CH03-05-STM32F40x的串口通信模塊原理

《嵌入式系統(tǒng)原理與開發(fā)設(shè)計(jì)》STM32F40x的串口通信模塊原理主講人：賴樹明東莞理工學(xué)院05STM32F40x串口作業(yè)01通信方式簡介02標(biāo)準(zhǔn)UART通信介紹03STM32F40x串口模塊04STM32F40x串口示例01通信方式簡介串行通信和并行通信同步通信和異步通信單工/半雙工/全雙工通信方式簡介串行通信和并行通信01計(jì)算機(jī)與外界的信息交換稱為通信，基本通信方式有兩種:并行通信:數(shù)據(jù)的各位同時(shí)發(fā)送或接收;串行通信:數(shù)據(jù)的各位按順序一位一位地發(fā)送或接收。通信方式通信的雙方?jīng)]有共同的時(shí)鐘線相連，時(shí)鐘相互獨(dú)立。具有位錯(cuò)誤檢測功能，應(yīng)用較廣泛。在單片機(jī)中主要是采用異步通信方式。通信雙方只需按約定的幀格式來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，硬件結(jié)構(gòu)比同步通信方式簡單。異步通信通信方式簡介同步通信和異步通信01接收和發(fā)送時(shí)鐘嚴(yán)格保持同步，在通信時(shí)要求有同步時(shí)鐘信號。對硬件電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求較高，一般需要走差分等長線。易于進(jìn)行串行外圍擴(kuò)展，在單片機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。典型應(yīng)用：I2C串行總線、SPI串行接口通信總線等。同步通信按照數(shù)據(jù)傳送方向，串行通信可分為單工制式、半雙工制式和全雙工制式。概述通信方式簡介單工/半雙工/全雙工01單工制式：數(shù)據(jù)在甲機(jī)和乙機(jī)之間只允許單方向傳送。兩機(jī)之間只需1條數(shù)據(jù)線。半雙工制式：數(shù)據(jù)在甲機(jī)和乙機(jī)之間允許雙方向傳送，但只能分時(shí)復(fù)用，因而兩機(jī)之間只需1條數(shù)據(jù)線。全雙工制式：甲、乙兩機(jī)之間數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收可以同時(shí)進(jìn)行，全雙工形式的串行通信必須使用2條數(shù)據(jù)線。特征說明02標(biāo)準(zhǔn)UART通信介紹UART通信四要素UART通信數(shù)據(jù)幀格式串口助手參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)UART通信介紹UART通信四要素02波特率:用來控制通信速度的，控制每個(gè)位傳輸?shù)臅r(shí)間長度。數(shù)據(jù)位長度:5~8位可變，決定每幀數(shù)據(jù)有效長度。校驗(yàn)位:奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)、無校驗(yàn)(不需要校驗(yàn)位)。停止位:0.5、1位、1.5位、2位可變。四要素總結(jié)標(biāo)準(zhǔn)UART通信介紹UART通信四要素02任何型號單片機(jī)集成的UART模塊，也一定會實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)UART的這四個(gè)要素，進(jìn)行UART編程時(shí)初始化代碼中也一定要配置這四要素。異步通信數(shù)據(jù)幀格式標(biāo)準(zhǔn)UART通信介紹UART通信數(shù)據(jù)幀格式0203STM32F40x串口模塊特征介紹中斷功能IO引腳分布結(jié)構(gòu)框架分析波特率計(jì)算寄存器詳解通用同步異步收發(fā)器(USART)能夠靈活地與外部設(shè)備進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)交換。USART

