一、什么是串口通信

串口通信是指外部設備與主控芯片之間，通過數據信號線、地線等，按位進行數據傳輸的一種通信方式，屬于串行通信方式。串行通信是指使用一條數據線依次逐位傳輸數據，每一位數據占據固定長度的時間。可以看一下簡單的串行通信示意圖。

串口通信示意圖

二、串口通信有什么用

這里簡單列舉一下串口通信的用途

? 下載程序
? 外設與單片機通信單片機給外設發送一些指令或者配置信息，外設給單片機回傳一些信息。
? 打印信息比如將ADC采集到的電壓發送給上位機的串口調試助手，或者實時監測某一個變量的變化。
三、STM32的串口通信
普中核心板上使用的STM32F103ZET6有三個USART，兩個UART，他們都支持串口通信功能。USART（通用同步異步收發器）與UART（通用異步收發器）相比，多了一個同步功能，可以認為USART是UART的增強型。
四、串口通信相關概念
44.1 波特率
引用專業的說法，波特率表示單位時間內傳送的碼元符號的個數，它是對符號傳輸速率的一種度量。其實意思就是波特率表示1s內傳輸碼元的個數。在單片機中數字都是二進制的01表示的，所以波特率可以說是1s內傳輸01的個數。常見的波特率有38400、9600和115200等。

波特率通常由波特率發生器產生，串口要想實現收發首先要有波特率發生器，網上介紹波特率發生器的作用是輸入時鐘轉換出需要的波特率CLK。個人理解，波特率發生器就是提供一個時鐘，這樣才能發送出正確波特率的信息，比如1和0需要多久的高/低電平表示。

在串口通信時如果收發雙方波特率不相同會導致通信失敗，要么是接收不到，要么是接收到的是亂碼。

4.2 全雙工和半雙工

? 全雙工可以簡單解釋為，我在接收消息的同時，你也可以發送消息。
? 半雙工可以簡單解釋為，我在接收消息時，沒辦法發送消息。類似于對講機，你說話時占用了信道，對方無法跟你講話，只有當你說完了，他才可以對你講話。

4.3 同步通信和異步通信

同步通信和異步通信的區別在于通信雙方是否需要時鐘同步。同步通信的接收雙方之間除了需要數據線之外，還需要一根時鐘線，而異步通信不需要。關于二者的詳細定義與區別，請大家自行搜索。

五、硬件連接

串口通信只需幾條線即可在兩個系統間交換信息，特別適用于計算機與計算機、計算機與外設之間的通信，常用的串口通信接口標準有很多，比如RS-232C、RS-232、RS-485等。但是放在單片機開發里，最簡單的串口通信就是用四根線VCC、GND、TXD和RXD實現通信。

串口通信硬件連接示意圖

普中核心板上常用的是USART1，其引腳對應如下

? TXD——PA9
? RXD——PA10
六、串口通信程序配置
下面以配置USART1為例，來簡單展示一下USART的配置方法。
66.1 使能串口時鐘和GPIO時鐘

// 使能USART1，GPIOA時鐘
RCC_APB2PeriphClockCmd (RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

6.2 初始化GPIO

初始化USART1用到的GPIO。TXD引腳設置為復用推挽式輸出，RXD引腳設置為輸入浮空。

// USART1_TX   GPIOA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;   // PA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;   // 復用推挽輸出
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);   // 初始化GPIOA.9

    // USART1_RX   GPIOA.10初始化
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;   // PA10
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;   // 輸入浮空
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);   // 初始化GPIOA.10

6.3 初始化串口參數

庫函數提供了一個結構體，用于初始化串口。其中包括

USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    
    // USART 初始化設置
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;   // 串口波特率
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;   // 字長為8位數據格式
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;   // 一個停止位
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;   // 無奇偶校驗位
    // 無硬件數據流控制
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;   // 收發模式
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);   // 初始化串口1

6.4 使能串口

USART_Cmd(USART1, ENABLE);   // 使能串口1

6.5 串口接收中斷

平時開發過程中經常需要開啟串口接收中斷，配置串口接收中斷的方法與上一篇的外部中斷有些類似，主要包括以下步驟

? 配置中斷分組（通常在main函數中初始化中配置）
? 設置中斷優先級
? 使能中斷

配置中斷優先級

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    // Usart1 NVIC 配置
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;   // 搶占優先級3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;   // 子優先級3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   // IRQ通道使能
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);   // 根據指定的參數初始化VIC寄存器

