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STM32F407串口USART配置详细教程 附源程序

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楼主
ID:763998 发表于 2020-6-19 15:49 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

USART的概述

2.1.1 什么是USART？USART的作用？

              USART：通用同步异步收发器。

              USART的作用：能够灵活地与外部设备进行全双工数据交换

2.1.2 USART的特征

<1> 全双工异步通信

<2> 可配置为 16 倍过采样或 8 倍过采样

<3> 小数波特率发生器系统

<4> 数据字长度可编程（ 8 位或 9 位）

<5> 停止位可配置 - 支持 1 或 2 个停止位

<6> 发送器和接收器具有单独使能位

<7>传输检测标志：

— 接收缓冲区已满

— 发送缓冲区为空

— 传输结束标志

<8>十个具有标志位的中断源：

— CTS 变化

— LIN 停止符号检测

— 发送数据寄存器为空

— 发送完成

— 接收数据寄存器已满

— 接收到线路空闲

— 溢出错误

— 帧错误

— 噪声错误

— 奇偶校验错误




      • USART功能描述

任何USART双向通信均需要至少两个引脚：

接收数据输入引脚 (RX)

发送数据引脚输出 (TX)

              正常 USART 模式下

                            发送或接收前保持空闲线路

                            起始位

                            数据（字长 8 位或 9 位），最低有效位在前

                            用于指示帧传输已完成的 0.5 个、 1 个、 1.5 个、 2 个停止位

              TX引脚在起始位工作期间处于低电平状态。在停止位工作期间处于高电平状态。

2.2 USART的框架

2.2.1发送数据过程


放大后的各个部分：

GPIO部分：

映射部分：

USART部分：

2.2.2接收数据过程

放大后的各个部分：

GPIO部分：

映射部分：

USART部分：

2.2.3 发送与接收过程解读

GPIO要配为复用功能

复用与通用的区别：这里的外设就是USART

发送过程：

  • 内核把数据交给USART的发送数据寄存器（TDR）
  • TDR通过并行总线，一次性写入到发送移位寄存器中
  • 发送移位寄存器移位一位一位的传输数据，直到数据发送完毕。
  • 当发送移位寄存器没有数据时，TDR才把数据一次写入。

接收过程：

  • 接收移位寄存器从外部获取每一位数据
  • 当移位数据寄存器挤满8位或9位数据时，通过并行总线，一次发送到接收数据寄存器（RDR）
  • 只能等移位寄存器凑够8位或9位数据时，才会把数据发送到RDR，内核此时才能读取到正确的数据。

注意：

              发送数据寄存器(TDR)与接收数据寄存器(RDR)是两个寄存器，写代码时只有DR，DR代表发送数据寄存器还是接收数据寄存器，取决于所在函数是接收还是发送。

2.2.4 USART映射解读

查看原理图，可知USART1的发送TX与接收RX对应引脚分别为PA9\PA10。

这也是M3默认的映射引脚。

与PA9与PA10可知我们选择的复用寄存器是GPIOx_AFRH

由图可知，

  • 配置PA9和PA10为复用功能
  • 找引脚对应的复用功能寄存器，PA9\PA10对应AFRH寄存器
  • 在AFRH中找引脚对应控制位，PA9?AFRH9[3:0]、PA10?AFRH10[3:0]
  • 通过映射图可知，USART1对应的值为AF7
  • 把AF7写入PA9\PA10对应控制位的位置

2.3 USART波特率的配置

2.3.1 配置波特率公式

              fCK看USART挂载的外设总线，可知84MHz

OVER8根据控制寄存器1的位15可知，默认采用16倍过采样，OVER8=0

USARTDIV根据下面公式，算得：

2.3.2 实际配置波特率过程

《1》确定需要配置的波特率、采用默认过采用模式

《2》根据公式1，可求出USARTDIV

《3》USARTDIV是写入到波特率寄存器 (USART_BRR)的浮点数，由于寄存器不能直接写入浮点数，所以需要把整数和小数分开写入到USART_BRR中。

《4》查看寄存器USART_BRR可知，12位控制整数，4位控制小数。

《5》USARTDIV的一个浮点数，进行强制转换为整型，即可获得它的整数部分DIV_Mantissa,最后通过USATRDIV公式，可算出小数部分DIV_Fraction。