通過小數(shù)波特率發(fā)生器提供了多種波特率。它支持同步單向通信和半雙工單線通信；還支持LIN（局域互連網(wǎng)絡(luò)）、智能卡協(xié)議與IrDA（紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會）SIRENDEC規(guī)范，以及調(diào)制解調(diào)器操作(CTS/RTS)。它還支持多處理器通信，通過配置多個(gè)緩沖區(qū)使用DMA可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。概述簡要框圖STM32F40x串口模塊串口概述03全雙工異步通信小數(shù)波特率發(fā)生器系統(tǒng)：通用可編程收發(fā)波特率數(shù)據(jù)字長度可編程（8位或9位(包含校驗(yàn)位時(shí))）停止位可配置：支持1或2個(gè)停止位奇偶校驗(yàn)控制：發(fā)送奇偶校驗(yàn)位、檢查接收的數(shù)據(jù)字節(jié)的奇偶性標(biāo)準(zhǔn)特征四個(gè)錯(cuò)誤檢測標(biāo)志：溢出錯(cuò)誤、幀錯(cuò)誤、奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤傳輸檢測標(biāo)志：接收緩沖區(qū)已滿：表示已經(jīng)接收到數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)為空：表示發(fā)送緩沖已經(jīng)沒有數(shù)據(jù)，可以寫入新數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束標(biāo)志：也可以做為發(fā)送新數(shù)據(jù)的依據(jù)狀態(tài)標(biāo)志STM32F40x串口模塊特征介紹03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中斷事件單線半雙工通信發(fā)送器和接收器具有單獨(dú)使能位NRZ標(biāo)準(zhǔn)格式（標(biāo)記/空格）可配置為16倍過采樣或8倍過采樣使用DMA（直接存儲器訪問）實(shí)現(xiàn)可配置的多緩沖區(qū)通信擴(kuò)展特征奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤幀錯(cuò)誤CTS變化溢出錯(cuò)誤發(fā)送期間：發(fā)送完成、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器為空中斷接收期間：空閑線路檢測、上溢錯(cuò)誤、接收數(shù)據(jù)寄存器不為空、奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤、LIN斷路檢測、噪聲標(biāo)志（僅限多緩沖區(qū)通信）和幀錯(cuò)誤（僅限多緩沖區(qū)通信）中斷說明中斷列表STM32F40x串口模塊中斷功能03中斷事件事件標(biāo)志使能控制位發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器為空TXETXEIECTS標(biāo)志CTSCTSIE發(fā)送完成TCTCIE準(zhǔn)備好讀取接收到的數(shù)據(jù)RXNERXNEIE檢測到上溢錯(cuò)誤ORE檢測到空閑線路IDLEIDLEIE奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤PEPEIE斷路標(biāo)志LBDLBDIE多緩沖區(qū)通信中的噪聲標(biāo)志、上溢錯(cuò)誤和幀錯(cuò)誤NF或ORE或FEEIESTM32F40X有多個(gè)串口，串口1~3有同步功能（非標(biāo)準(zhǔn)功能），串口4，5沒有同步功能。請參考：

STM32F407ZGT6.pdfIO引腳功能表查詢P56頁

Table6.STM32F40xpinandballdefinitions(continued)復(fù)用功能表查詢P56頁Table7.Alternatefunctionmapping概述USART1_TX:PA9或PB6USART1_RX:PA10或PB7復(fù)用功能：AF7串口1STM32F40x串口模塊IO口分布03USART2_TX:PA2或PD6USART2_RX:PA3或PD7復(fù)用功能：AF7串口2USART3_TX:PB10/

PC10/PD8USART3_RX:PB11/PC11/PD9復(fù)用功能：AF7串口3UART4_TX:PA0或PC10UART4_RX:PA1或PC11復(fù)用功能：AF8串口4UART5_TX:PC12UART5_RX:PD2復(fù)用功能：AF8串口5IO引腳如果使用到復(fù)用功能，在初始化步驟中必須正確配置為復(fù)用功能。特別強(qiáng)調(diào)大圖見《STM32F4xx中文參考手冊.pdf》26.3USART功能說明小節(jié)

圖246.USART框圖收發(fā)框架STM32F40x串口模塊框架分析03開發(fā)者把數(shù)據(jù)寫入到DR數(shù)據(jù)寄存器中，數(shù)據(jù)自動流入TDR，當(dāng)發(fā)送移位寄存器為空時(shí)，數(shù)據(jù)自動流入發(fā)送移位寄存器，在發(fā)送時(shí)鐘的作用下，逐位發(fā)送到TXD引腳上

