STM32F103 学习笔记-21-串口通信(第3节)-STM32串口初始化结构体和固件库讲解

三品吉他手会点灯2026-01-06 13:06

一、引言

采用固件库编程方式，在正式开始编程前，先来了解固件库中用于初始化串口的结构体以及相关的固件库函数。与串口通信相关的核心代码主要在 usart.c 和其头文件 usart.h 中。

二、USART初始化结构体详解

在 stm32f10x_usart.h 头文件中，可以找到两个重要的外设初始化结构体定义。编程时，我们主要通过初始化这两个结构体来完成绝大部分（约80%-90%）的配置工作。

2.1 USART_InitTypeDef结构体（异步通信配置）

这个结构体包含六个主要成员，用于配置串口的基本异步通信参数：

复制代码 
typedef struct
{
  uint32_t USART_BaudRate;            // 波特率配置
  uint16_t USART_WordLength;          // 字长配置
  uint16_t USART_StopBits;            // 停止位配置
  uint16_t USART_Parity;              // 奇偶校验配置
  uint16_t USART_Mode;                // 工作模式配置
  uint16_t USART_HardwareFlowControl; // 硬件流控制配置
} USART_InitTypeDef;

详细解析每个成员：

1. USART_BaudRate（波特率）

  • 作用：设置串口通信的传输速率

  • 原理：库函数会根据设定的波特率值（如115200），使用预定义的公式自动计算并设置波特率寄存器USART_BRR的值，无需手动计算

  • 计算公式：

    • 整数分频器 = PCLKx / (16 × 波特率)

    • 小数分频器 = (整数分频器的小数部分 × 16) + 0.5

  • 实际应用：常用波特率有9600、115200等，波特率越高传输速度越快，但抗干扰能力越差

2. USART_WordLength（字长）

  • 作用：设置每帧数据的数据位数

  • 可选值：

    • USART_WordLength_8b：8位数据（最常用）

    • USART_WordLength_9b：9位数据

  • 对应寄存器：控制寄存器CR1的M位

  • 选择建议：通常选择8位数据位，因为ASCII码和大多数数据格式都是8位的

3. USART_StopBits（停止位）

  • 作用：设置每帧数据的停止位数量

  • 可选值：

    • USART_StopBits_1：1个停止位（最常用）

    • USART_StopBits_0_5：0.5个停止位

    • USART_StopBits_2：2个停止位

    • USART_StopBits_1_5：1.5个停止位

  • 对应寄存器：控制寄存器CR2的STOP位

  • 选择建议：通常选择1个停止位，与大多数设备兼容

4. USART_Parity（奇偶校验）

  • 作用：设置奇偶校验方式，用于检测数据传输错误

  • 可选值：

    • USART_Parity_No：无校验（最常用）

    • USART_Parity_Even：偶校验

    • USART_Parity_Odd：奇校验

  • 对应寄存器：控制寄存器CR1的PCE（校验控制使能）位和PS（校验选择）位

  • 注意：当使能校验时，校验位会占用数据位中的最高位

  • 应用场景：在可靠性要求高的场合使用校验，但会降低传输效率

5. USART_Mode（工作模式）

  • 作用：设置串口的工作方向

  • 可选值：

    • USART_Mode_Tx：使能发送模式

    • USART_Mode_Rx：使能接收模式

    • 通常使用 USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx同时使能收发

  • 对应寄存器：控制寄存器CR1的TE（发送使能）位和RE（接收使能）位

  • 配置技巧：使用按位或操作同时启用收发功能

6. USART_HardwareFlowControl（硬件流控制）

  • 作用：控制RTS/CTS硬件流控制，防止数据丢失

  • 可选值：

    • USART_HardwareFlowControl_None：无流控制（最常用）

    • USART_HardwareFlowControl_RTS：仅使能RTS

    • USART_HardwareFlowControl_CTS：仅使能CTS

    • USART_HardwareFlowControl_RTS_CTS：同时使能RTS和CTS

  • 对应寄存器：控制寄存器CR3的CTSE和RTSE位

  • 应用场景：高速通信或缓冲区较小的场合使用硬件流控制

2.2 USART_ClockInitTypeDef结构体（同步时钟配置）

复制代码 
typedef struct
{
  uint16_t USART_Clock;   // 同步时钟使能控制
  uint16_t USART_CPOL;    // 时钟极性配置
  uint16_t USART_CPHA;    // 时钟相位配置
  uint16_t USART_LastBit; // 最后一位时钟脉冲控制
} USART_ClockInitTypeDef;

