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STM32学习之旅④ USART串口和上位机通信

程序员文章站 2022-04-01 15:44:16
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目录：

一、认识其本质

（一）串口

  • 串口是串行接口 (Serial Interface)的简称，它是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信（可以直接利用电话线作为传输线），从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是：数据位的传送，按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成；成本低但传送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米；根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。

（二）协议

  • 所谓协议，就是通信双方约定好的规定，通信双方只有遵守这个规定才能够完成任务。举个栗子就是周幽王烽火戏诸侯，双方约定好以烽火为信号进行通信，但是愚蠢的周幽王为博美人褒姒一笑破坏了这个规定，最后付出的代价是惨重的。可见，通信双方只有遵守协议才能够完成通信。

（三）时序

  • 时序就是协议的实际化，它实质上是一些列的脉冲信号，通信双方将信息按照预先定好的规定（协议）转换成一系列的脉冲信号，通过总线发送给接收方，接收方再将接收到的数据按照规定进行解析，从而得到发送方发送过来的数据。

（四）上位机

  • 上位机和下位机其实是一个相对的概念，上位机指的是可以直接发出操控命令的计算机，一般指PC机，能够显示各种信号变化（液压，水位，温度等），能够将信息直接传递给人。下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是PLC/单片机single chip microcomputer/slave computer/lower computer之类的，下位机需要PC机来对其进行控制。

二、所需材料

三、USART的介绍

  • stm32有丰富的通讯外设，USART（Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter）、SPI（Serial Peripheral interface）、I2c（Inter-Integrated Circuit）、CAN（Controller Area Network），因为stm32有完整的且强大的固件库，这使得配置串口的难度大大降低了，和用软件IO口模拟通信时序相比，硬件的支持可以大大提高通信的速率、大大降低出错的概率，从而提高了通信的质量和效率。用IO口模拟USART难度较大，它对延时要求比较苛刻，且出错的概率较大，所以一般很少用IO口模拟USART。IO口模拟I2c比较常见，由于I2c的最高通信速度只有3.4M/s，单片机的IO口速度可以完美驾驭。由于SPI多用于一些较高速的通信，例如LCD、OLED、TFT显示器的写入，EEPROM (Electrically Erasable Programmable read only memory)的写入和读取，用IO口模拟效果不是很理想，所以建议使用硬件自带接口。

  • 关于USART，以下是官方的介绍
    STM32学习之旅④ USART串口和上位机通信

四、USART串口的配置

  • 先来看一下stm32的系统结构

STM32学习之旅④ USART串口和上位机通信

  • 通过对stm32几个模块的操作，我们可以发现stm32外设配置的一些基本套路：打开相应的时钟->配置相应的引脚功能->声明对应的结构体->利用相应的Init函数进行初始化

  • 打开打开USATT1、GPIOA、AFIO的时钟

void usart_config()
{
    /*打开USATT1、GPIOA、AFIO的时钟*/
    RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_USART1 \
    | RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

    /*配置对应的串口引脚*/
    usart_release_gpio_init();

    /*配置串口中断*/
    usart_para_config();

    USART_ClearFlag(USART1,USART_FLAG_TC); //清除发送完成标志位
    NVIC_Config();                         //初始化NVIO
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);             //使能串口1
}
  • 配置相应的IO口，将其设为复用推挽输出和浮空输入
void usart_release_gpio_init()
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

    /*配置PA9为复用推外输出*/
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    /*配置PA10为浮空输入*/
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;

    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

  • 配置NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller），即内嵌向量中断控制器，它是用来配置中断抢占优先级和从优先级（响应优先级）的

  • 关于抢占优先级和响应优先级区别:

    1. 高优先级的抢占优先级是可以打断正在进行的低抢占优先级中断的。

    2. 抢占优先级相同的中断，高响应优先级不可以打断低响应优先级的中断。

    3. 抢占优先级相同的中断，当两个中断同时发生的情况下，哪个响应优先级高，哪个先执行。

    4. 如果两个中断的抢占优先级和响应优先级都是一样的话，则看哪个中断先发生就先执行；

void NVIC_Config(void)
{
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; //NVIC 初始化结构体声明

    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn; //设置串口1 中断
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; //抢占优先级0
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; //子优先级为0
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //使能

    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}
  • 配置串口协议
void usart_para_config(void)
{
    USART_InitTypeDef USART_InitStruct;

    USART_InitStruct.USART_BaudRate = 115200;
    USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
    USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//8
    USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;        //N
    USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;     //1

    USART_Init(USART1, &USART_InitStruct);

