一、串口通信协议原理

串口在嵌入式系统当中是一类重要的数据通信接口，其本质功能是作为 CPU 和串行设备间的编码转换器。当数据从 CPU 经过串行端口发送出去时，字节数据转换为串行的位；在接收数据时，串行的位被转换为字节数据。应用程序要使用串口进行通信，必须在使用之前向操作系统提出资源申请要求（打开串口），通信完成后必须释放资源（关闭串口）。典型地，串口用于 ASCII 码字符的传输。通信使用3根线完成：地线，发送数据线，接收数据线。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配：波特率是一个衡量通信速度的参数，它表示每秒钟传送的 bit 的个数；数据位是衡量通信中实际数据位的参数，当计算机发送一个信息包，标准的值是 5，7 和 8 位。如何设置取决于你的需求；停止位用于表示单个包的最后一位，典型的值为 1，1.5和 2 位，停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会；奇偶校验位是串口通信中一种简单的检错方式，有四种检错方式——偶、奇、高和低，也可以没有校验位。
对于通讯协议，我们也以分层的方式来理解，最基本的是把它分为物理层和协议层。

物理层：物理层上我们这里拿出标准的RS232串口和USB转串口进行分析、讲解。在物理层上我们用到最多的还是USB转串口。
RS232:
在这里插入图片描述
在原理图上我们可以看到右侧RS232串口上两个通讯设备的“DB9 接口”之间通过串口信号线建立起连接，串口信号线中使用“RS-232 标准”传输数据信号。由于 RS-232 电平标准的信号不能直接被控制器直接识别，所以这些信号会经过一个“电平转换芯片（MAX3232CSE）”转换成控制器能识别的“TTL 校准”的电平信号才能实现通讯。

我们知道常见的电子电路中常使用 TTL 的电平标准，理想状态下，使用 5V 表示二进制逻辑 1，使用 0V 表示逻辑 0；而为了增加串口通讯的远距离传输及抗干扰能力，它使用-15V 表示逻辑 1，+15V 表示逻辑 0。由于控制器一般使用 TTL 电平标准，所以常常会使用 MA3232 芯片对 TTL 及 RS-232 电平的信号进行互相转换。即：
在这里插入图片描述

USB转串口：
这个通讯方式是在单片机中最经常运用到的通讯方式。USB转串口主要用于设备跟电脑通信。
在这里插入图片描述
这里原理图上用到的电平转换芯片主要是CH340G。一般我们主要运用的电平转换芯片有：CH340、PL2303、CP2102、FT232。

协议层：我们在使用串口的时候主要还是用到“通用异步通讯”——可以参考通讯基本概念基础。这篇讲解了通讯的一些基本原理。所以在协议层上就不多讲解这个概念问题了。

协议层是指串口通讯的数据包由发送设备通过自身的 TXD 接口传输到接收设备的 RXD 接口。在串口通讯的协议层中，规定了数据包的内容，它由启始位、主体数据、校验位以及停止位组成，通讯双方的数据包格式要约定一致才能正常收发数据。如图所示：
在这里插入图片描述

二、usart功能框图

在这里插入图片描述
在功能框图上把其划分为四个部分——GPIO引脚、数据寄存器、控制器、波特率。我们在这里就主要讲解前三大功能，波特率一般可以在stm32上自主设置波特率的值（一般常用9600、15200）。

GPIO引脚：在功能框图上对应的1框图上我们看到主要有Tx、Rx、SW_RX、nRTS、nCTS、SCLK六个功能引脚，在stm32上这些功能引脚当中最常用的是Tx、Rx引脚。

TX：发送数据输出引脚。
RX：接收数据输入引脚。
SW_RX：数据接收引脚，只用于单线和智能卡模式，属于内部引脚，没有具体外部引脚（很少用到）。
nRTS：请求以发送 (Request To Send)，n 表示低电平有效。如果使能 RTS 流控制，当 USART 接收器准备好接收新数据时就会将nRTS引脚变成低电平；当接收寄存器已满时，nRTS 将被设置为高电平。该引脚只适用于硬件流控制。
nCTS：清除以发送 (Clear To Send)，n 表示低电平有效。如果使能 CTS 流控制，发送器在发送下一帧数据之前会检测nCTS引脚，如果为低电平，表示可以发送数据，如果为高电平则在发送完当前数据帧之后停止发送。该引脚只适用于硬件流控制。
SCLK：发送器时钟输出引脚。这个引脚仅适用于同步模式。

注意：在stm32的UART 只是异步传输功能，所以没有SCLK、nCTS 和nRTS 功能引脚。

数据寄存器：数据寄存器控制usart的读取还是发送。在官方的参考手册上对于数据寄存器（USART_DR）是这样描述的——包含接收到数据字符或已发送的数据字符，具体取决于所执行的操作是“读取”操作还是“写入”操作。
因为数据寄存器包含两个寄存器，一个用于发送 (TDR)，一个用于接收 (RDR)，因此它具有双重功能（读和写）。

