

     * 出口参数：无
    

    11. 

  11. 

    

     * 说    明：开发板若收到串口助手发来的消息，则进入此中断
    

    12. 

  12. 

    

     ******************************************************************
    

    13. 

  13. 

    

    **/
    

    14. 

  14. 

    

    void USART1_IRQHandler(void)
    

    15. 

  15. 

    

    {
    

    16. 

  16. 

    

    	u8 Res;
    

    17. 

  17. 

    

     
    

    18. 

  18. 

    

    	//接收到消息（必须是0x0d 0x0a结尾）

    

    19. 

  19. 

    

    	if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)
    

    20. 

  20. 

    

    	{
    

    21. 

  21. 

    

    		Res = USART_ReceiveData(USART1);	//读取接收到的数据

    

    22. 

  22. 

    

    		
    

    23. 

  23. 

    

    		if((USART_RX_STA&0x8000)==0)	//接收未完成

    

    24. 

  24. 

    

    		{
    

    25. 

  25. 

    

    			if(USART_RX_STA&0x4000)		//接收到了0x0d

    

    26. 

  26. 

    

    			{
    

    27. 

  27. 

    

    				if(Res!=0x0a) USART_RX_STA = 0;	//接收错误,重新开始

    

    28. 

  28. 

    

    				else USART_RX_STA |= 0x8000;	//接收完成了 

    

    29. 

  29. 

    

    			}
    

    30. 

  30. 

    

    			else	//还没收到0X0D

    

    31. 

  31. 

    

    			{	
    

    32. 

  32. 

    

    				if(Res==0x0d)
    

    33. 

  33. 

    

    					USART_RX_STA |= 0x4000;
    

    34. 

  34. 

    

    				else

    

    35. 

  35. 

    

    				{
    

    36. 

  36. 

    

    					USART_RX_BUF[USART_RX_STA&0X3FFF] = Res;
    

    37. 

  37. 

    

    					USART_RX_STA++;
    

    38. 

  38. 

    

    					
    

    39. 

  39. 

    

    					//接收数据错误，重新开始接收

    

    40. 

  40. 

    

    					if(USART_RX_STA>(USART_REC_LEN-1))
    

    41. 

  41. 

    

    						USART_RX_STA = 0;	  
    

    42. 

  42. 

    

    				}		 
    

    43. 

  43. 

    

    			}
    

    44. 

  44. 

    

    		}   		 
    

    45. 

  45. 

    

         } 
    

    46. 

  46. 

    

    }
    

    47. 

  47. 

    

     
    

    48. 

  48. 

    

    #endif
    

    49.

        这个函数的实现思路是这样的，当接收到从电脑发过来的数据，把接收到的数据保存在 USART_RX_BUF 数组中，同时在接收状态寄存器 USART_RX_STA 中计数接收到的有效数据个数，当收到回车的第一个字节 0x0d 时，计数器将不再增加，等待 0x0a 的到来，而如果 0x0a 没有来到，则认为这次接收失败，重新开始下一次接收。如果顺利接收到 0x0a，则标记 USART_RX_STA 的第15位，这样完成一次接收，并等待该位被其他程序清除，从而开始下一次的接收，而如果迟迟没有收到 0x0d，那么在接收数据超过 USART_REC_LEN 的时候，则会丢弃前面的数据，重新接收。

        第48行的 #endif 配对的是代码段2的第1行 #if EN_USART1_RX。当需要使用串口接收的时候，我们只要在 里面设置 EN_USART1_RX 为1就可以了。不使用的时候，设置 EN_USART1_RX 为0即可，这样可以省出部分SRAM和FLASH，我们默认设置 EN_USART1_RX 为1，也就是开启串口接收。

5.7 源码剖析

        主程序的源码见代码清单7，请结合图22的实验效果来阅读，控制思路已在注释中交待。

图22 本实验的串口收发效果 
    

  1. 

    

    /************************************************
    

    2. 

  2. 

    

     * 代码清单7：
    

    3. 

  3. 

    

     * 项    目：串口收发测试
    

    4. 

  4. 

    

     * 任务描述：发送和接收
    

    5. 

  5. 

    

     * 实验平台：OneNET STM32开发板
    

    6. 

  6. 

    

     * 作    者：老耿
    

    7. 

  7. 

    

     * 日    期：2024/4/23
    

    8. 

  8. 

    

     ***********************************************/
    

    9. 

