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[TOC]
# 1. 串口通信概述
## 1.1. 计算机通信
问题:
1. 我们知道的通信方式有哪些?
2. 理解通信技术的发展。
3. 通信的要素:以烽火为例子。
通信要素:
1. 硬件:通信介质
2. 软件:
1. 语法:格式
2. 语义:格式中信息的具体含义
### 1.1.1. 并行通信
![image-20240926082752190](./img/image-20240926082752190.png)
优势:
1. 一次传输1个字节
2. 速度快;
3. 信息表达相对简单;
劣势:
1. 只适合短距离传输;
2. 成本高。
问题:那些地方采用并行通信?
### 1.1.2. 串行通信
![image-20240926083220154](./img/image-20240926083220154.png)
优势:
1. 适合长距离传输;
2. 成本低;
劣势:
1. 速度相对较慢;
2. 信息表达(通信控制)相对复杂;
问题:
1. 那些设备是串行通信?
2. 是否可以结合串行和并行的优势?如何结合?
## 1.2. 串行通信的基本概念
### 1.2.1. 同步和异步
![image-20240926105411531](./img/image-20240926105411531.png)
1. 通信双方需要专门又时钟线来同步双方的时钟,并保持严格一致;
2. 通信速度相对较高;
3. 如 SPI、I2C通信
![image-20240926105432567](./img/image-20240926105432567.png)
1. 不需要时钟同步;
2. 通信双方对时间的理解差异可以有少量的偏差;
3. 每通信一帧固定数量的bit位会进行一次同步如上图的START和STOP电平
4. 例如USB、UART串口
### 1.2.2. 异步串行通信的特点
![image-20240926110126910](./img/image-20240926110126910.png)
1. 以固定的长度传输一组数据对于串口来说一帧一般是一个字符注意不是字节以前一个字符是7个位现在几乎都是8个位和字节是对应的
2. 通过帧之间的间隔来进行时间的同步;
3. 如果通信双方对时间的理解差异较小那就可以在一帧的时间片内检查到有效数量的0和1的序列这样不需要通信双方对时间的理解完全一致因为在一帧内的时间差异几乎可以忽略。
**字符格式:**
![image-20240926110639835](./img/image-20240926110639835.png)
一般由起始位、数据位、校验位、停止位组成。对于连续的通信来说,停止也就是起始,因此往往设置停止就可以了。
1. 空闲情况下,通信线路的电平为高;
2. 当需要传输数据的时候,发送方把电位拉低,持续一段时间(开始位);
3. 然后连续发送一个字符和校验位;
4. 最后拉高电平至少持续一段时间(停止位),表示该帧数据发送完成;
从上述的通信过程得知,空闲(不传输数据)为高电平;一旦低电平后,表示通信开始;字符传输完成后,拉高电平;因此起始其实是可以不要的。
![alt text](img/uart1.drawio.png)
奇偶校验:
奇校验如果数据中1的个数为奇数则奇校验位0否则为1。
偶校验如果数据中1的个数为偶数则偶校验位0否则为1。
![image-20240926114933398](./img/image-20240926114933398.png)
**波特率:**
波特率是每秒传输位的单位bps波特率越高表示通信速率越快。注意在任何通信场景中通信速率的都应该用bps表示例如100M的以太网表示 100Mbps也就是每秒大约传输10M字节本来应该是100M/8但是可能有停止位和校验因此大约估算是100M/10
### 1.2.3. 异步串口通信的数据接收过程
![image-20240926115059698](./img/image-20240926115059698.png)
我们假设采样时钟是波特率的16倍,具体的数据接收过程如下:
1. 接收过程由起始位的下降沿启动。
2. 接收端等待8个时钟周期以便建立一个接近起始位周期中点的采样点。
3. 接收端再次等待 16个时钟周期使其进入第一个数据位周期的中点。
4. 第一个数据位被采样并存储在接收寄存器中。
5. 串口模块在采样第二个数据位之前等待另外16个时钟周期。
6. 重复此过程,直到所有的数据位都被采样和存储。
7. 由停止位的上升沿使数据线返回到空闲状态。
### 1.2.4. 串行通信的传输方向
![image-20240926120728340](./img/image-20240926120728340.png)
## 1.3. STM32串口通信
![image-20240926120759519](./img/image-20240926120759519.png)
**数据寄存器:**
1. TDR 发送寄存器结合发送位移寄存器把数据以电平的方式用时间进行排序发送到TX引脚
2. RDR 接收寄存器通过接收位移寄存器组成的一个字符装载到RDR
**通信状态标志位:**
![image-20240926163850067](./img/image-20240926163850067.png)
轮询方式可以通过读取上述的状态来进行控制:
1. RXNE表示有新的数据字符
2. TXE表示可以向TDR写入新的数据
3. TC发送完成
中断方式也会有对应的三种方式。
## 1.4. 硬件结构
串口通信的示意图是这样的:
![alt text](img/uart2.drawio.png)
但是目前的很多计算机没有串口因此在开发板上有一个USB转串口的芯片
![image-20240926165734028](./img/image-20240926165734028.png)
因此实际的情况是这样:
![alt text](img/uart3.drawio.png)
这个芯片在开发板的位置是:
![image-20240926170851906](./img/image-20240926170851906.png)
# 2. HAL库外设初始化过程
## 2.1. 串口外设句柄
stm32f1xx_hal_uart.h 的160行
```c
typedef struct __UART_HandleTypeDef
{
USART_TypeDef *Instance; /*!< UART registers base address */
UART_InitTypeDef Init; /*!< UART communication parameters */
const uint8_t *pTxBuffPtr; /*!< Pointer to UART Tx transfer Buffer */
uint16_t TxXferSize; /*!< UART Tx Transfer size */
__IO uint16_t TxXferCount; /*!< UART Tx Transfer Counter */
uint8_t *pRxBuffPtr; /*!< Pointer to UART Rx transfer Buffer */