。數(shù)據(jù)發(fā)送RXD引腳上的數(shù)據(jù)在接收時(shí)鐘的作用下，逐位移入移位寄存器，當(dāng)接收數(shù)據(jù)位達(dá)到指定長度，移位寄存器數(shù)據(jù)自動流入RDR，開發(fā)者通過DR數(shù)據(jù)寄存器把數(shù)據(jù)從RDR寄存器中取出

。接收數(shù)據(jù)框架概述發(fā)送控制框架STM32F40x串口模塊框架分析03CR1：PS,CE,M,UEP,TE，TXEIE，TCIE,CR2:STOP[1:0]CR1：TXEIE，TCIE,SR：SR狀態(tài)寄存器實(shí)時(shí)反應(yīng)模塊當(dāng)前工作狀態(tài)，與發(fā)送相關(guān)狀態(tài)位是TXE,TC，當(dāng)這些位被硬件設(shè)置為1，如使能了中斷，則會產(chǎn)生中斷請求。發(fā)送控制大圖見《STM32F4xx中文參考手冊.pdf》26.3USART功能說明小節(jié)

圖246.USART框圖結(jié)構(gòu)框架STM32F40x串口模塊框架分析03CR1：PS,CE,M,UEP，RECR2:STOP[1:0]接收控制CR1：RXNE,IDLEIE，PEIESR：SR狀態(tài)寄存器實(shí)時(shí)反映模塊當(dāng)前工作狀態(tài)，與接收相關(guān)狀態(tài)位是RXNE,IDLE,PE,ORE,NF，F(xiàn)E，當(dāng)這些位被硬件設(shè)置為1，如果使能了中斷，則會產(chǎn)生中斷請求。接收中斷控制大圖見《STM32F4xx中文參考手冊.pdf》26.3USART功能說明小節(jié)

圖246.USART框圖``結(jié)構(gòu)框架STM32F40x串口模塊框架分析03BRR：由DIV_Mantissa和DIV_Fraction組成。

DIV_Mantissa：分頻整數(shù)部分;

DIV_Fraction：分頻小數(shù)部分*16的取整波特率控制計(jì)算公式STM32F40x串口模塊波特率計(jì)算03題目：USART1來計(jì)算，波特率為bound，求出BRR寄存器的值？計(jì)算過程：usart1的時(shí)鐘為：84M；波特率為bound，采用16倍采樣速度。floatusartdiv=0;u32div_m=0;u32div_f=0;usartdiv=84000000L/(16*bound);div_m=usartdiv;//自動取整，去掉了小數(shù)部分div_f=(usartdiv–div_m)*16+0.5;//四舍五入div_m=(div_m<<4)+div_f;USART1->BRR=div_m;示例狀態(tài)寄存器(USART_SR)：反映相應(yīng)功能的某種狀態(tài)寄存器位7TXE：發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器為空當(dāng)TDR寄存器的內(nèi)容已傳輸?shù)揭莆患拇嫫鲿r(shí)，該位由硬件置1。清零:寫USART_DR寄存器或?qū)懭肓闱迩辶阍撐弧?：數(shù)據(jù)未傳輸?shù)揭莆患拇嫫鳎?：數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭莆患拇嫫魑?TC：發(fā)送完成如果已完成對包含數(shù)據(jù)的幀的發(fā)送并且TXE置1，則該位由硬件置1。清零：讀USART_SR寄存器，然后向USART_DR寄存器寫數(shù)據(jù)或向該位寫入‘0;0：傳送未完成1：傳送已完成

位5RXNE：讀取數(shù)據(jù)寄存器不為空當(dāng)RDR寄存器的內(nèi)容已傳輸?shù)経SART_DR寄存器時(shí)，該位由硬件置1。讀USART_DR寄存器或向該位寫0都可清零。0：未接收到數(shù)據(jù)；1：已準(zhǔn)備好讀取接收到的數(shù)據(jù)

