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单片机STM32:HAL库-串口USART（stm32 hal uart）

nanyue 2024-07-25 06:08:03 技术文章 10 ℃

大家好，今天给大家介绍单片机STM32：HAL库-串口USART，文章末尾附有本毕业设计的论文和源码的获取方式，可进群免费领取。

USART简介

通用同步异步收发器(USART)提供了一种灵活的方法与使用工业标准NRZ异步串行数据格式的外部设备之间进行全双工数据交换。

USART利用分数波特率发生器提供宽范围的波特率选择。
一个波特率寄存器(USART_BRR)，12位的整数和4位小数

任何USART双向通信至少需要两个脚：
接收数据输入(RX)和发送数据输出(TX)

当发送器被激活并且不发送数据时，TX引脚处于高电平
在起始位期间，TX脚处于低电平，在停止位期间处于高电平。

发送和接收由一共用的波特率发生器驱动，当发送器和接收器的使能位分别置位时，分别为其产生时钟。


当起始位为1位，数据位为8位，停止位为1位时：

  • 空闲帧包括了停止位。
  • 断开帧是10位低电平，后跟停止位。

发送(TX)器

  • 可设置寄存器来确定数据位是8位还是9位。
  • 通过置位TE位来使能发送，发送移位寄存器中的数据将会被输出到TX引脚上。相应的时钟脉冲在CK脚上输出。
  • 在TX引脚上首先移出数据的最低有效位LSB，先发送LSB
  • TE位被激活后将发送一个空闲帧(空闲符号)

配置步骤


  • 发送数据寄存器空(TXE)
  • 发送完成(TE)

串口数据发送过程：

将数据写入DR(一个字节的大小)中，DR会将数据复制到TDR中，TDR会将数据复制到发送移位寄存器中，从LSB(最低有效位)一位位发送到TX引脚上，实现数据的发送。
其中：
每发送完一个字节（发送数据寄存器TDR为空）TXE标志会被置位。
全部数据发送完毕后TC标志会被置位。

接收器

USART可以根据USART_CR1的M位接收8位或9位的数据字
在USART接收期间，数据的最低有效位首先从RX脚移进到接收数据寄存器中。

空闲符号
当一空闲帧被检测到时，其处理步骤和接收到普通数据帧一样，但如果IDLEIE位被设置将产生一个中断。

配置步骤


  • 接收到的数据已准备好读取（RXNE）

串口数据接收过程：
接收移位寄存器从RX引脚接收数据，从数据最低有效位开始（因为数据是先发送最低有效位）接收数据，当接收到一个字节的数据时，将数据复制到RDR寄存器和DR寄存器中，此时RXNE标志被置位，通过读取DR寄存器来获取接收的一个字节数据。

分数波特率

波特率寄存器(USART_BRR)，12位的整数和4位小数
用12位二进制数表示整数部分，4位表示小数部分。

波特率计算公式

设置波特率位115200，fck = 36MHz，则USARTDIV = 19.5
整数部分为19 << 4 = 304
小数部分为0.5*16 = 8
USART_BRR寄存器的值位304+8=312=0x138

中断

注意：USART的各种中断事件被连接到同一个中断向量


demo

串口异步通信-阻塞式发送-仿printf发送

采用STM32F103C8T6单片机，KeilMDK5.32版本

串口异步通信，，仅开启发方向，阻塞式发送数据（仿printf发送）。
PC13控制LED灯，LED灯的亮灭指示程序正常运行。

串口仿printf发送函数

#define USART1_SENDBUFF_MAX_BYTES	100U	//串口1发送缓冲区大小 单位字节

/**
  * @brief  UART 仿printf发送
  * @param  format	输出的字符串
  * @retval 返回写入的字符总数
  */
int USART1Printf(const char* format, ...)
{
	static char sendBuff[USART1_SENDBUFF_MAX_BYTES] = { 0 };//发送缓冲区
	int bytes = 0;
	va_list list;

	va_start(list, format);
	bytes = vsprintf(sendBuff, format, list);//格式化输入
	va_end(list);
	/* 发送之前清除标志位 */
	CLEAR_BIT(huart1.Instance->SR, USART_SR_TC_Msk);//往TC位写入0来清除TC位
	HAL_UART_Transmit(&huart1, (void*)sendBuff, bytes, INFINITE);//阻塞式发送数据，发送等待时间为最大等待时间

	return bytes;
}

HAL_UART_Transmit()是HAL库串口阻塞式发送函数，这个函数没有用到TXE与TC标志位，发送结束后也没有清除标志。

主程序中的代码

while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
	HAL_Delay(1000);//延时1000毫秒
	USART1Printf("Hello World! %hhu\r\n", times);
	times++;
	PCout(13) = !PCin(13);

