STM32 片上资源之串口

1 串口介绍

1.1 初步介绍

STM32F407系列包含最多6个USART/UART接口。 4个通用同步/异步收发器(USART)，2个通用异步收发器(UART)。

具体型号的可用串口数量可能不同，需参考具体型号的数据手册。

1.2 主要特性

1.2.1 USART特性

全双工异步通信

单线半双工通信

同步通信(需要时钟线)

支持LIN协议

支持智能卡协议(ISO7816)

支持IrDA SIR ENDEC规范

支持调制解调器操作(CTS/RTS)

1.2.2 UART特性

全双工异步通信

单线半双工通信

支持LIN协议

支持IrDA SIR ENDEC规范

支持调制解调器操作(CTS/RTS)

1.3 主要寄存器

每个USART/UART包含以下主要寄存器：

USART_SR - 状态寄存器

USART_DR - 数据寄存器

USART_BRR - 波特率寄存器

USART_CR1/CR2/CR3 - 控制寄存器

1.4 波特率计算

波特率计算公式：

波特率 = fCK / (16 * USARTDIV)
其中：

fCK是USART时钟频率(APB1或APB2总线)

USARTDIV是写入USART_BRR寄存器的值

1.5 常用工作模式

1.5.1 轮询模式：

1. 简单直接

2. 占用CPU资源

3. 适合低速率或简单应用

1.5.2 中断模式：

1. 数据收发通过中断处理

2. 提高CPU利用率

3. 需要配置NVIC

1.5.3 DMA模式：

1. 高效数据传输

2. 适合大数据量传输

3. 需要配置DMA控制器

1.6 常见应用

1. 与PC通信(通过USB转串口)
2. 与GPS模块通信
3. 与无线模块(如蓝牙、WiFi)通信
4. 工业设备间的RS232/RS485通信
5. 调试信息输出

1.7 注意事项

1. 确保时钟配置正确(USART时钟使能)

2. 注意GPIO复用功能配置

3. 不同USART挂载在不同APB总线上，时钟频率可能不同

4. 使用DMA时注意缓冲区管理

5. 在低功耗应用中注意唤醒源配置

2 软件层面协议

2.1 基本概念

串口通信是一种常见的设备间通信方式，以下是关于串口通信协议的全面介绍。串口通信(Serial Communication)是指通过单根数据线按位顺序传输数据的通信方式，与之相对的是并行通信。

2.2 物理层标准

2.2.1 RS-232硬件标准

最传统的串口标准

电压范围：±3V至±15V

典型DB9连接器

传输距离短(约15米)

2.2.2 RS-422：

差分信号传输

传输距离可达1200米

全双工通信

2.2.3 RS-485：

改进的RS-422

支持多点通信(最多32个节点)

半双工通信

工业环境常用

2.3 协议核心参数

2.3.1 波特率(Baud Rate)：

波特率即每秒钟传输二进制信息的位数，单位是为位／秒（bps或bit/s）。如每秒钟传输240个字符，每个字符帧格式包含10位(1个起始位、1个停止位、8个数据位)，则此时的波特率为：

传输距离与波特率及传输线的电气特性有关。当传输线使用每0.3m（约1英尺）有50pF电容的非平衡屏蔽双绞线时，传输距离随波特率的增加而减小。当波特率超过1000 bps 时，最大传输距离迅速下降，如115200 bps 时最大距离下降到只有30m。

常见值：9600, 19200, 38400, 57600, 115200等

通信双方必须一致

2.3.2 数据位(Data Bits)：

通常5-9位，常用8位

2.3.3 停止位(Stop Bits)：

1位、1.5位或2位

用于标识数据包结束

2.3.4 校验位(Parity Bit)：

可选：无校验(None)、奇校验(Odd)、偶校验(Even)

用于简单错误检测。

若设置为奇校验，则当接收方接收到数据时，校验“1”的个数是否为奇数，从而确定数据传输是否正确；若设置为偶校验，则当接收方接收到数据时，校验“1”的个数是否为偶数，从而确定数据传输是否正确；若设置为无校验，则不对数据传输的正确性做判断。

2.4 数据帧结构

3 代码

#include "stm32f4xx_usart.h"
#include "stm32f4xx_rcc.h"
#include "stm32f4xx_gpio.h"

void USART_Config(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    USART_InitTypeDef USART_InitStruct;

    // 1. 时钟使能
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);

    // 2. 配置 PA9(TX) 和 PA10(RX)
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // 配置复用功能
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_USART1);
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_USART1);

    // 3. 配置 USART1
    USART_InitStruct.USART_BaudRate = 115200;
    USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStruct);

    // 4. 启动 USART
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

void USART1_SendChar(uint8_t ch) {
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    USART_SendData(USART1, ch);
}