功能說明STM32F40x串口模塊寄存器詳解03數(shù)據(jù)寄存器(USART_DR)：寄存器作用：用來存放要發(fā)送或已接收到的數(shù)據(jù)。

寄存器DR[8:0]：數(shù)據(jù)值，表示包含接收到數(shù)據(jù)字符或已發(fā)送的數(shù)據(jù)字符，具體取決于所執(zhí)行的操作是“讀取”操作還是“寫入”操作。數(shù)據(jù)寄存器包含兩個(gè)寄存器，一個(gè)用于發(fā)送(TDR)，一個(gè)用于接收(RDR)，因此它具有雙重功能（讀和寫）。

TDR寄存器在內(nèi)部總線和輸出移位寄存器之間提供了并行接口;RDR寄存器在輸入移位寄存器和內(nèi)部總線之間提供了并行接口;在使能奇偶校驗(yàn)位的情況下:發(fā)送:由于MSB的寫入值（位7或位8，具體取決于數(shù)據(jù)長度）會被奇偶校驗(yàn)位所取代，因此該值不起任何作用。

接收:從MSB位中讀取的值為接收到的奇偶校驗(yàn)位。

功能說明STM32F40x串口模塊寄存器詳解03波特比率寄存器(USART_BRR)：設(shè)置串口發(fā)送時(shí)鐘的分頻比寄存器STM32F40x串口模塊寄存器詳解03波特率計(jì)算公式：fck表示：USART的工作時(shí)鐘(84M/42M)。Tx/Rx波特率由程序員設(shè)計(jì)，這是一個(gè)已知量。OVER8：過采樣方式(16倍過采樣、8倍過采樣)，也是一個(gè)已知量；根據(jù)上述公式即可算出：USARTDIV。功能說明計(jì)算USART1波特率設(shè)置，fck=84M，波特率為115200，以16位采樣速度。示例STM32F40x串口模塊寄存器詳解03波特率計(jì)算公式：floatusartdiv;u32div_mantissa,div_fraction.usartdiv=84000000UL/(8*(2-0)*115200.0);整數(shù)部分：div_mantissa=usartdiv;小數(shù)部分：div_fraction=(usartdiv–div_mantissa)*16+0.5;最終于填入波特率寄存器的值：USART_BRR=(div_mantissa<<4)+div_fraction;計(jì)算說明控制寄存器1(USART_CR1)：寄存器位15OVER8：過采樣模式(Oversamplingmode)

0：16倍過采樣1：8倍過采樣

位13UE：USART使能(USARTenable)

該位清零后，USART預(yù)分頻器和輸出將停止，并會結(jié)束當(dāng)前字節(jié)傳輸以降低功耗。

0：禁止USART預(yù)分頻器和輸出；1：使能USART

位12M：字長(Wordlength)該位決定了字長

0：1起始位，8數(shù)據(jù)位，n停止位；1：1起始位，9數(shù)據(jù)位，n停止位

位10PCE：奇偶校驗(yàn)控制使能(Paritycontrolenable)

0：禁止奇偶校驗(yàn)控制1：使能奇偶校驗(yàn)控制

位9PS：奇偶校驗(yàn)選擇(Parityselection)

0：偶校驗(yàn)；1：奇校驗(yàn)

功能說明STM32F40x串口模塊寄存器詳解03控制寄存器1(USART_CR1)：寄存器位8PEIE：PE中斷使能(PEinterruptenable)

0：禁止中斷；1：當(dāng)USART_SR寄存器中PE=1時(shí)，生成USART中斷

位7TXEIE：TXE中斷使能(TXEinterruptenable)

0：禁止中斷1：當(dāng)USART_SR寄存器中TXE=1時(shí)，生成USART中斷。位6TCIE：傳送完成中斷使0：禁止中斷；1：當(dāng)USART_SR寄存器中TC=1時(shí)，生成USART中斷位5RXNEIE：RXNE中斷使能(RXNEinterruptenable)

