串口通信-輪詢方式

1 串口通信概述

1.1 計算機通信的基本概念

計算機通信： 將計算機技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合，完成計算機與外部設(shè)備或計算機與計算機之間的信息交換。按照數(shù)據(jù)傳輸方式的不同，可以分為串行通信和并行通信兩類。

串行通信： 數(shù)據(jù)逐位傳輸，傳輸線少，長距離傳輸時成本低，但數(shù)據(jù)的傳輸控制較復(fù)雜。按照實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步的方式，可以分為同步串行和異步串行兩種。

• 同步串行通信： 數(shù)據(jù)傳輸以數(shù)據(jù)塊（一組字符）為單位，在一個數(shù)據(jù)塊內(nèi)，字符與字符間無間隔，收發(fā)雙方依靠獨立的時鐘線進行信號的同步。
  
• 異步串行通信： 數(shù)據(jù)傳輸以單個字符為單位，字符和字符之間的間隙任意，字符內(nèi)部每一位持續(xù)的時間相同。收發(fā)雙方?jīng)]有專門的時鐘信號，而是依靠事先約定的字符格式和通信速率來完成通信適用于大批量的數(shù)據(jù)傳輸。
  

并行通信： 多位數(shù)據(jù)同時傳輸，傳輸控制簡單，傳輸速度快，但是在長距離傳輸時硬件成本較高。

1.2 異步串行通信

異步通信的兩個關(guān)鍵點是字符格式和 波特率 ，字符格式?jīng)Q定了數(shù)據(jù)的傳輸形式，波特率決定了字符中每一位數(shù)據(jù)的持續(xù)時間。

字符格式

? 1 位起始位，規(guī)定為低電平；
? 5～8 位數(shù)據(jù)位，即要傳送的有效信息；
? 1 位奇偶校驗位；
? 1～2 位停止位，規(guī)定為高電平。

常用字符格式：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗，1位停止位

傳輸時低位在前，高位在后，上圖發(fā)送數(shù)據(jù)為0xE9。

通信速率

波特率：每秒鐘傳送二進制數(shù)碼的位數(shù)，以bit/s（bps）為單位。

常用的波特率有：9600、19200、38400、57600和115200；

波特率為115200，表示每秒傳輸115200位，且每一位數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)線上持續(xù)時間為Tbit= 1/115200 ≈ 8.68us

異步串行通信的數(shù)據(jù)接收過程

接收過程的本質(zhì)是數(shù)據(jù)采樣，假設(shè)接收端的采樣時鐘是波特率的16倍。

① 接收過程由起始位的下降沿啟動；
② 接收端等待8個時鐘周期，以便建立一個接近比特周期中間的采樣點；
③ 接收端等待16個時鐘周期，使其進入第一個數(shù)據(jù)位周期的中點；
④ 第一個數(shù)據(jù)位被采樣并存儲在接收寄存器中；
⑤ 串口模塊在采樣第二個數(shù)據(jù)位之前等待另外16個時鐘周期；
⑥ 重復(fù)此過程，直到所有數(shù)據(jù)位都被采樣和存儲；
⑦ 由停止位的上升沿使數(shù)據(jù)線返回到空閑狀態(tài)。

串口通信的數(shù)據(jù)傳輸方向

錯誤校驗方式

• 奇偶校驗：奇校驗表示數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)與校驗位“1”的個數(shù)之和為奇數(shù)；偶校驗表示數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)與校驗位“1”的個數(shù)之和為偶數(shù)。
• 代碼和校驗：發(fā)送方將所發(fā)數(shù)據(jù)塊求和，產(chǎn)生一個字節(jié)的校驗字符附加到數(shù)據(jù)塊末尾。接收方采用同樣方式進行檢測。
• 循環(huán)冗余校驗：通過某種數(shù)學(xué)運算實現(xiàn)有效信息與校驗位之間的循環(huán)校驗，常用于磁盤信息的傳輸、存儲區(qū)的完整性校驗等。

2 STM32串口通信

2.1 串口收發(fā)單元

串口收發(fā)單元主要利用數(shù)據(jù)寄存器DR，發(fā)送引腳TX，接收引腳RX，以及三個通信狀態(tài)位TXE、TC和RXNE來完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