对于写的时候我们数据寄存器选择TDR寄存器，在进行偏移0x04个位，在传输到发送数据传输引脚（Tx）。
在这里插入图片描述
在读取的时候原理同读取一样。

控制器：主要是由控制寄存器USART_CR1、USART_CR2、USART_CR3共同进行控制；在功能框图上我们可以发现其USART的控制器具有专门控制发送的发送器、控制接收的接收器，还有唤醒单元、中断控制等等。

发送器：当 USART_CR1 寄存器的发送使能位 TE 置 1 时，启动数据发送，发送移位寄存器的数据会在 TX引脚输出，如果是同步模式 SCLK 也输出时钟信号。一个字符帧发送需要三个部分：**起始位 + 数据帧 + 停止位。**起始位是一个位周期的低电平，位周期就是每一位占用的时间；数据帧就是我们要发送的 8 位或 9 位数据，数据是从最低位开始传输的；停止位是一定时间周期的高电平。停止位时间长短是可以通过 USART 控制寄存器2(USART_CR2) 的 STOP[1:0] 位控制，可选 0.5个、1 个、1.5 个和 2 个停止位。默认使用 1 个停止位。2 个停止位适用于正常 USART 模式、单
线模式和调制解调器模式。0.5 个和 1.5 个停止位用于智能卡模式。

在这里插入图片描述
当发送使能位 TE 置 1 之后，发送器开始会先发送一个空闲帧 (一个数据帧长度的高电平)，接下来就可以往 USART_DR 寄存器写入要发送的数据。在写入最后一个数据后，需要等待 USART 状态寄存器 (USART_SR) 的 TC 位为 1，表示数据传输完成，如果 USART_CR1 寄存器的 TCIE 位置1，将产生中断。
在这里插入图片描述
接收器：如果将 USART_CR1 寄存器的 RE 位置 1，使能 USART 接收，使得接收器在 RX 线开始搜索起始位。在确定到起始位后就根据 RX 线电平状态把数据存放在接收移位寄存器内。接收完成后就把接收移位寄存器数据移到 RDR 内，并把 USART_SR 寄存器的 RXNE 位置 1，同时如果USART_CR2 寄存器的 RXNEIE 置 1 的话可以产生中断。
在这里插入图片描述

三、stm32库的配置

主要的函数：

USART_Init();  //初始化串口
USART_ITConfig(); //中断配置函数
NVIC_Init();  //配置中断
USART_SendData();  //数据发送函数
USART_GetFlagStatus(); //接受标志位函数
USART_GetITStatus();  //发送标志位函数
USART_ClearITPendingBit();//清除中断预处理
USART_ReceiveData();  //数据接受函数

usart_init（）

void USART2_Init(unsigned long ulBaud)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;USART_InitTypeDef USART_InitStruct;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2, ENABLE);GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); USART_InitStruct.USART_BaudRate = ulBaud;  //波特率USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; //8位数据位USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;  //1位停止位USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;  //无校验位USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;//收发模式USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl= USART_HardwareFlowControl_None;//硬件流控制，一般选择noneUSART_Init(USART2, &USART_InitStruct);// 使能串口USART_Cmd(USART2, ENABLE);// 允许串口接受中断USART_ITConfig(USART2, USART_IT_RXNE, ENABLE);	// 允许串口中断NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = USART2_IRQn;//中断通道为串口2NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;//先站优先级NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;//从占优先级NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;//使能NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
}

发送一个字符

unsigned char USART_SendChar(USART_TypeDef* USARTx, unsigned char ucChar)
{while(!USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_TXE));//不断检查标志位USART_SendData(USARTx, ucChar);//发送字符数据return ucChar;//返回发送的字符
}

发送字符串

void USART_SendString(USART_TypeDef* USARTx, unsigned char* pucStr)
{while(*pucStr != '\0')USART_SendChar(USARTx, *pucStr++);
}

接受中断

void USART2_IRQHandler(void)
{	u8 temp;if(USART_GetITStatus(USART2,USART_IT_RXNE) == SET){USART_ClearITPendingBit(USART2,USART_IT_RXNE);temp =  USART_ReceiveData(USART2);if(temp == '\n'){RXCUNT = 0;RXOVER = 1;USART_ITConfig(USART2, USART_IT_RXNE, DISABLE);}else{RXBUF[RXCUNT] = temp;RXCUNT++;}}
}

main函数
在main函数上要用到几个标志位

u8 RXBUF[20];  //储存数组
u8 RXCUNT=0;   //接受计数
u8 RXOVER=0;     //接受标准

int main(void)
{USART2_Init(9600);while(1){if(RXOVER==1)   //接受标志位{RXOVER=0;   //标志清零USART_ITConfig(USART2,USART_IT_RXNE, ENABLE);   //清除中断标志位if(RXBUF[0]=='C')   //当发送“C”则打印1111{USART_SendString(USART2,"  1111  ");	}if(RXBUF[0]=='S'){USART_SendString(USART2,"  2222  ");	}memset(RXBUF,'\0',sizeof(RXBUF));  //清空数组}}
}