stm32——UART和USART

串口通信协议UART和USART

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1. UART与USART协议详解

特性	UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)	USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver/Transmitter)
全称	通用异步收发器	通用同步/异步收发器
同步/异步	异步：不共享时钟，数据通过起始位和停止位同步。	同步和异步 ：<br/>- 异步模式 ：与UART相同，不共享时钟。<br/>- 同步模式：共享时钟信号，适用于需要更高数据传输速率和更严格时序的场景，例如SPI、I2S等。
时钟	无独立时钟线，发送端和接收端各自使用内部时钟，通过波特率匹配实现通信。	异步模式下无独立时钟线。同步模式下有独立时钟线（CK引脚）。
数据传输	串行全双工，通过TX和RX引脚进行数据传输。	串行全双工，通过TX和、RX、CK（同步时钟）、NSS（从设备选择）引脚进行数据传输。
数据帧	起始位 + 数据位 (5-9位) + 奇偶校验位 (可选) + 停止位 (1或2位)	异步模式下与UART相同。同步模式下数据帧结构更灵活，通常没有起始位和停止位，数据传输由时钟控制。
数据速率	相对较低，受波特率匹配和晶振精度限制。	同步模式下可实现更高的数据速率。
应用场景	简单设备通信（如与PC串口通信、蓝牙模块、GPS模块、GSM模块等）	需要高速、高精度数据传输的场景（如与外部ADC、DAC、EEPROM、其他MCU等）
STM32支持	大多数STM32微控制器都集成了多个UART接口。	大多数STM32微控制器都集成了多个USART接口。
流控制	硬件流控制 (CTS/RTS) 可选支持。	硬件流控制 (CTS/RTS) 可选支持。

1.1 UART与USART的工作原理

UART (异步模式)

• 数据帧结构 :
  • 空闲态: 线路处于高电平。
  • 起始位 (Start Bit): 由高电平跳变为低电平，持续一个位周期，标志着数据传输的开始。
  • 数据位 (Data Bits): 通常为5到9位，低位在前，高位在后。
  • 奇偶校验位 (Parity Bit - 可选): 用于检测数据传输过程中的错误。根据数据位中1的数量，奇校验使1的数量为奇数，偶校验使1的数量为偶数。
  • 停止位 (Stop Bit): 高电平，通常为1位或2位，标志着数据帧的结束。
  • 空闲态: 线路再次回到高电平。
• 同步方式: 发送端和接收端通过预设的波特率进行通信。接收端根据起始位检测到数据传输开始，然后按照波特率的节拍依次采样数据位和停止位。两者的波特率必须尽可能接近，否则可能导致数据错误。

USART (同步模式)

• 时钟同步: 在同步模式下，发送端和接收端共享一个时钟信号（CK引脚）。发送端在时钟的上升沿或下降沿输出数据，接收端在对应的时钟沿采样数据。这确保了数据传输的严格同步性，从而实现更高的传输速率和更可靠的数据传输。
• 应用: 常常用于与需要外部时钟的设备进行通信，例如SPI、I2S协议的底层实现。STM32的USART模块可以配置为同步主模式或从模式。

2. STM32中UART/USART开发流程

在STM32中开发UART/USART通信通常涉及以下几个步骤。我们将以STM32CubeMX和HAL库为例进行详细讲解。

2.1 硬件连接

确保你的STM32开发板与外部设备（如PC的USB转串口模块、其他MCU、蓝牙模块等）正确连接。

• STM32 TX 引脚连接到 外部设备 RX 引脚。
• STM32 RX 引脚连接到 外部设备 TX 引脚。
• GND 连接到 GND。
• 如果使用硬件流控制，还需要连接 RTS 和 CTS 引脚。

2.2 STM32CubeMX配置

STM32CubeMX是一款强大的图形化工具，可以帮助我们快速配置STM32微控制器，生成初始化代码。

1. 新建工程: 打开STM32CubeMX，选择"New Project"，选择你的STM32型号。
2. 配置时钟: 在"System Core" -> "RCC"中，配置高速外部晶振（HSE）或内部高速时钟（HSI）。然后到"Clock Configuration"页面，配置系统时钟树，确保外设时钟（APB1/APB2）满足UART/USART需求。
3. 配置UART/USART
   • 在"Connectivity"分类下，选择需要使用的UART/USART外设（例如：USART1）。
   • 在配置界面中，将"Mode"设置为"Asynchronous"（异步模式，即UART功能）或"Synchronous"（同步模式，即USART功能）。
   • 异步模式（UART）配置
     • Baud Rate (波特率): 设置通信速率，例如：115200 bps。
     • Word Length (数据位): 8 Bits或9 Bits。
     • Parity (奇偶校验): None（无）、Even（偶校验）或Odd（奇校验）。
     • Stop Bits (停止位): 1 Bit或2 Bits。
     • Data Direction (数据方向): Receive and Transmit。
     • Hardware Flow Control (硬件流控制): None（无）、RTS/CTS。
   • 同步模式（USART）配置
     • 除了上述异步模式的配置外，还需要配置"Clock Polarity"和"Clock Phase"，这对于同步通信至关重要，需要与外部设备的设置相匹配。
     • 通常还需要配置"NSS Signal"为"Hardware NSS Output"或"Software NSS"。
   • GPIO设置: CubeMX会自动为UART/USART配置相应的TX和RX引脚。
4. 配置中断: 如果需要使用中断接收或发送数据，在"NVIC Settings"选项卡中，勾选对应UART/USART中断的"Enabled"复选框。
5. 生成代码: 点击"Project"->"Generate Code"生成工程文件。选择你的IDE（MDK-ARM、TrueSTUDIO等）。

