STM32F407串口USART配置詳細(xì)教程附源程序

ID:763998 · 發(fā)表于 2020-6-19 15:49

USART的概述

2.1.1 什么是USART？USART的作用？

USART：通用同步異步收發(fā)器。

USART的作用：能夠靈活地與外部設(shè)備進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)交換

2.1.2 USART的特征

<1> 全雙工異步通信

<2> 可配置為 16 倍過(guò)采樣或 8 倍過(guò)采樣

<3> 小數(shù)波特率發(fā)生器系統(tǒng)

<4> 數(shù)據(jù)字長(zhǎng)度可編程（ 8 位或 9 位）

<5> 停止位可配置 - 支持 1 或 2 個(gè)停止位

<6> 發(fā)送器和接收器具有單獨(dú)使能位

<7>傳輸檢測(cè)標(biāo)志：

— 接收緩沖區(qū)已滿

— 發(fā)送緩沖區(qū)為空

— 傳輸結(jié)束標(biāo)志

<8>十個(gè)具有標(biāo)志位的中斷源：

— CTS 變化

— LIN 停止符號(hào)檢測(cè)

— 發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器為空

— 發(fā)送完成

— 接收數(shù)據(jù)寄存器已滿

— 接收到線路空閑

— 溢出錯(cuò)誤

— 幀錯(cuò)誤

— 噪聲錯(cuò)誤

— 奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤

USART功能描述

任何USART雙向通信均需要至少兩個(gè)引腳：

接收數(shù)據(jù)輸入引腳 (RX)

發(fā)送數(shù)據(jù)引腳輸出 (TX)

正常 USART 模式下

發(fā)送或接收前保持空閑線路

起始位

數(shù)據(jù)（字長(zhǎng) 8 位或 9 位），最低有效位在前

用于指示幀傳輸已完成的 0.5 個(gè)、 1 個(gè)、 1.5 個(gè)、 2 個(gè)停止位

TX引腳在起始位工作期間處于低電平狀態(tài)。在停止位工作期間處于高電平狀態(tài)。

2.2 USART的框架

2.2.1發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程

數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程.png

放大后的各個(gè)部分：

GPIO部分：

映射部分：

USART部分：

2.2.2接收數(shù)據(jù)過(guò)程

數(shù)據(jù)接收過(guò)程.png

放大后的各個(gè)部分：

GPIO部分：

映射部分：

USART部分：

2.2.3 發(fā)送與接收過(guò)程解讀

GPIO要配為復(fù)用功能

復(fù)用與通用的區(qū)別：這里的外設(shè)就是USART

發(fā)送過(guò)程：

內(nèi)核把數(shù)據(jù)交給USART的發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器（TDR）
TDR通過(guò)并行總線，一次性寫入到發(fā)送移位寄存器中
發(fā)送移位寄存器移位一位一位的傳輸數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。
當(dāng)發(fā)送移位寄存器沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)，TDR才把數(shù)據(jù)一次寫入。

接收過(guò)程：

接收移位寄存器從外部獲取每一位數(shù)據(jù)
當(dāng)移位數(shù)據(jù)寄存器擠滿8位或9位數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)并行總線，一次發(fā)送到接收數(shù)據(jù)寄存器（RDR）
只能等移位寄存器湊夠8位或9位數(shù)據(jù)時(shí)，才會(huì)把數(shù)據(jù)發(fā)送到RDR，內(nèi)核此時(shí)才能讀取到正確的數(shù)據(jù)。

注意：

發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器(TDR)與接收數(shù)據(jù)寄存器(RDR)是兩個(gè)寄存器，寫代碼時(shí)只有DR，DR代表發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器還是接收數(shù)據(jù)寄存器，取決于所在函數(shù)是接收還是發(fā)送。

2.2.4 USART映射解讀

查看原理圖，可知USART1的發(fā)送TX與接收RX對(duì)應(yīng)引腳分別為PA9\PA10。

這也是M3默認(rèn)的映射引腳。

與PA9與PA10可知我們選擇的復(fù)用寄存器是GPIOx_AFRH

由圖可知，

配置PA9和PA10為復(fù)用功能
找引腳對(duì)應(yīng)的復(fù)用功能寄存器，PA9\PA10對(duì)應(yīng)AFRH寄存器
在AFRH中找引腳對(duì)應(yīng)控制位，PA9?AFRH9[3:0]、PA10?AFRH10[3:0]
通過(guò)映射圖可知，USART1對(duì)應(yīng)的值為AF7
把AF7寫入PA9\PA10對(duì)應(yīng)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掛載的外設(shè)總線，可知84MHz

