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STM32---串口通信USART

news 来源：原创 2025/4/24 7:58:19

一、串口通信协议

二、USART模块介绍

（1）移位寄存器

（2）控制电路

（3）波特率

（4）C语言接口

三、串口的引脚初始化

（1）引脚分布表

（2）重映射表

（3）GPIO配置表

（4）C语言接口使用

四、标志位的使用

（1）读写标志位

（2）错误标志位

五、发送数据代码

六、接收数据代码

一、串口通信协议

在学习网络通信的时候，我们曾认识到两台主机想要进行通信，必须要有协议的存在，否则对方根本不知道你说了啥，因为在网络中没有信息的概念，只有二进制电平信号。如果不规定协议，对方的操作系统就不知道如何解析该二进制信号。于是演变出来OSI的7层模型，每一层都相当于一层协议，对数据包进行封装，从而让对方的同层协议可以解析提取真正想要的数据。

那么我们STM32单片机自然也可以认为属于网络协议中的物理层协议。因为他并没有经过交换机路由器等设备，仅仅只是把两台主机直连，所以他并不可能在数据链路层、或者网络层。但是也有人认为他属于数据链路层，以为他有数据帧封装，尽管这个封装十分简单。而且他没有mac地址其实是因为他没有负责的连接环境，但是本质上他这个简单的协议是可以做到传输mac地址的。其实这种理解也是有道理的，因为规定上物理层没有任何协议存在，是单纯的数据流传输。

真实的物理连接图：

正是因为它属于物理层协议，那么可以预见的是他的协议必然很简单。我们来看看他的协议格式：

它的协议格式非常简单，由一位低电平起始位+7-8位数据位+（一位校验位）+一位高电平停止位组成。

其中这里的数据位为7-8位是可以选择的，不过我们一般都是要传递一个字节，所以一般情况下只会选择8位数据位，至于校验位，如果你的精确度要求高可以选择，通常来说并无较大差异。

二、USART模块介绍

在结构图中可以看到UART有三个，APB1和APB2线上都存在。可以根据你对时钟频率的不同选取。

（1）移位寄存器

在这幅图中有两个移位寄存器，他的作用就是接收和发送数据。

当我们想要发送数据的时候，就把值填入发送寄存器。之后该模块会自动把该寄存器的数据在时钟的频率下，一位位得把数据的二进制流交给控制电路。

反过来，接收数据的时候，是先交给到了控制电路，控制电路对接收到的数据帧，进行解包（去除起始位、停止位、并检验校验位是否正确），把数据取出交给接收寄存器，然后由该寄存器把数据向上传递即可。

在这个过程中两个寄存器的作用主要是串转并、并转串。因为在物理线路中的传递都是二进制流的串行数据，而用户想看到的则是8位一起的并行数据。

（2）控制电路

控制电路主要就是进行封包和解包分用的。在这里可以通过配置寄存器来决定数据包的格式：数据位是7位还是8位？有没有校验位？、停止位是多少个时钟周期的高电平？

（3）波特率

波特率指的是一分钟的时间，比特位传输的数量。比如你的串口选择的波特率是9600，那么他一分钟能传递的比特位就是9600个，即9600/8=1200个字节。大多数情况下波特率都会被配置成9600、115200、921600，这个和时钟的频率有关，尽可能选择可以由时钟频率直接分频得到的，精确度较高。

在这幅图中，波特率是由时钟经过波特率寄存器BRR和一个16分频的分频器得到的。因为STM32的时钟频率往往是36、72MHz比较大，经过这些分频降低频率更好用。不过如果你对数据的传输时间限制很短，可以尝试较高的频率。

（4）C语言接口

在库函数中可以找到一个USART_Init，他就是用来配置UART（上述）模块的函数。可以在这里设置波特率、数据位长度、校验方式、接收还是发送数据等。

当然还需要一个时钟总开关使能

USART_Cmd(USART1,ENABLE);//使能USART模块

三、串口的引脚初始化

我们在上面已经了解了UART模块的配置方法。那么既然要向外传输数据，必然会有引脚暴露出来供我们使用，那么他们是谁呢？

USART的引脚有这5个，其中Tx和Rx最为熟悉，是用来传输数据的。而硬件流控我们暂时并不会涉及到，也不过多讲解。同步模式的时钟线，则是如果你想让两个STM32单片机进行数据交流，则可以用这个时钟线把两台主机连接到一起，让他们都遵循一个时钟，在该时钟的指导下进行串口通信，保证数据的准确性。

（1）引脚分布表

在数据手册中有这样两幅图，他们表示了当前芯片的封装情况、重映射情况。

由于他比较多，我直接把和UASRT相关的引脚内容挑出来看，所以知道了我们在不使用重映射的情况下USART的输入输出引脚是接在PA9和PA10上面的。如果你就想使用默认情况，则直接配置PA9和PA10两个引脚即可。