  9. 

    

     
    

    10. 

  10. 

    

    //-----------------------------------------------------
    

    11. 

  11. 

    

    // 必要的头文件
    

    12. 

  12. 

    

    //-----------------------------------------------------
    

    13. 

  13. 

    

    #include ""
    

    14. 

  14. 

    

    #include ""
    

    15. 

  15. 

    

    #include ""
    

    16. 

  16. 

    

    #include ""
    

    17. 

  17. 

    

     
    

    18. 

  18. 

    

    //-----------------------------------------------------
    

    19. 

  19. 

    

    // 主函数
    

    20. 

  20. 

    

    //-----------------------------------------------------
    

    21. 

  21. 

    

    int main()
    

    22. 

  22. 

    

    {
    

    23. 

  23. 

    

    	u16 time = 0;	//控制闪烁的时长

    

    24. 

  24. 

    

    	u16 len;		//存放接收的长度

    

    25. 

  25. 

    

    	u8 i;			//循环下标

    

    26. 

  26. 

    

    	
    

    27. 

  27. 

    

    	//执行必要的初始化

    

    28. 

  28. 

    

    	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);	//中断优先级分组

    

    29. 

  29. 

    

    	delay_init();		//延时初始化

    

    30. 

  30. 

    

    	Led_Init();			//LED初始化

    

    31. 

  31. 

    

    	uart_init(9600);	//初始化串口

    

    32. 

  32. 

    

    	
    

    33. 

  33. 

    

    	//上电后等待1s打印开机信息

    

    34. 

  34. 

    

    	delay_ms(1000);
    

    35. 

  35. 

    

    	printf("STM32 USART Test\r\n");
    

    36. 

  36. 

    

    	printf("LaoGeng 014428\r\n");
    

    37. 

  37. 

    

    	
    

    38. 

  38. 

    

    	//绿灯闪烁表示程序运行，

    

    39. 

  39. 

    

    	//串口等待用户发消息，若用户发来消息，则回显该消息

    

    40. 

  40. 

    

    	while(1)
    

    41. 

  41. 

    

    	{
    

    42. 

  42. 

    

    		//加到1s变一次绿灯

    

    43. 

  43. 

    

    		if(time == 100)
    

    44. 

  44. 

    

    		{
    

    45. 

  45. 

    

    			GREEN_TOG;
    

    46. 

  46. 

    

    			time = 0;	
    

    47. 

  47. 

    

    		}
    

    48. 

  48. 

    

    		
    

    49. 

  49. 

    

    		//处理接收到的消息

    

    50. 

  50. 

    

    		if(USART_RX_STA & 0x8000)			//确认接收完毕

    

    51. 

  51. 

    

    		{
    

    52. 

  52. 

    

    			len = USART_RX_STA & 0x3fff;	//取得数据长度

    

    53. 

  53. 

    

    			printf("\r\nMessages you send:\r\n");	//回显前的提示语

    

    54. 

  54. 

    

    			for(i=0; i<len; i++)
    

    55. 

  55. 

    

    			{
    

    56. 

  56. 

    

    				USART1->DR = USART_RX_BUF[i];		//收到的内容填入发送寄存器

    

    57. 

  57. 

    

    				while((USART1->SR & 0x40) == 0);	//等待发送完成

    

    58. 

  58. 

    

    			}
    

    59. 

  59. 

    

    			printf("\r\n");		//换行分隔前后消息

    

    60. 

  60. 

    

    			USART_RX_STA = 0;	//清空接收标志

    

    61. 

  61. 

    

    		}
    

    62. 

  62. 

    

    		
    

    63. 

  63. 

    

    		//每10ms累加1次

    

    64. 

  64. 

    

    		delay_ms(10);
    

    65. 

  65. 

    

    		time++;
    

    66. 

  66. 

    

    	}
    

    67. 

  67. 

    

    }
    

    68.

5.8 测试与验证

        把程序下载到麒麟座开发板中，可以看到板子上的绿色LED开始闪烁，说明程序已经在跑了。串口调试助手软件很多，我们用的是正点原子的串口调试助手XCOM，从笔者的使用体验上，这款软件的界面和中文支持不错，接下来就可以按照图22里的步骤来测试了。至此我们就完成了串口“发送”和“接收”实验，后续其他实验也将继续沿用串口功能，尤其是“打印”必要的测量数据和调试信息。

（第五部分完，共五部分）

相关文章