使能串口接收中斷

USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);   // 開啟串口接收中斷

6.6 串口接收中斷服務函數

通常接收到的數據會是一幀，很少是一個單獨的字符，這里給出一個接收一幀數據的串口中斷服務函數。需要注意的是，在初始化串口時，需要使能空閑中斷。

使能空閑中斷的程序如下

USART_ITConfig(USART1, USART_IT_IDLE, ENABLE);   // 使能空閑中斷

/*
 *==============================================================================
 *函數名稱：USART1_IRQHandler
 *函數功能：USART1中斷服務函數
 *輸入參數：無
 *返回值：無
 *備  注：無
 *==============================================================================
 */
u32 gReceCount = 0;   // 接收計數變量
u32 gClearCount = 0;   // 清空接收數組計數變量
u8 gReceFifo[1500];   // 接收數組
u8 gReceEndFlag = 0;   // 接收完成標志位 

void USART1_IRQHandler(void)  
{
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)   //接收到一個字節  
    {
        gReceFifo[gReceCount++] = USART_ReceiveData(USART1);
    }
    else if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_IDLE) != RESET)   //接收到一幀數據
    {
        USART1- >SR;   // 先讀SR
        USART1- >DR;   // 再讀DR
        
        gReceEndFlag = 1;   // 接收完成標志置1 
    } 
}

接收完成后，接收完成標志位會置1。此時，對接收到的幀進行解析處理。解析完成后需要清除接收數組，同時，不要忘記清除接收完成標志位。

/*
 *==============================================================================
 *函數名稱：Uart_Rece_Pares
 *函數功能：解析串口接收內容
 *輸入參數：無
 *返回值：無
 *備  注：無
 *==============================================================================
 */
void Uart_Rece_Pares(void)   // 串口接收內容解析函數
{
    if (gReceEndFlag  == 1)   // 如果接收完成
    {
        // 解析接收內容
        
        // 清空接收數組
        for (gClearCount = 0;gClearCount < gReceCount;gClearCount ++)
        {
            gReceFifo[gClearCount] = ' ';
        }
            
        gReceEndFlag = 0;   // 清除接收完成標志位
        gReceCount = 0;   // 清零接收計數變量
    }
}

6.7 串口發送函數

//串口發送函數
void USART1_Send(u8*str)
{
    u8 index=0;
    do
    {
        USART_SendData(USART1,str[index++]);
        while(USART1,str[index++]);
        while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) == RESET);
    }
    while(str[index]!=0);
}

其實這里最根本的USART_SendData()本質就是將數據搬運到串口發送的寄存器。當然除了直接用發送函數發送，也可以直接重定向之后用printf發送，這里就不詳細介紹了，有需要的友友可以直接去看普中或者正點的教程視頻。

七、拓展

7.1 printf重定向

關于重定向的概念這里就不再做介紹了，重定向之后就可以在程序中使用printf直接打印或者發送字符串，不再需要串口發送函數。重定向的方法就是在串口的.c文件中添加下面的程序

// 加入以下函數可以使用printf
#pragma import(__use_no_semihosting)             
// 標準庫需要的支持函數                 
struct __FILE 
{ 
    int handle; 
}; 

FILE __stdout;       
//定義_sys_exit()以避免使用半主機模式    
void _sys_exit(int x) 
{ 
    x = x; 
} 
//重定義fputc函數 
int fputc(int ch, FILE *f)
{      
    while((USART1- >SR&0X40)==0);//循環發送,直到發送完畢   
    USART1- >DR = (u8) ch;      
    return ch;
}

7.2 接收幀解析

這里的接收幀解析比較簡單，比如有些項目要求接收到某些特定字符執行某些操作。這時需要根據接收幀的長度和固定位置的字符來解析命令。

比如項目要求上位機（電腦）發送“BEEP ON”時，蜂鳴器響。這時在解析時只要接收到長度為6，第5和第6個字符分別為“O”，“N”時，開啟蜂鳴器即可。

// 解析接收內容
if (gReceCount == 6 && gReceFifo[5] == 'O' && gReceFifo[6] == 'N')
{
   // 開啟蜂鳴器
}