    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE); //使能接收中断
}

五、发送函数

（一）单字节发送

  • 在main函数中调用USART_SendData(USART1, 0x08);这个函数就能够完成单字节的发送了
#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
#include "timer.h"
#include "usart.h"
int main()
{
    SystemInit();                //初始化系统，系统时钟设定为72MHz
    systick_init(72);            //配置systick，中断时间设置为72000/72000000 = 1us
    usart_config();
    while(1)
    {
        USART_SendData(USART1, 0x08);
        delay_ms(100);
    }
}
  • 打开串口助手就能够看到串口发来的数据了

STM32学习之旅④ USART串口和上位机通信

（二）数据流发送

  • 数据流简单来说就是一串连续的信息序列，一串序列中有若干个字节，每个字节分别对应着通信双方预先约定好的数据含义，例如第一位代表地址、第二位代表数据流向、最后一位代表结束标志、其余位代表数据。数据流的长度可长可短，由通信双方确定，但通信的过程中不能够变化。
  • 定义一个协议栈
typedef struct
{
    u8 head;
    u8 tail;
    u8 direction;
    u8 data[4];
}send_stack;
send_stack tx_stack;
void tx_stack_init()
{
    tx_stack.head = 0xaa;     //协议栈头，起始位，1010 1010b
    tx_stack.direction = 0x09;//数据流方向，0x09表示从单片机发出
    memset(tx_stack.data, 0, sizeof(tx_stack.data));//把tx_stack.data[]全部初始化为零
    tx_stack.tail = 0xdd;     //协议栈尾，结束位，1101 1101b，栈头和栈尾最好能互补
}
  • 将协议栈内的数据依次发出
void usart_senddata()
{
    u8 i;
    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    USART_SendData(USART1, tx_stack.head);
    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    USART_SendData(USART1, tx_stack.direction);
    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    for(i = 0; i < 4; i++)
    {
        USART_SendData(USART1, tx_stack.data[i]);
        while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    }
    USART_SendData(USART1, tx_stack.tail);
    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}
  • 打开串口助手可以看到串口发来的数据流

STM32学习之旅④ USART串口和上位机通信

六、接收函数

  • 接收函数和发送函数类似，先定义接收协议栈
typedef struct
{
    u8 head;
    u8 tail;
    u8 direction;
    u8 data[4];
    u8 lock_flag;
    u8 data_pt;
}receive_stack;
receive_stack rx_stack;
void rx_stack_init()
{
    rx_stack.head = 0x00;         //协议栈头，起始位
    rx_stack.direction = 0x00;    //数据流方向，0x09表示从单片机发出
    memset(rx_stack.data, 0, sizeof(rx_stack.data));//把tx_stack.data[]全部初始化为零
    rx_stack.tail = 0x00;         //协议栈尾，结束位
    rx_stack.data_pt = 0x00;
    rx_stack.lock_flag = UNLOCK;
}
  • 接收数据需要借助中断来完成
void USART1_IRQHandler(void)
{
    u8 receive_data;
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) //判断读寄存器是否非空
    {
        receive_data = USART_ReceiveData(USART1);         //接收单个字节的串口数据
        if(rx_stack.lock_flag == UNLOCK)                   //如果接收协议栈未锁柱
        {
            if(receive_data == 0xaa)
            {
                rx_stack.head = receive_data;
            }
            else if(receive_data == 0xf9)
            {
                rx_stack.direction = receive_data;
            }
            else if(receive_data == 0xdd)
            {
                rx_stack.tail = receive_data;
                if(rx_stack.data_pt >= 4)// && (rx_stack.tail == 0xdd))
                {
                    rx_stack.data_pt = 0;
                    rx_stack.lock_flag = LOCK;
                }
            }
            else
            {
                rx_stack.data[rx_stack.data_pt] = receive_data;
                rx_stack.data_pt++;
                if(rx_stack.data_pt > 4)// && (rx_stack.tail == 0xdd))
                {
                    rx_stack.data_pt = 0;
                    rx_stack.lock_flag = LOCK;
                }
            }
        }
        USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);//清除接受中断标志
    }
}
  • 将接收到的数据流进行解析，用灯的亮灭将控制命令现实化
void ptr_handle(u8 *stack)
{
    u8 *stack_pt;
    stack_pt = stack;
    if(*stack_pt == 0xff)
    {
        key0.key_change_bit = CHGE_IN;
        if((key0.led_on_off % 2) == 1)
        {

        }
        else
        {
            key0.led_on_off = key0.led_on_off >=3 ? 0 : key0.led_on_off + 1;
        }
    }
    else
    {
        key0.key_change_bit = CHGE_IN;
        if((key0.led_on_off % 2) == 1)
        {
            key0.led_on_off = key0.led_on_off >=3 ? 0 : key0.led_on_off + 1;
        }
        else
        {

        }
    }
    stack_pt ++;
    if(*stack_pt == 0xff)
    {
        key1.key_change_bit = CHGE_IN;
        if((key1.led_on_off % 2) == 1)
        {