这个结构体主要涉及同步模式下的时钟配置。由于我们通常使用异步通信（依靠数据帧内的起始位、停止位等标识符来保证通信可靠性），因此一般不需要初始化这个结构体。

各成员说明：

  • USART_Clock：时钟使能控制，决定是否输出同步时钟

  • USART_CPOL：时钟极性，决定空闲时时钟线的电平状态（高或低）

  • USART_CPHA：时钟相位，决定在时钟的哪个边沿采样数据

  • USART_LastBit：控制最后一位数据对应的时钟脉冲是否从SCLK引脚输出

时钟极性和相位配合使用，可产生四种不同的时钟模式，类似于SPI通信中的时钟模式配置。

同步模式与异步模式的区别：

  • 异步模式：不需要时钟线，依靠起始位和停止位同步

  • 同步模式：需要额外的时钟线（SCLK）来同步数据传输

  • 应用选择：大多数串口应用使用异步模式，同步模式用于特殊场合

三、重要固件库函数详解

配置好结构体成员后，需要调用相应的库函数将参数写入寄存器。以下是编程中会重点使用的关键固件库函数：

3.1 初始化配置函数

1. USART_Init() - 串口初始化函数
复制代码 
void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct)

  • 功能：根据USART_InitTypeDef结构体的配置值初始化串口

  • 参数：

    • USARTx：选择USART外设，如USART1、USART2等

    • USART_InitStruct：指向配置好的初始化结构体指针

  • 作用：将结构体中的配置参数写入对应的硬件寄存器

  • 调用时机：在配置完结构体后调用，通常只调用一次

2. USART_StructInit() - 结构体默认值初始化
复制代码 
void USART_StructInit(USART_InitTypeDef* USART_InitStruct)

  • 功能：用默认值填充初始化结构体

  • 使用场景：先调用此函数设置默认值，再修改需要改变的成员

  • 好处：避免结构体成员出现随机值，确保所有参数都有合理默认值

3. USART_ClockInit() - 同步时钟初始化
复制代码 
void USART_ClockInit(USART_TypeDef* USARTx, USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct)

  • 功能：配置同步模式下的时钟参数

  • 注意：仅在同步通信模式下使用

  • 调用顺序：在USART_Init()之后调用

3.2 使能控制函数

4. USART_Cmd() - 串口使能函数
复制代码 
void USART_Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState)

  • 功能：使能或失能串口外设

  • 参数 ：NewState可以是 ENABLE或 DISABLE

  • 重要性：相当于控制串口工作的总开关（配置CR1寄存器的UE位）

  • 调用时机：在所有配置完成后最后调用，启用串口功能

5. USART_ITConfig() - 中断配置函数
复制代码 
void USART_ITConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT, FunctionalState NewState)

  • 功能：使能或禁用特定的串口中断源

  • 常用中断源：

    • USART_IT_RXNE：接收数据寄存器非空中断

    • USART_IT_TXE：发送数据寄存器空中断

    • USART_IT_TC：发送完成中断

  • 配置技巧：根据需要选择中断源，避免不必要的中断影响系统性能

3.3 数据收发函数

6. USART_SendData() - 数据发送函数
复制代码 
void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data)

  • 功能：向数据寄存器写入要发送的数据

  • 注意：发送前需要检查TXE标志位，确保数据寄存器为空

  • 数据范围：根据字长设置，8位模式下只使用低8位数据

7. USART_ReceiveData() - 数据接收函数
复制代码 
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx)

  • 功能：从数据寄存器读取接收到的数据

  • 注意：读取前需要检查RXNE标志位，确保数据已接收完成

  • 返回值处理：根据实际字长处理返回值，8位模式下只取低8位

3.4 状态检测函数

8. USART_GetFlagStatus() - 状态标志获取
复制代码 
FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG)

  • 功能：获取相关状态标志位（如TXE、TC、RXNE）

  • 常用标志位：

    • USART_FLAG_RXNE：接收寄存器非空

    • USART_FLAG_TXE：发送寄存器空

    • USART_FLAG_TC：发送完成

  • 应用场景：在查询方式下使用，轮询检查状态标志

9. USART_GetITStatus() - 中断状态获取
复制代码 
ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT)

  • 功能：在中断服务函数中检查具体的中断源

  • 使用场景：在中断服务函数开头调用，确定中断来源

  • 与GetFlagStatus的区别：专门用于中断上下文

10. USART_ClearITPendingBit() - 中断标志清除
复制代码 
void USART_ClearITPendingBit(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT)

  • 功能：清除中断挂起位，防止重复进入中断

  • 调用时机：在中断服务函数结束前调用

  • 重要性：不清除中断标志会导致连续进入中断

11. USART_DeInit() - 外设复位
复制代码 
void USART_DeInit(USART_TypeDef* USARTx)

  • 功能：将串口所有寄存器复位到上电初始状态

  • 使用场景：在重新配置串口或调试时使用

3.5 其他实用函数

12. USART_DMACmd() - DMA控制函数
复制代码 
void USART_DMACmd(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_DMAReq, FunctionalState NewState)

  • 功能：使能或禁用USART的DMA请求

  • 应用场景：大数据量传输时使用DMA减轻CPU负担

13. USART_ClearFlag() - 标志清除函数
复制代码 
void USART_ClearFlag(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG)

  • 功能：清除指定的状态标志位

  • 注意事项：某些标志位只能通过特定操作清除

四、典型配置示例

4.1 常用异步通信配置（8N1，115200波特率）

复制代码 
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

// 设置结构体默认值
USART_StructInit(&USART_InitStructure);

// 配置具体参数
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;                    // 波特率115200
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;      // 8位数据位
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;           // 1位停止位
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;             // 无校验
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; // 收发模式
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; // 无硬件流控制

// 应用配置
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

// 使能USART1
USART_Cmd(USART1, ENABLE);

4.2 带奇偶校验的配置示例

复制代码 
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

USART_StructInit(&USART_InitStructure);

USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_Even;           // 偶校验
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;

USART_Init(USART2, &USART_InitStructure);
USART_Cmd(USART2, ENABLE);

4.3 中断方式接收数据配置

复制代码 
// 初始化结构体（同上）
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

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

// 使能USART1
USART_Cmd(USART1, ENABLE);

// 在NVIC中配置USART1中断优先级
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

参考资料：《零死角玩转STM32》"USART串口通信"章节、STM32F10x数据手册

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