當然上面的只是粗略的卡命令，也可以寫的更詳細。

八、實戰項目

8.1 前期準備

? CH340驅動
? USB轉TTL，用于單片機與電腦的通信
? 串口調試助手

剛買來的普中核心板，不拔短接片的話可以直接通過USB下載程序，或者與電腦進行串口通信，串口為USART1。注意一定要插圖中標出來的USB接口，另一個只能用來供電。

串口通信跳線帽連接

8.2 項目要求

? 單片機上電發送“Sys Ready!”
? 電腦串口助手發送“LED1 ON”（帶回車換行），LED1點亮，同時單片機回復“OK!”
? 電腦串口助手發送“LED1 OFF”（帶回車換行），LED2熄滅，同時單片機回復“OK!”
88.3 串口程序
8.3.1 初始化串口
首先是串口初始化程序，需要開啟接收中斷和空閑中斷。

/*
 *==============================================================================
 *函數名稱：uart_init
 *函數功能：初始化USART1
 *輸入參數：bound：波特率
 *返回值：無
 *備  注：可以修改成輸入初始化哪個USART
 *==============================================================================
 */
void uart_init(u32 bound)
{
    // 相關結構體定義
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    // 使能USART1，GPIOA時鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd (RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); 

    // USART1_TX   GPIOA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;   // PA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;   // 復用推挽輸出
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);   // 初始化GPIOA.9

    // USART1_RX   GPIOA.10初始化
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;   // PA10
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;   // 浮空輸入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);   // 初始化GPIOA.10  

    // Usart1 NVIC 配置
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;   // 搶占優先級3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;   // 子優先級3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   // IRQ通道使能
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);   // 根據指定的參數初始化VIC寄存器

    // USART 初始化設置
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;   // 串口波特率
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;   // 字長為8位數據格式
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;   // 一個停止位
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;   // 無奇偶校驗位
    // 無硬件數據流控制
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;   // 收發模式
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);   // 初始化串口1
  
  USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);   // 開啟串口接收中斷
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_IDLE, ENABLE);   // 使能空閑中斷
    
  USART_Cmd(USART1, ENABLE);   // 使能串口1 
}

其次需要加上重定向函數，直接復制上面的即可。

8.3.2 串口接收中斷服務函數

/*
 *==============================================================================
 *函數名稱：USART1_IRQHandler
 *函數功能：USART1中斷服務函數
 *輸入參數：無
 *返回值：無
 *備  注：無
 *==============================================================================
 */
u32 gReceCount = 0;   // 接收計數變量
u32 gClearCount = 0;   // 清空接收數組計數變量
u8 gReceFifo[1500];   // 接收數組
u8 gReceEndFlag = 0;   // 接收完成標志位 

void USART1_IRQHandler(void)  
{
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)   //接收到一個字節  
    {
        gReceFifo[gReceCount++] = USART_ReceiveData(USART1);
    }
    else if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_IDLE) != RESET)   //接收到一幀數據
    {
        USART1- >SR;   // 先讀SR
        USART1- >DR;   // 再讀DR
        
        gReceEndFlag = 1;   // 接收完成標志置1 
    } 
}

8.3.3 接收幀解析函數

/*
 *==============================================================================
 *函數名稱：Uart_Rece_Pares
 *函數功能：解析串口接收內容
 *輸入參數：無
 *返回值：無
 *備  注：無
 *==============================================================================
 */
void Uart_Rece_Pares(void)   // 串口接收內容解析函數
{
    if (gReceEndFlag  == 1)   // 如果接收完成
    {
        // 解析接收內容
        if (gReceFifo[6] == 'N')
        {
            Med_Led_StateCtrl (LED1,LED_ON);   // 點亮LED1
            printf ("OK!rn");
        }
        
        if (gReceFifo[6] == 'F' && gReceFifo[7] == 'F')
        {
            Med_Led_StateCtrl (LED1,LED_OFF);   // 熄滅LED1
            printf ("OK!rn");
        }
        
        // 清空接收數組
        for (gClearCount = 0;gClearCount < gReceCount;gClearCount ++)
        {
            gReceFifo[gClearCount] = ' ';
        }
            
        gReceEndFlag = 0;   // 清除接收完成標志位
        gReceCount = 0;   // 清零接收計數變量
    }
}

8.3.3 main函數

int main(void)
{
    Med_Mcu_Iint();   // 系統初始化
    printf ("Sys Ready!rn");
    
    while(1)
  {
        Uart_Rece_Pares ();   // 接收幀解析
    }
}

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