uint16_t RxXferSize; /*!< UART Rx Transfer size */
__IO uint16_t RxXferCount; /*!< UART Rx Transfer Counter */
__IO HAL_UART_RxTypeTypeDef ReceptionType; /*!< Type of ongoing reception */
__IO HAL_UART_RxEventTypeTypeDef RxEventType; /*!< Type of Rx Event */
DMA_HandleTypeDef *hdmatx; /*!< UART Tx DMA Handle parameters */
DMA_HandleTypeDef *hdmarx; /*!< UART Rx DMA Handle parameters */
HAL_LockTypeDef Lock; /*!< Locking object */
__IO HAL_UART_StateTypeDef gState; /*!< UART state information related to global Handle management
and also related to Tx operations.
This parameter can be a value of @ref HAL_UART_StateTypeDef */
__IO HAL_UART_StateTypeDef RxState; /*!< UART state information related to Rx operations.
This parameter can be a value of @ref HAL_UART_StateTypeDef */
__IO uint32_t ErrorCode; /*!< UART Error code */
#if (USE_HAL_UART_REGISTER_CALLBACKS == 1)
void (* TxHalfCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Tx Half Complete Callback */
void (* TxCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Tx Complete Callback */
void (* RxHalfCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Rx Half Complete Callback */
void (* RxCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Rx Complete Callback */
void (* ErrorCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Error Callback */
void (* AbortCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Abort Complete Callback */
void (* AbortTransmitCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Abort Transmit Complete Callback */
void (* AbortReceiveCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Abort Receive Complete Callback */
void (* WakeupCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Wakeup Callback */
void (* RxEventCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Pos); /*!< UART Reception Event Callback */
void (* MspInitCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Msp Init callback */
void (* MspDeInitCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Msp DeInit callback */
#endif /* USE_HAL_UART_REGISTER_CALLBACKS */
} UART_HandleTypeDef;
```
和定时器的代码组织方式是一样的包含和串口的属性以及操作的函数指针。基本解释可以参考教科书269页。
## 2.2. 串口初始化数据类型p270
stm32f1xx_hal_uart.h 的46行
```c
typedef struct
{
uint32_t BaudRate; /*!< This member configures the UART communication baud rate.
The baud rate is computed using the following formula:
- IntegerDivider = ((PCLKx) / (16 * (huart->Init.BaudRate)))
- FractionalDivider = ((IntegerDivider - ((uint32_t) IntegerDivider)) * 16) + 0.5 */
uint32_t WordLength; /*!< Specifies the number of data bits transmitted or received in a frame.
This parameter can be a value of @ref UART_Word_Length */
uint32_t StopBits; /*!< Specifies the number of stop bits transmitted.
This parameter can be a value of @ref UART_Stop_Bits */
uint32_t Parity; /*!< Specifies the parity mode.
This parameter can be a value of @ref UART_Parity
@note When parity is enabled, the computed parity is inserted
at the MSB position of the transmitted data (9th bit when
the word length is set to 9 data bits; 8th bit when the
word length is set to 8 data bits). */
uint32_t Mode; /*!< Specifies whether the Receive or Transmit mode is enabled or disabled.