OVER8根據(jù)控制寄存器1的位15可知，默認(rèn)采用16倍過(guò)采樣，OVER8=0

USARTDIV根據(jù)下面公式，算得：

2.3.2 實(shí)際配置波特率過(guò)程

《1》確定需要配置的波特率、采用默認(rèn)過(guò)采用模式

《2》根據(jù)公式1，可求出USARTDIV

《3》USARTDIV是寫入到波特率寄存器 (USART_BRR)的浮點(diǎn)數(shù)，由于寄存器不能直接寫入浮點(diǎn)數(shù)，所以需要把整數(shù)和小數(shù)分開寫入到USART_BRR中。

《4》查看寄存器USART_BRR可知，12位控制整數(shù)，4位控制小數(shù)。

《5》USARTDIV的一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為整型，即可獲得它的整數(shù)部分DIV_Mantissa,最后通過(guò)USATRDIV公式，可算出小數(shù)部分DIV_Fraction。

《6》在寫入整數(shù)部分時(shí)，整數(shù)位要左移4位，因?yàn)閺奈?開始寫入整數(shù)部分，小數(shù)部分直接寫入。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

2.4.1 USART配置流程

《1》開GPIOA\USART1時(shí)鐘

《2》配置GPIOA為復(fù)用推挽輸出

《3》映射PA9與PA10到USART_TX\USART_RX

《4》配置波特率

《5》配置USART模塊

2.4.2 USART模塊配置

使能發(fā)送器、接受器
使能USATR
其他位使用默認(rèn)值。如：16倍過(guò)采樣、8位字長(zhǎng)、1位停止位等

2.4.3 USAR1初始化函數(shù)

/**********************************************************************
*函數(shù)名：USART1_Init
*功能：串口初始化
*參數(shù)：波特率
*返回：無(wú)
*備注：
PA9 -發(fā)送--USART1_TX
PA10 -接受--USART1_RX
以芯片為對(duì)象，出去的叫發(fā)送，進(jìn)來(lái)的叫接收
**********************************************************************/
void USART1_Init(int baud)
{
float usartdiv;
u32 DIV_Mantissa,DIV_Fraction;
//1.開啟時(shí)鐘
RCC->APB2ENR |= 1<<4; //開啟USART1時(shí)鐘
RCC->AHB1ENR |= 1<<0; //開啟PA端口時(shí)鐘
//2.配置GPIO
GPIOA->MODER &=~(3<<2*9); // 復(fù)用
GPIOA->MODER |= (2<<2*9);
GPIOA->MODER &=~(3<<2*10);
GPIOA->MODER |= (2<<2*10);
GPIOA->OTYPER &=~(1<<9); // 推挽
GPIOA->OTYPER &=~(1<<10);
GPIOA->OSPEEDR &=~(3<<2*9); // 25M
GPIOA->OSPEEDR |=1<<2*9;
GPIOA->OSPEEDR &=~(3<<2*10);
GPIOA->OSPEEDR |=1<<2*10;
GPIOA->PUPDR &=~(3<<2*9); // 無(wú)上下拉
GPIOA->PUPDR &=~(3<<2*10);
//3.端口映射
GPIOA->AFR[1] &=~(0xf<<4);
GPIOA->AFR[1] |=(7<<4);
GPIOA->AFR[1] &=~(0xf<<8);
GPIOA->AFR[1] |=(7<<8);
//4.設(shè)置波特率
usartdiv=84*1000000/(16.0*baud);
DIV_Mantissa=usartdiv;// 整數(shù)部分
DIV_Fraction=(usartdiv-DIV_Mantissa)*16;// 小數(shù)部分
USART1->BRR = DIV_Mantissa<<4|DIV_Fraction;
//5.配置USART1
USART1->CR1 |= 1<<2; // 接收使能
USART1->CR1 |= 1<<3; // 發(fā)送使能
USART1->CR1 |= 1<<13;// USART1使能
2.4.4 USART1發(fā)送與接收字節(jié)符函數(shù)
/**********************************************************************
*函數(shù)名：USART1_Send_Byte
*功能：發(fā)送數(shù)據(jù)給串口軟件
*參數(shù)：數(shù)據(jù)
*返回：無(wú)
*備注：
寄存器狀態(tài) 位
USART->SR 等待發(fā)送完成 6，7
**********************************************************************/
void USART1_Send_Byte(u8 data)
{
while(!(USART1->SR & 1<<6));//等待發(fā)送完成
USART1->DR = data;
}
/**********************************************************************
*函數(shù)名：USART1_Receive_Byte
*功能：接收從串口軟件發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)
*參數(shù)：無(wú)
*返回：數(shù)據(jù)
*備注：
寄存器狀態(tài) 位
USART->SR 等待接收完成 5
**********************************************************************/
u8 USART1_Receive_Byte(void)
{
u8 data;
while(!(USART1->SR & 1<<5));//等待接收完成
data = USART1->DR;
return data;
}
2.4.5 USART1發(fā)送與接收字符串函數(shù)
/**********************************************************************
*函數(shù)名：USART1_Send_String
*功能：發(fā)送字符串?dāng)?shù)據(jù)給串口軟件
*參數(shù)：字符串?dāng)?shù)據(jù)
*返回：無(wú)
*備注：
寄存器狀態(tài) 位
USART->SR 等待發(fā)送完成 6，7
**********************************************************************/
void USART1_Send_String(u8 *data)
{
while(*data != '\0')//是否字符串結(jié)束標(biāo)志符
{
USART1_Send_Byte(*data);
data++;//指向下一個(gè)字符
}
}
u8 USART1_receiveBuf[128];
/**********************************************************************
*函數(shù)名：USART1_Receive_String
*功能：接收從串口軟件發(fā)送給內(nèi)核發(fā)數(shù)據(jù)
*參數(shù)：緩沖區(qū)數(shù)組，存放數(shù)據(jù)
*返回：無(wú)
*備注：
寄存器狀態(tài) 位
USART->SR 等待接收完成 5
**********************************************************************/
void USART1_Receive_String(void)
{
static u8 i=0;
u8 data;
while(1)
{
data = USART1_Receive_Byte();//接收一個(gè)字符
if(data == '\n')
{
USART1_receiveBuf[ i]='\0';//添加字符串結(jié)束標(biāo)志符
i=0;//索引清零
return;
}
USART1_receiveBuf[i++] = data;//把字符存放在字符數(shù)組中
}
}</i>