《6》在写入整数部分时，整数位要左移4位，因为从位4开始写入整数部分，小数部分直接写入。

2.4 软件设计

2.4.1 USART配置流程

              《1》开GPIOA\USART1时钟

              《2》配置GPIOA为复用推挽输出

              《3》映射PA9与PA10到USART_TX\USART_RX

              《4》配置波特率

              《5》配置USART模块

2.4.2 USART模块配置

  • 使能发送器、接受器
  • 使能USATR
  • 其他位使用默认值。如：16倍过采样、8位字长、1位停止位等

2.4.3 USAR1初始化函数

  1. /**********************************************************************
  2. *函数名：USART1_Init
  3. *功  能：串口初始化
  4. *参  数：波特率
  5. *返  回：无
  6. *备  注：
  7. PA9  -发送--USART1_TX
  8. PA10 -接受--USART1_RX
  9. 以芯片为对象，出去的叫发送，进来的叫接收
  10. **********************************************************************/
  11. void USART1_Init(int baud)
  12. {
  13.               float usartdiv;
  14.               u32 DIV_Mantissa,DIV_Fraction;
  15.               //1.开启时钟
  16.               RCC->APB2ENR |= 1<<4;              //开启USART1时钟                           
  17.               RCC->AHB1ENR |= 1<<0;              //开启PA端口时钟                                         
  18.               //2.配置GPIO
  19.               GPIOA->MODER &=~(3<<2*9);                            // 复用
  20.               GPIOA->MODER |= (2<<2*9);                           
  21.               GPIOA->MODER &=~(3<<2*10);            
  22.               GPIOA->MODER |= (2<<2*10);            
  23.               GPIOA->OTYPER &=~(1<<9);                            // 推挽
  24.               GPIOA->OTYPER &=~(1<<10);                           
  25.               GPIOA->OSPEEDR &=~(3<<2*9);              // 25M
  26.               GPIOA->OSPEEDR |=1<<2*9;                           
  27.               GPIOA->OSPEEDR &=~(3<<2*10);
  28.               GPIOA->OSPEEDR |=1<<2*10;                           
  29.               GPIOA->PUPDR &=~(3<<2*9);  // 无上下拉
  30.               GPIOA->PUPDR &=~(3<<2*10);
  31.               //3.端口映射
  32.               GPIOA->AFR[1] &=~(0xf<<4);            
  33.               GPIOA->AFR[1] |=(7<<4);                                         
  34.               GPIOA->AFR[1] &=~(0xf<<8);            
  35.               GPIOA->AFR[1] |=(7<<8);                                         
  36.               //4.设置波特率
  37.               usartdiv=84*1000000/(16.0*baud);
  38.               DIV_Mantissa=usartdiv;// 整数部分
  39.               DIV_Fraction=(usartdiv-DIV_Mantissa)*16;// 小数部分
  40.               USART1->BRR = DIV_Mantissa<<4|DIV_Fraction;                           
  41.               //5.配置USART1
  42.               USART1->CR1 |= 1<<2; // 接收使能
  43.               USART1->CR1 |= 1<<3; // 发送使能
  44.               USART1->CR1 |= 1<<13;// USART1使能
  45. 2.4.4 USART1发送与接收字节符函数
  46. /**********************************************************************
  47. *函数名：USART1_Send_Byte
  48. *功  能：发送数据给串口软件
  49. *参  数：数据
  50. *返  回：无
  51. *备  注：
  52. 寄存器                            状态                                                                                    位
  53. USART->SR              等待发送完成                             6，7
  54. **********************************************************************/
  55. void USART1_Send_Byte(u8 data)
  56. {
  57.               while(!(USART1->SR & 1<<6));//等待发送完成
  58.               USART1->DR = data;
  59. }
  60. /**********************************************************************
  61. *函数名：USART1_Receive_Byte
  62. *功  能：接收从串口软件发送过来的数据
  63. *参  数：无
  64. *返  回：数据
  65. *备  注：
  66. 寄存器                            状态                                                                                    位
  67. USART->SR              等待接收完成                             5
  68. **********************************************************************/
  69. u8 USART1_Receive_Byte(void)
  70. {
  71.               u8 data;
  72.               while(!(USART1->SR & 1<<5));//等待接收完成
  73.               data = USART1->DR;
  74.               return data;
  75. }
  76. 2.4.5 USART1发送与接收字符串函数
  77. /**********************************************************************
  78. *函数名：USART1_Send_String
  79. *功  能：发送字符串数据给串口软件
  80. *参  数：字符串数据
  81. *返  回：无
  82. *备  注：
  83. 寄存器                            状态                                                                                    位
  84. USART->SR              等待发送完成                             6，7
  85. **********************************************************************/
  86. void USART1_Send_String(u8 *data)
  87. {
  88.               while(*data != '\0')//是否字符串结束标志符
  89.               {
  90.                             USART1_Send_Byte(*data);
  91.                             data++;//指向下一个字符
  92.               }
  93. }
  94. u8 USART1_receiveBuf[128];
  95. /**********************************************************************
  96. *函数名：USART1_Receive_String
  97. *功  能：接收从串口软件发送给内核发数据
  98. *参  数：缓冲区数组，存放数据
  99. *返  回：无
  100. *备  注：
  101. 寄存器                            状态                                                                                    位
  102. USART->SR              等待接收完成                             5
  103. **********************************************************************/
  104. void USART1_Receive_String(void)
  105. {
  106.               static u8 i=0;
  107.               u8 data;
  108.               while(1)
  109.               {
  110.                             data = USART1_Receive_Byte();//接收一个字符
  111.                             if(data == '\n')
  112.                             {
  113.                                           USART1_receiveBuf[ i]='\0';//添加字符串结束标志符
  114.                                           i=0;//索引清零
  115.                                          return;
  116.                             }
  117.                             USART1_receiveBuf[i++] = data;//把字符存放在字符数组中
  118.               }
  119. }</i>
复制代码