This parameter can be a value of @ref UART_Mode */
uint32_t HwFlowCtl; /*!< Specifies whether the hardware flow control mode is enabled or disabled.
This parameter can be a value of @ref UART_Hardware_Flow_Control */
uint32_t OverSampling; /*!< Specifies whether the Over sampling 8 is enabled or disabled, to achieve higher speed (up to fPCLK/8).
This parameter can be a value of @ref UART_Over_Sampling. This feature is only available
on STM32F100xx family, so OverSampling parameter should always be set to 16. */
} UART_InitTypeDef;
```
StopBits
![image-20240929154747976](./img/image-20240929154747976.png)
Parity
![image-20240929154807419](./img/image-20240929154807419.png)
Mode
![image-20240929154830676](./img/image-20240929154830676.png)
HwFlowCtl
![image-20240929154857111](./img/image-20240929154857111.png)
注意:一般串口通信都使用三根线,不会用到硬件流控。
OverSampling
![image-20240929154951411](./img/image-20240929154951411.png)
## 2.3. 串口初始化过程
![image-20240929162341424](./img/image-20240929162341424.png)
1. MX_USART2_UART_Init该函数位于main.c有框架自动生成用于初始化串口句柄
2. HAL_UART_Init位于 stm32f1xx_hal_uart.c这是硬件抽象的初始化代码并不关心具体的硬件其中调用了HAL_UART_MspInit用于实现真正的串口初始化功能 ;该文件中有个 HAL_UART_MspInit 函数的 weak定义
3. HAL_UART_MspInit位于 stm32f1xx_hal_msp.c这里才是真正关于串口的初始化
因此stm32f1xx_hal_uart.c 中定义的是操作硬件的接口类似Java的接口所有的函数常量等编程一般也只需要和该文件打交道stm32f1xx_hal_msp.c 是真正的实现,实现具体的硬件层面的操作。这样的设计就可以不改变接口的情况下,适配多个不同硬件。
# 3. 轮询方式的串口通信
## 3.1. 轮询方式的接口函数
### 3.1.1. 串口初始化函数(HAL_UART_Init)
该函数用于串口的初始化。将串口外设句柄中的参数写人对应的寄存器并调用MCU硬件初始化函数HAL_UART_MspInit()完成时钟、引脚和中断等系统级初始化操作。具体描述如表 9-9所示。
![image-20240929151719021](./img/image-20240929151719021.png)
### 3.1.2. 串口轮询方式发送丽数(HAL UART_Transmit)
该函数用于在轮询方式下发送指定数量的数据。具体描述如表9-10所示
![image-20240929151812868](./img/image-20240929151812868.png)
### 3.1.3. 串口轮询方式接收函数(HAL UART_Receive)
该函数用于在轮询方式下接收指定数量的数据。具体描述如表9-11所示。
![image-20240929151902186](./img/image-20240929151902186.png)
## 3.2. 固定长度的数据收发
1. 开发板串口使用PA2和PA3
![image-20240929152437856](./img/image-20240929152437856.png)
点击任意一个端口:
![image-20240929152348644](./img/image-20240929152348644.png)
知道使用的是串口2
2. 设置串口2的参数
![image-20240929152813604](./img/image-20240929152813604.png)
问题:
1. Hardware Flow Control 是什么意思?
2. Over Sampling (过采样)是什么意思?
3. 代码编写:
```c
/* USER CODE BEGIN 2 */
uint8_t uartBuf[5];
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1) {
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
if (HAL_UART_Receive(&huart2, uartBuf, 5, 100) == HAL_OK) {
HAL_UART_Transmit(&huart2, uartBuf, 5, 100);
}
}
/* USER CODE END 3 */
}
```
下载程序后连接TYPE-C到计算机的USB可能需要安装驱动然后打开串口通信软件设置波特率等参数与开发板一致发送5个字符会收到开发板的回应必须是一次性发送5个字符不能分开发送
# 4. 中断方式的串口通信
中断的效率更高。
## 4.1. 中断方式的接口函数
### 4.1.1. 串口中断方式发送函数(HAL_UART_Transmit IT)
该函数用于在中断方式下发送指定数量的数据具体描述如表9-12所示
![image-20240929163645757](./img/image-20240929163645757.png)
### 4.1.2. 串口中断方式接收函数(HALUART_Receive_IT)
该函数用于在中断方式下接收指定数量的数据具体描述如表9-13 所示:
![image-20240929163815598](./img/image-20240929163815598.png)
### 4.1.3. 串口中断通用处理函数(HAL_UART_IRQHandler)
该函数是所有串口中断发生后的通用处理程序。任何一个串口的相关中断(如发送中断或接收中断)发生后都会通过中断向量表中的串口中断服务程序USARTx_IRQHandler()调用该函数。在函数内部会完成具体的数据收发,最后调用不同的回调函数来完成后续的中断处理任务。具体描述如表 9-14所示
![image-20240929163945133](./img/image-20240929163945133.png)
### 4.1.4. 串口发送中断回调函数(HAL_UART_TxCpltCallback)
该函数用于处理在中断方式下发送完指定数量数据后的后续任务。任何一个串口发送完指定数量数据后都会调用发送中断回调函数。因此在函数内部需要判断是哪一个串口产生的本次发送中断回调然后再执行具体的中断处理任务。具体描述如表9-15所示
![image-20240929164054977](./img/image-20240929164054977.png)
### 4.1.5. 串口接收中断回调函数(HAL_UART_RxCpltCallback)
该函数用于处理在中断方式下接收完指定数量数据后的后续任务。任何一个串口接收完指定数量数据后,都会调用接收中断回调函数。因此,在函数内部需要判断是哪一个串口产生的本次接收中断回调然后再执行具体的中断处理任务。具体描述如表9-16所示
![image-20240929164202400](./img/image-20240929164202400.png)
### 4.1.6. 串口中断使能函数(__HAL_UART_ENABLE_IT)
该函数用于使能对应的串口中断类型,采用带参数的宏实现(宏函数),具体描述如表 9-17 所示:
![image-20240929164333113](./img/image-20240929164333113.png)
### 4.1.7. 串口中断标志查询函数(__HAL_UART_GET_FLAG
该函数用于查询对应的串口中断标志是否置位,采用带参数的宏实现(宏函数),具体描述如表 9-18 所示:
![image-20240929164437770](./img/image-20240929164437770.png)
### 4.1.8. 空闲中断标志清除函数( __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG)
该函数用于清除串口的空闲中断标志,采用带参数的宏实现(宏函数),具体描述如表 9-19 所示:
![image-20240929164531359](./img/image-20240929164531359.png)
## 4.2. 任务使用中断方式实现简单的通信协议p289
1. 与查询方式一样的设置串口,需要打开串口的全局中断:
![image-20240929181629409](./img/image-20240929181629409.png)
2. 设置PA6为输出Label为LED1PA7为输出Label为LED2
3. 完善代码:
```c
/* USER CODE BEGIN 0 */
#define LENGTH 4 // 接收帧的长度
uint8_t RxBuffer[LENGTH]; // 接收缓冲
volatile uint8_t RxFlag = 0; // 是否收到数据的标志
const char *MSG1 = "Please enter instruction.";
const char *MSG2 = "Head->0xAA Device->0x01 Operation->0x00/0x01 Tail->0x55.";
const char *ERRMSG = "Communication Error! Please try again!";
// 中断回调函数
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
if (huart->Instance == USART2) {
RxFlag = 1; // 设置帧标志,主函数处理这个标志
HAL_UART_Receive_IT(&huart2, RxBuffer, LENGTH); // 再次启动中断接收
}
}
/* USER CODE END 0 */
```
```c
int main(void) {
/* USER CODE BEGIN 1 */
/* USER CODE END 1 */
/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
HAL_Init();
/* USER CODE BEGIN Init */
/* USER CODE END Init */
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* USER CODE BEGIN SysInit */
/* USER CODE END SysInit */
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_USART2_UART_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*) MSG1, strlen(MSG1), 100); // 发送提示
HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*) MSG2, strlen(MSG2), 100); // 发送提示
HAL_UART_Receive_IT(&huart2, RxBuffer, LENGTH); // 启动中断接收
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1) {
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
if (RxFlag) { // 判断帧接收标志
RxFlag = 0; // 清除帧接收标志
if (RxBuffer[0] == 0xAA && RxBuffer[3] == 0x55) { // 判断头尾数据是否合法
switch (RxBuffer[1]) {
case 1: // 灯1
if (RxBuffer[2])
HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin,
GPIO_PIN_SET);
else
HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin,
GPIO_PIN_RESET);
break;
case 2: // 灯2
if (RxBuffer[2])
HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin,
GPIO_PIN_SET);
else
HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin,
GPIO_PIN_RESET);
break;
}
} else {
// 非法格式,返回错误
HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*) ERRMSG, strlen(ERRMSG),
100);
}
}
}
/* USER CODE END 3 */
}
```
思考:
1. 这个简单的格式解析是通信当中的语法和意义;但是还有些不完善,会存在什么缺陷?
2. 应该如何解决这些问题?
# 5. DMA方式的串口通信