復(fù)制代碼

2.5 補(bǔ)充

2.5.1 問(wèn)答

<1>串口是什么？有什么用？

串口是一種串行全雙通信接口，同步或異步收發(fā)數(shù)據(jù)，但一般我們只使用異步功能。

常用于與外部設(shè)備通信、交互信息。外部若有串口通信接口，就可以與單片機(jī)進(jìn)行通信，如ESP8266模塊、RS485模塊等。

<2>同步與異步的理解？

同步與異步基于兩個(gè)設(shè)備討論：

同步：它們有共同的時(shí)鐘線，由時(shí)鐘線控制收發(fā)

異步：它們沒(méi)有公共的時(shí)鐘線，需要雙方配置一樣的波特率，保證收發(fā)的準(zhǔn)確。

<3>串行與并行？

串行：

只有一根線或兩個(gè)根數(shù)據(jù)線，一次只能收發(fā)一位數(shù)據(jù)。兩根線的設(shè)計(jì)是為了兩個(gè)設(shè)備能同時(shí)收發(fā)一位數(shù)據(jù)。

并行：

有多根數(shù)據(jù)線，一般是8的倍數(shù)，假設(shè)是8根數(shù)據(jù)線，一次可傳送一個(gè)字節(jié)（8位）的數(shù)據(jù)。

<4>單工、半雙工、全雙工？

單共：

一方只能接收，另一方只能發(fā)送，從始至終發(fā)送方向不變，單方向固定。例如：廣播與收音機(jī)。廣播只能發(fā)出信號(hào)，收音機(jī)只能接收信號(hào)，兩者互換不能正常工作。

半雙工：

某一時(shí)間段，一方發(fā)送。另一方接收；另一個(gè)時(shí)間段，一方接收，另一方發(fā)送。雙方都可以發(fā)送和接收，但不能同時(shí)發(fā)送或接收。例如：對(duì)講機(jī)。

全雙工：

雙方可以都可以同時(shí)收發(fā)。例如：電話

<5>波特率是什么？為什么要配置波特率？

一秒鐘能傳輸?shù)亩?jí)進(jìn)制位數(shù)。假設(shè)9600代表1秒鐘可以一次傳輸9600位。即9.6Kbit。

異步通信雙方需要有個(gè)約定，發(fā)送方以多少速度（波特率）發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)去（例如9600），接收方就必須以對(duì)應(yīng)的速度（速度）接收，從而保證讀取到正確的數(shù)據(jù)。

<6>如何保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確發(fā)送過(guò)去呢？

USART串口通信自帶有通信協(xié)議，一幀數(shù)據(jù)位10位或11位，常常使用10位作為一幀數(shù)據(jù)。

一幀數(shù)據(jù)的構(gòu)成：

1個(gè)啟動(dòng)位（低電平）
數(shù)據(jù)幀（8位或9位，如果開啟奇偶校驗(yàn)，最高位是奇偶檢驗(yàn)位，位7或位8，但是一般不開啟）
停止位（高電平，0.5位、1位、1.5位、2位，一般選1位停止位）
綜上，一般串口一幀數(shù)據(jù)為10位（1個(gè)啟動(dòng)位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位）

<7>知識(shí)領(lǐng)悟

模塊學(xué)習(xí)心得：

掌握基本概念
理解并記住模塊的特性
模塊框圖的工作流程，信號(hào)走向，邏輯（重點(diǎn)）
看懂模塊的時(shí)序圖，理解其他相關(guān)知識(shí)
會(huì)配置寄存器（即使上面的不是很理解，但是盡量理解）

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