当然，在重映射后他们的位置则变为了PB6和PB7。注意你如果把他们配置成了USART的引脚，则原本的GPIO功能是无法使用的。

（2）重映射表

在上面直接看引脚分布表比较麻烦，可以直接到使用手册中查看。内容是一样的。

（3）GPIO配置表

我们已经找到了其引脚，配置成什么模式呢？

在使用手册中同样有一个表格，明确说明了各种外设在使用GPIO的时候，应当被配置为什么模式。

在这里我们看到全双工模式下，Tx要配置成推挽复用输出、Rx要配置成上拉输入。

复用推挽输出和通用推挽输出的区别就是：一个是由CPU直接控制引脚的电平高低，另一个把引脚电平的控制权交给外设模块自己操作，更加方便。

（4）C语言接口使用

默认情况：

重映射情况：

四、标志位的使用

在USART的框图中我们曾有一部分没有讲解，就是右上角的标志位。通过读取标志位，可以让我们时刻检查到USART模块的运行情况。

（1）读写标志位

TxE：检查能否填入数据到发送寄存器

TC：检查档次发送过程是否结束

RxNE：

（2）错误标志位

我们在通过USART协议传输数据的时候，难免会出现某些原因，使得数据的发送端和接收端并不一致，我们就认为他出错了。虽然USART的控制电路会自动检测错误，但是我们上层应用要想知道仍需要查看这些标志位来获取状态。

错误标志位是一个协议中非常重要的存在。通过检验错误标志位，你可以对不同的错误做出不同的处理，比如：如果接受数据错误，你可以选择向对端发送消息，告诉他你的数据错了，请重新发。有没有回想到我们之前学习TCP也是这样的！

PE：

FE：

比如没有接收到停止位，就是一种帧格式错误。

NE：

我们实际在接受一个USART协议的信号的时候，会在一个时钟周期内多次检测，看看每次检测的结果是不是一样的，如果不一样则表示有噪音，该数据不可信。

ORE:

当接受寄存器中有数据没有被上层应用取走，他会停留在原地（字节1），如果有数据又来了，他就保存在了接收端的移位寄存器（字节2），此时仍然没有问题。但是如果继续来了数据（字节3），他就会覆盖掉移位寄存器中的字节2，此时控制电路就会监测到该情况，并把ORE置1。

五、发送数据代码

向发送寄存器写入数据的函数

对上述代码进行封装：

void Init_USART()
{//USART配置RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);USART_InitTypeDef USART_InitStruct;USART_InitStruct.USART_BaudRate=115200;USART_InitStruct.USART_Mode=USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;USART_InitStruct.USART_WordLength=USART_WordLength_8b;USART_InitStruct.USART_Parity=USART_Parity_No;USART_InitStruct.USART_StopBits=USART_StopBits_1;USART_Init(USART1,&USART_InitStruct);//GPIO配置RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9;GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_10MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10;GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_10MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);//使能USARTUSART_Cmd(USART1,ENABLE);}void My_USART_SendBytes(USART_TypeDef* USARTx,uint8_t* pData,uint16_t Number)
{for(uint16_t i=0;i<Number;i++){//不为空的时候就在while循环中出不来while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE)==RESET);//走到这说明发送寄存器为空了USART_SendData(USARTx,pData[i]);//如果移位寄存器没有清空，就不退出这个函数while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)==RESET);}
}int main(void)
{Init_USART();uint8_t datas[]={10,50,90,100,66};while(1){My_USART_SendBytes(USART1,datas,5);}
}

如果你上述步骤都正确的话你是可以成功的通过STM32单片机向电脑主机发送消息的。结果如下：

六、接收数据代码

具体使用如下：

示例代码：

void Init_USART()
{//USART配置RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);USART_InitTypeDef USART_InitStruct;USART_InitStruct.USART_BaudRate=115200;USART_InitStruct.USART_Mode=USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;USART_InitStruct.USART_WordLength=USART_WordLength_8b;USART_InitStruct.USART_Parity=USART_Parity_No;USART_InitStruct.USART_StopBits=USART_StopBits_1;USART_Init(USART1,&USART_InitStruct);//GPIO配置RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9;GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_10MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10;GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_10MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);//使能USARTUSART_Cmd(USART1,ENABLE);}void My_USART_SendBytes(USART_TypeDef* USARTx,uint8_t* pData,uint16_t Number)
{for(uint16_t i=0;i<Number;i++){//不为空的时候就在while循环中出不来while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE)==RESET);//走到这说明发送寄存器为空了USART_SendData(USARTx,pData[i]);//如果移位寄存器没有清空，就不退出这个函数while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)==RESET);}
}void My_Led_Init(void)
{//GPIO配置RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_OD;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_13;GPIO_InitStruct.GPIO_Speed=GPIO_Speed_2MHz;GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStruct);//初始设置为灭,即GPIOC_Pin_13为高电平GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,Bit_SET);
}int main(void)
{My_Led_Init();Init_USART();uint8_t datas[]={10,50,90,100,66};while(1){// My_USART_SendBytes(USART1,datas,5);//接收数据，并处理while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_RXNE)==RESET);uint8_t byteEecv=USART_ReceiveData(USART1);//处理//0灭if(byteEecv==0){GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,Bit_SET);}//1亮else if(byteEecv==1){GPIO_WriteBit(GPIOC,GPIO_Pin_13,Bit_RESET);}}}

如果你的操作正确，则可以看到用串口控制芯片上的LED了。