2.3 编写应用程序代码

生成代码后，在你的IDE中打开工程。主要的工作将在main.c文件和其他相关文件中完成。

2.3.1 初始化 (由CubeMX生成)

CubeMX会生成UART/USART的初始化代码，通常在main.c中的MX_USARTx_UART_Init()或MX_USARTx_Init()函数中。

// 示例：USART1初始化代码片段 (由CubeMX生成)
UART_HandleTypeDef huart1;

void MX_USART1_UART_Init(void)
{
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

2.3.2 数据发送

HAL库提供了多种数据发送方式：

• 轮询发送 (阻塞式): 简单易用，但会阻塞CPU直到发送完成。

  char tx_data[] = "Hello, STM32 UART!\r\n";
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)tx_data, strlen(tx_data), HAL_MAX_DELAY);

  • &huart1: UART句柄。
  • (uint8_t*)tx_data: 要发送的数据的指针。
  • strlen(tx_data): 要发送的数据的长度。
  • HAL_MAX_DELAY: 超时时间，HAL_MAX_DELAY表示一直等待直到发送完成。

• 中断发送 (非阻塞式): 在后台发送数据，发送完成后会触发中断。

  char tx_data[] = "Hello, Interrupt!\r\n";
  HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, (uint8_t*)tx_data, strlen(tx_data));
  // 发送完成后会调用HAL_UART_TxCpltCallback()回调函数

• DMA发送 (非阻塞式): 效率最高，适用于大量数据传输，DMA控制器在后台完成数据传输，CPU可以执行其他任务。

  char tx_data[] = "Hello, DMA!\r\n";
  HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, (uint8_t*)tx_data, strlen(tx_data));
  // 发送完成后会调用HAL_UART_TxCpltCallback()回调函数

2.3.3 数据接收

HAL库也提供了多种数据接收方式：

• 轮询接收 (阻塞式): 等待接收到指定长度的数据后返回。

  uint8_t rx_buffer[20];
  HAL_UART_Receive(&huart1, rx_buffer, sizeof(rx_buffer), HAL_MAX_DELAY);
  // 接收到20字节数据后继续执行

• 中断接收 (非阻塞式): 接收到1个字节或指定长度的数据后会触发中断，可以在中断回调函数中处理数据。

  uint8_t rx_byte;
  // 启动一个字节的中断接收
  HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_byte, 1);
  // 在HAL_UART_RxCpltCallback()中处理接收到的字节，并再次启动接收

  在stm32f1xx_it.c中（或其他中断服务文件）会调用HAL库的回调函数：

  void USART1_IRQHandler(void)
  {
    HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
  }

  在main.c（或其他自定义文件）中重写接收完成回调函数：

  uint8_t rx_buffer[BUFFER_SIZE];
  uint16_t rx_index = 0; // 接收数据索引
  
  void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
  {
    if (huart->Instance == USART1)
    {
      // 接收到1个字节，将其存储到缓冲区
      rx_buffer[rx_index++] = huart->RxXferData[0]; // 获取接收到的字节
      if (rx_index >= BUFFER_SIZE)
      {
        rx_index = 0; // 缓冲区满，重置索引或进行处理
      }
      // 重新启动单字节接收，以便接收下一个字节
      HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t*)&huart1.RxXferData[0], 1);
    }
  }

  • 注意: 对于中断接收，通常的做法是每次接收一个字节，然后在回调函数中处理接收到的字节，并再次启动单字节接收，以实现连续接收。

• DMA接收 (非阻塞式): 最推荐的方式，将接收到的数据直接传输到内存缓冲区，大大减轻CPU负担。

  uint8_t rx_buffer[BUFFER_SIZE];
  HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rx_buffer, BUFFER_SIZE);
  // 接收到BUFFER_SIZE长度的数据后会调用HAL_UART_RxCpltCallback()回调函数

  与中断接收类似，需要重写HAL_UART_RxCpltCallback()来处理接收到的数据。

2.4 编译和烧录

完成代码编写后，编译工程并将其烧录到STM32微控制器中。

2.5 调试和测试

• 使用串口调试助手: 在PC上打开串口调试助手（如XCOM、Putty、SecureCRT等），配置与STM32相同的波特率、数据位、停止位和奇偶校验。
• 发送/接收数据: 在PC端发送数据到STM32，观察STM32是否正确接收并处理。在STM32端发送数据，观察PC端是否正确显示。
• 调试工具: 使用STM32的SWD/JTAG调试器（如ST-Link），可以在IDE中进行单步调试、设置断点、查看变量值等，以便找出问题。

3. 常见问题与优化

• 波特率不匹配: 这是最常见的问题。确保发送端和接收端的波特率完全一致。
• 引脚连接错误: 检查TX和RX引脚是否交叉连接。
• 时钟配置错误: 确保UART/USART外设的时钟频率配置正确，影响波特率的计算。
• 缓冲区溢出: 在使用中断或DMA接收时，如果没有及时处理接收到的数据，可能会导致缓冲区溢出。需要合理设计缓冲区大小和数据处理逻辑。
• 噪声干扰: 在复杂的电磁环境下，通信线路可能受到噪声干扰，导致数据错误。可以考虑使用屏蔽线、差分信号传输或增加奇偶校验来提高鲁棒性。
• 中断优先级: 如果同时使用多个中断，需要合理设置中断优先级，避免中断嵌套问题。
• 空闲帧检测: UART通常会检测到接收线路上的空闲帧（长时间高电平）来判断数据传输是否结束。
• 错误处理: 在实际应用中，需要考虑接收错误（帧错误、奇偶校验错误、溢出错误等），并在代码中添加相应的错误处理机制。