        }
        else
        {
            key1.led_on_off = key1.led_on_off >=3 ? 0 : key1.led_on_off + 1;
        }
    }
    else
    {
        key1.key_change_bit = CHGE_IN;
        if((key1.led_on_off % 2) == 1)
        {
            key1.led_on_off = key1.led_on_off >=3 ? 0 : key1.led_on_off + 1;
        }
        else
        {

        }
    }
    stack_pt ++;
    if(*stack_pt == 0xff)
    {
        key2.key_change_bit = CHGE_IN;
        if((key2.led_on_off % 2) == 1)
        {

        }
        else
        {
            key2.led_on_off = key2.led_on_off >=3 ? 0 : key2.led_on_off + 1;
        }
    }
    else
    {
        key2.key_change_bit = CHGE_IN;
        if((key2.led_on_off % 2) == 1)
        {
            key2.led_on_off = key2.led_on_off >=3 ? 0 : key2.led_on_off + 1;
        }
        else
        {

        }
    }
    stack_pt ++;
    if(*stack_pt == 0xff)
    {
        key3.key_change_bit = CHGE_IN;
        if((key3.led_on_off % 2) == 1)
        {

        }
        else
        {
            key3.led_on_off = key3.led_on_off >=3 ? 0 : key3.led_on_off + 1;
        }
    }
    else
    {
        key3.key_change_bit = CHGE_IN;
        if((key3.led_on_off % 2) == 1)
        {
            key3.led_on_off = key3.led_on_off >=3 ? 0 : key3.led_on_off + 1;
        }
        else
        {

        }
    }
    rx_stack.lock_flag = UNLOCK;
}
  • 主函数要做的，就是循环判断是否有灯的状态需要改变，每次接收到上位机发来的命令后把当前的状态发送到上位机
#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
#include "timer.h"
#include "gpio_config.h"
#include "usart.h"
int main()
{
    SystemInit();                //初始化系统，系统时钟设定为72MHz
    systick_init(72);            //配置systick，中断时间设置为72000/72000000 = 1us
    led_gpio_init();
    usart_config();
    tx_stack_init();
    while(1)
    {
        if (key0.key_change_bit == CHGE_IN)
        {
            if((key0.led_on_off % 2) == 1)
            {
                LED0_ON;                      //打开LED0
                tx_stack.data[0] = 0xff;
            }
            else
            {
                LED0_OFF;                     //关闭LED0
                tx_stack.data[0] = 0x00;
            }
            key0.key_change_bit = NO_CHGE;
        }
        if (key1.key_change_bit == CHGE_IN)
        {
            if((key1.led_on_off % 2) == 1)
            {
                LED1_ON;                      //打开LED1
                tx_stack.data[1] = 0xff;
            }
            else
            {
                LED1_OFF;                     //关闭LED1
                tx_stack.data[1] = 0x00;
            }
            key1.key_change_bit = NO_CHGE;
        }
        if (key2.key_change_bit == CHGE_IN)
        {
            if((key2.led_on_off % 2) == 1)
            {
                LED2_ON;                      //打开LED2
                tx_stack.data[2] = 0xff;
            }
            else
            {
                LED2_OFF;                     //关闭LED2
                tx_stack.data[2] = 0x00;
            }
            key2.key_change_bit = NO_CHGE;
        }
        if (key3.key_change_bit == CHGE_IN)
        {
            if((key3.led_on_off % 2) == 1)
            {
                LED3_ON;                      //打开LED3
                tx_stack.data[3] = 0xff;
            }
            else
            {
                LED3_OFF;                     //关闭LED3
                tx_stack.data[3] = 0x00;
            }
            key3.key_change_bit = NO_CHGE;
            usart_senddata();
        }
        if(rx_stack.lock_flag == LOCK)
        {
            ptr_handle(rx_stack.data);       //运行协议解析函数
        }
    }
}

七、串口打印，重定向printf函数

  • 使用printf函数，需要包含其头文件stdio.h，即标准输入输出头文件，std是standard的缩写，是标准的意思；i是input，输入；o是output，输出；h是head，头，头文件的意思。
    STM32学习之旅④ USART串口和上位机通信

  • 然后在usart,c中编写字符写入函数，将格式化后的字符串依次写入到发送总线上

int fputc(int ch, FILE *f)
{
    while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)==RESET)
    {
    }
    USART_SendData(USART1, (uint8_t) ch);
    return ch;
}
  • 在主函数中调用printf函数，实现格式化输出
#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
#include "timer.h"
#include "usart.h"
int main()
{
    SystemInit();                //初始化系统，系统时钟设定为72MHz
    systick_init(72);            //配置systick，中断时间设置为72000/72000000 = 1us
    led_gpio_init();
    usart_config();
    tx_stack_init();
    while(1)
    {
        printf("Hello World!\n%d\n\n", 12345);
        delay_ms(100);
    }
}

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