  }

STM32CubeMX配置

串口异步通信-非阻塞式发送-仿printf发送

采用STM32F103C8T6单片机，KeilMDK5.32版本

串口异步通信，，仅开启发方向，非阻塞式发送数据（仿printf发送）。
PC13控制LED灯，LED灯的亮灭指示程序正常运行。

串口仿printf发送函数

#define USART_SENDBUFF_MAX_BYTES	100U	//串口1发送缓冲区大小 单位字节
/**
  * @brief  UART 仿printf发送
  * @param  huart	指向串口结构体的指针
  * @param  format	输出的字符串
  * @retval 返回写入的字符总数
  */
int USARTPrintf(UART_HandleTypeDef *huart, const char* format, ...)
{
	static char sendBuff[USART_SENDBUFF_MAX_BYTES] = { 0 };
	int bytes = 0;
	va_list list;

	va_start(list, format);
	bytes = vsprintf(sendBuff, format, list);
	va_end(list);

	/* 发送之前清除标志位 */
	CLEAR_BIT(huart->Instance->SR, USART_SR_TC_Msk);//往TC位写入0来清除TC位
	HAL_UART_Transmit_IT(huart, (void*)sendBuff, bytes);//非阻塞式发送数据，开启TXE中断，再全部数据都写入DR寄存器并发送后将关闭TXE中断，开启TC中断

	return bytes;
}

HAL_UART_Transmit_IT()函数开启了TXE中断，并在最后一个字节发送结束之后开启TC中断。如下图

HAL_UART_IRQHandler()函数

这里有2个函数需要注意

  • UART_Transmit_IT()是每发送完一个字节，则进入该函数里面，往DR寄存器写入下一个字节，如果是最后一个字节则关闭TXE中断开启TC中断。
  • UART_EndTransmit_IT()全部数据发送完毕，关闭TC中断，进入发送完毕回调函数

STM32CubeMX配置

发送完成回调函数HAL_UART_TxCpltCallback()
在进入该函数前，TXE与TC中断已关闭。

在发生串口回调函数（TXE/TC）时，并且全部数据发送完毕，HAL_UART_IRQHandler()调用UART_EndTransmit_IT()，UART_EndTransmit_IT()在关闭TC中断后进入HAL_UART_TxCpltCallback()。

/**
  * @brief  Tx Transfer completed callbacks.
  * @param  huart  Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains
  *                the configuration information for the specified UART module.
  * @retval None
  */
__weak void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  /* Prevent unused argument(s) compilation warning */
  UNUSED(huart);
  /* NOTE: This function should not be modified, when the callback is needed,
           the HAL_UART_TxCpltCallback could be implemented in the user file
   */
}

工程文件下载链接

串口异步通信-非阻塞式接收数据

HAL库的阻塞式接收数据函数HAL_UART_Receive()
使用示例HAL_UART_Receive(&huart1, (void*)receiveBuff, sizeof(receiveBuff), INFINITE);

/**
  * @brief  Receives an amount of data in blocking mode.
  * @note   When UART parity is not enabled (PCE = 0), and Word Length is configured to 9 bits (M1-M0 = 01),
  *         the received data is handled as a set of u16. In this case, Size must indicate the number
  *         of u16 available through pData.
  * @param  huart Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains
  *               the configuration information for the specified UART module.
  * @param  pData Pointer to data buffer (u8 or u16 data elements).
  * @param  Size  Amount of data elements (u8 or u16) to be received.
  * @param  Timeout Timeout duration
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);

非阻塞式接收数据函数HAL_UART_Receive_IT()
该函数会开启以下中断

  • 奇偶检验错(PE)
  • 帧错误、噪声错误、溢出错误(NE或ORT或FE)
  • UART数据寄存器非空中断(RXNE)

并且会将huart的接收类型设置为HAL_UART_RECEPTION_STANDARD
接收类型值有

  • HAL_UART_RECEPTION_STANDARD标准接收
  • HAL_UART_RECEPTION_TOIDLE接收至完成或闲置事件
/**
  * @brief  Receives an amount of data in non blocking mode.
  * @note   When UART parity is not enabled (PCE = 0), and Word Length is configured to 9 bits (M1-M0 = 01),
  *         the received data is handled as a set of u16. In this case, Size must indicate the number
  *         of u16 available through pData.
  * @param  huart Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains
  *               the configuration information for the specified UART module.
  * @param  pData Pointer to data buffer (u8 or u16 data elements).
  * @param  Size  Amount of data elements (u8 or u16) to be received.
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size)

HAL_UART_IRQHandler()函数会调用UART_Receive_IT()进行串口接收中断处理。UART_Receive_IT()会将DR寄存器中的数据复制到串口接收缓存区中，如果接收数据的字节数目满足指定的数目，则会关闭中断（RXNE，NE或ORT或FE，PE），根据接收类型进入相应的接收完成回调函数中。

下面示例串口非阻塞式接收数据
采用STM32F103C8T6单片机，KeilMDK5.32版本

串口异步通信，开启收发方向，阻塞式发送（仿printf发送）；非阻塞式接收数据。
PC13控制LED灯，LED灯的亮灭指示接收到数据。

程序初始化完成之后，开启接收中断。
在接收完成回调函数中，重新开启接收中断（因为在进入接收回调函数前，所有与接收相关的中断已经关闭）

STM32CubeMX配置


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