2.5 补充

2.5.1 问答

<1>串口是什么？有什么用？

串口是一种串行全双通信接口，同步或异步收发数据，但一般我们只使用异步功能。

常用于与外部设备通信、交互信息。外部若有串口通信接口，就可以与单片机进行通信，如ESP8266模块、RS485模块等。


<2>同步与异步的理解？

同步与异步基于两个设备讨论：

同步：它们有共同的时钟线，由时钟线控制收发

异步：它们没有公共的时钟线，需要双方配置一样的波特率，保证收发的准确。


<3>串行与并行？

串行：

只有一根线或两个根数据线，一次只能收发一位数据。两根线的设计是为了两个设备能同时收发一位数据。

并行：

有多根数据线，一般是8的倍数，假设是8根数据线，一次可传送一个字节（8位）的数据。


<4>单工、半双工、全双工？

单共：

一方只能接收，另一方只能发送，从始至终发送方向不变，单方向固定。例如：广播与收音机。广播只能发出信号，收音机只能接收信号，两者互换不能正常工作。

半双工：

某一时间段，一方发送。另一方接收；另一个时间段，一方接收，另一方发送。双方都可以发送和接收，但不能同时发送或接收。例如：对讲机。

全双工：

双方可以都可以同时收发。例如：电话


<5>波特率是什么？为什么要配置波特率？

              一秒钟能传输的二级进制位数。假设9600代表1秒钟可以一次传输9600位。即9.6Kbit。

              异步通信双方需要有个约定，发送方以多少速度（波特率）发送数据过去（例如9600），接收方就必须以对应的速度（速度）接收，从而保证读取到正确的数据。


<6>如何保证数据准确发送过去呢？

              USART串口通信自带有通信协议，一帧数据位10位或11位，常常使用10位作为一帧数据。

              一帧数据的构成：

  • 1个启动位（低电平）
  • 数据帧（8位或9位，如果开启奇偶校验，最高位是奇偶检验位，位7或位8，但是一般不开启）
  • 停止位（高电平，0.5位、1位、1.5位、2位，一般选1位停止位）
  • 综上，一般串口一帧数据为10位（1个启动位、8个数据位、1个停止位）


<7>知识领悟

模块学习心得：

  • 掌握基本概念
  • 理解并记住模块的特性
  • 模块框图的工作流程，信号走向，逻辑（重点）
  • 看懂模块的时序图，理解其他相关知识
  • 会配置寄存器（即使上面的不是很理解，但是尽量理解）

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复用与通用.png

3.USART.docx

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程序.7z

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