0：禁止中斷；1：當(dāng)USART_SR寄存器中ORE=1或RXNE=1時(shí)，生成USART中斷功能說明STM32F40x串口模塊寄存器詳解03控制寄存器1(USART_CR1)：寄存器位4IDLEIE：IDLE中斷使能(IDLEinterruptenable)

0：禁止中斷；1：當(dāng)USART_SR寄存器中IDLE=1時(shí)，生成USART中斷

位3TE：發(fā)送器使能(Transmitterenable)0：禁止發(fā)送器；1：使能發(fā)送器位2RE：接收器使能(Receiverenable)

0：禁止接收器；1：使能接收器并開始搜索起始位功能說明STM32F40x串口模塊寄存器詳解03控制寄存器2(USART_CR2)：寄存器位13:12STOP：停止位(STOPbit)

這些位用于編程停止位。

00：1個(gè)停止位

01：0.5個(gè)停止位

10：2個(gè)停止位

11：1.5個(gè)停止位

注意：0.5個(gè)停止位和1.5個(gè)停止位不適用于UART4和UART5。

功能說明STM32F40x串口模塊寄存器詳解0304STM32F40x串口示例硬件分析軟件分析軟件編程原理圖說明查看信盈達(dá)STM32F407物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺-智能網(wǎng)關(guān)原理圖.pdf文檔，按鍵硬件設(shè)置原理圖如下所示：原理圖分析1.GPIOPA2/3復(fù)用成USART2。注意1：UART2沒有接CH340，與PC機(jī)進(jìn)行通信，必須外接“USBTOTTL”模塊。注意2：UART2默認(rèn)是連接到GSM模塊，需要和PC進(jìn)行通信，需要把撥碼開關(guān)S2撥到OFF端。如果將撥碼開關(guān)S2撥到ON端，則是USART2_TX則接到螺絲孔V2，USART2_RX則接到接到螺絲孔V3。STM32F40x串口示例硬件分析04概述1.GPIOPA2/3復(fù)用成USART2GPIO復(fù)用功能映射請參考：STM32F4xx中文參考手冊.pdf圖18.在STM32F405xx/07xx和STM32F415xx/17xx上選擇復(fù)用功能復(fù)用配置

STM32F40x串口示例軟件分析04代碼中AFRL，AFRH兩個(gè)寄存器定義為u32AFR[2]，XYD-STM32F407物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱UART2（PA2/3）功能時(shí)，應(yīng)該配置AFR[0]的[11:8]為0111設(shè)計(jì)思路1.初始化函數(shù)1）初始化GPIO口：開時(shí)鐘(GPIOA)、復(fù)用類型(UART2:PA2-TXD2,PA3-RXD2;2）初始化USART2：配置四要素(波特率、數(shù)據(jù)位長度、奇偶校驗(yàn)、停止位長度)、控制寄存器1的配置。3)控制寄存器CR1：

CR1[15]:016倍采樣濾波CR1[13]:1使能串口CR1[12]:0選擇8位數(shù)據(jù)，

CR1[3]:1發(fā)送使能CR1[2]:1接收使能4)控制寄存器CR2：CR2[13:12]：00選擇1個(gè)停止位5)BRR：配置速度，查表或按照計(jì)算公式計(jì)算。6）如果使用中斷接收則增加UART模塊中斷配置:IDLE中斷使能，RXNE中斷使能，NVIC模塊配置2.編寫單字節(jié)發(fā)送函數(shù)、單字節(jié)接收函數(shù)3.編寫字符串發(fā)送函數(shù)4.編寫字符串接收函數(shù)（可選，一般使用中斷接收）5.如果使用中斷接收則增加中斷服務(wù)函數(shù)，編寫中斷接收代碼STM32F40x串口示例軟件分析04GPIO初始化/******************UART2模塊GPIO口配置*************************/RCC->AHB1ENR|=1<<0;//開PA口時(shí)鐘

//配置GPIOA2、GPIOA3為:10復(fù)用輸出模式

GPIOA->MODER&=~(3<<4|3<<6);//對應(yīng)的兩位分別清0GPIOA->MODER|=(2<<6|2<<6);//對應(yīng)的兩位分別設(shè)置為10//配置GPIOA2、GPIOA3為:0輸出推挽（復(fù)位狀態(tài)）

GPIOA->OTYPER&=~(1<<2|1<<3);//對應(yīng)的位分別清0

//配置GPIOA2、GPIOA3為：01：上拉GPIOA->PUPDR&=~(3<<4|3<<6);//對應(yīng)的兩位分別清0GPIOA->PUPDR|=(1<<4|1<<6);//對應(yīng)的兩位分別設(shè)置為01

//配置PA2、3為USART2復(fù)用引用功能

GPIOA->AFR[0]&=~(0xf<<2*4);GPIOA->AFR[0]|=(0x7<<2*4);GPIOA->AFR[0]&=~(0Xf<<3*4);GPIOA->AFR[0]|=(0x7<<3*4);STM32F40x串口示例軟件編程04UART初始化/******************UART2波特率配置*************************/RCC->APB1ENR|=1<<17;//開USART2口時(shí)鐘temp=(float)pclk1/(bound*16);//得到USARTDIV,OVER8設(shè)置為0mantissa=temp;//得到整數(shù)部分fraction=(temp-mantissa)*16;//得到小數(shù)部分,OVER8設(shè)置為0mantissa<<=4;//把整數(shù)部分移到高12位mantissa|=fraction;//把小數(shù)部分填充到低4位USART2->BRR=mantissa;//設(shè)置計(jì)算好的分頻值到波特率寄存器中//控制寄存器CR2：//CR2[13:12]：00選擇1個(gè)停止位USART2->CR2=0;//CR1[15]:016倍采樣濾波//CR1[13]:1使能串口CR1[12]:0選擇8位數(shù)據(jù)//CR1[3]:1發(fā)送使能CR1[2]:1接收使能USART2->CR1=0<<15|1<<13|0<<12|1<<3|1<<2;STM32F40x串口示例軟件編程04中斷初始化/*******************增加UART模塊中斷配置****************************///增加UART模塊中斷配置USART2->CR1|=1<<4;//位4IDLEIE：IDLE中斷使能，實(shí)現(xiàn)非定長數(shù)據(jù)接收USART2->CR1|=1<<5;//位5RXNEIE：RXNE中斷使能，通知CPU取接收到數(shù)據(jù)//NVIC中斷控制器配置//1）選擇分組策略NVIC_SetPriorityGrouping(7-group);//第二組//2）編碼優(yōu)先級priority=NVIC_EncodePriority(7-group,2,2);//搶占2，響應(yīng)2//3）設(shè)置優(yōu)先級NVIC_SetPriority(USART2_IRQn,priority);//4）使能中斷源NVIC_EnableIRQ(USART2_IRQn);STM32F40x串口示例軟件編程04單字節(jié)發(fā)送偽代碼：voiduart_send_byte(uint8_tch){while(上一個(gè)字節(jié)沒有發(fā)送完成)

空等待;UART發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器=ch;}STM32F40x串口示例軟件編程04voiduart2_send_byte(uint8_tch){//等待上一字符發(fā)送完成while((USART2->SR&1<<7)==0);//空等待

USART2->DR=ch;}單字節(jié)接收偽代碼：uint8_tuart_recv_byte(void){while(沒有接收到新數(shù)據(jù))

空等待;returnUART接收數(shù)據(jù)寄存器;}uint8_tuart2_recv_byte(void){uint8_tdata;while((USART2->SR&1<<5)==0);//空等待data=USART2->DR;returndata;}字符串發(fā)送偽代碼：voiduart_send_str(char*str){while(還有字符沒有發(fā)送完成)

{1)調(diào)用