• TXE：發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器空標志。當TDR寄存器的內(nèi)容已經(jīng)傳送到發(fā)送移位寄存器 時，該位由硬件置1。如果串口控制寄存器CR1中的TXEIE位為1，將會觸發(fā)發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器空中斷。注意：當TXE置1時，數(shù)據(jù)有可能還在發(fā)送。
• TC：發(fā)送完成標志。當發(fā)送移位寄存器的內(nèi)容發(fā)送完成，同時TDR寄存器也為 空時，該位由硬件置1，表示本次數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成。如果串口控制寄存器CR1中的TCIE位為1，將會觸發(fā)發(fā)送完成中斷。注意：當TC置1時，數(shù)據(jù)才是真正地發(fā)送完成。
• RXNE：接收數(shù)據(jù)寄存器不為空標志。當移位寄存器的內(nèi)容已經(jīng)傳送到接收數(shù)據(jù)寄存器RDR時，該位由硬件置1。如果串口控制寄存器CR1中的RXNEIE位為1，將會觸發(fā)接收數(shù)據(jù)寄存器不為空中斷。

數(shù)據(jù)寄存器DR在硬件上分為TDR和RDR兩個寄存器，通過數(shù)據(jù)的流向進行區(qū)分，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用了雙緩沖結(jié)構(gòu)；

發(fā)送時，數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送入TDR寄存器，然后傳送到發(fā)送移位寄存器完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為串行數(shù)據(jù)，最后通過TX引腳發(fā)送；

接收時，數(shù)據(jù)通過RX引腳逐位送入接收移位寄存器，8位數(shù)據(jù)接收完成后，送入RDR寄存器，供用戶讀取。

USB轉(zhuǎn)TTL串口模塊

2.2 串口的數(shù)據(jù)類型定義

①外設(shè)句柄的定義：

HAL庫在結(jié)構(gòu)上，對每個外設(shè)抽象成了一個稱為ppp_HandleTypeDef的結(jié)構(gòu)體，其中ppp就是每個外設(shè)的名字。所有的函數(shù)都是工作在ppp_HandleTypeDef指針之下。

例如，使用USART2時，可以定義USART初始化結(jié)構(gòu)體變量（全局變量）huart2。

UART_HandleTypeDef huart2;

huart2就被稱為串口的句柄，它被貫穿整個USART收發(fā)的流程。

②外設(shè)句柄數(shù)據(jù)類型的組成：

③串口初始化數(shù)據(jù)類型：

成員變量WordLength的取值范圍

成員變量StopBits的取值范圍

成員變量Parity的取值范圍

成員變量Mode的取值范圍

成員變量HwFlowCtI的取值范圍

成員變量OverSampling的取值范圍

2.3 外設(shè)初始化設(shè)計思想

①串口初始化過程：

抽象—串口初始化函數(shù)MX_USART2_UART_Init： 將與MCU無關(guān)的通信參數(shù)存入句柄結(jié)構(gòu) + 使用HAL_UART_Init執(zhí)行串口初始化操作，將句柄參數(shù)寫入寄存器。

HAL_UART_Init 干了哪些事？

• 調(diào)用 HAL_UART_MspInit
• 修改狀態(tài)忙
• 配置寄存器
• 清除標志位

承載—與MCU相關(guān)的初始化函數(shù)HAL_UART_MspInit ：時鐘初始化 + 引腳初始化

3 串口通信方式

• 輪詢方式：CPU不斷檢測串口的狀態(tài)標志來判斷數(shù)據(jù)收發(fā)的情況。特點：程序設(shè)計簡單，但CPU在檢測標志位期間，無法執(zhí)行其他任務(wù)，CPU利用率較低。
• 中斷方式：使能中斷后，接收一字節(jié)數(shù)據(jù)或發(fā)送一字節(jié)后申請中斷，在ISR中完成后續(xù)處理。在數(shù)據(jù)收發(fā)期間，CPU可以執(zhí)行其他任務(wù)，CPU利用率較高。
• DMA方式：初始化時設(shè)置相關(guān)參數(shù)，啟動DMA傳輸后，數(shù)據(jù)傳輸過程不需要CPU的干預(yù)。傳輸完成后，再產(chǎn)生DMA中斷，由CPU進行后續(xù)處理。傳輸效率最高。

4 輪詢方式的串口通信 ##

1. 串口初始化函數(shù)：HAL_UART_Init

   函數(shù)原型	HAL StatusTypeDef HAL_UART_Init (UART_HandleTypeDef *huart)
   功能描述	按照串口句柄中指定的參數(shù)初始化串口
   入口參數(shù)	huart:串口句柄的地址
   返回值	HAL狀態(tài)值:HAL_OK表示初始化成功,HAL_ERROR表示初始化失敗
   注意事項	1.該函數(shù)將調(diào)用與MCU相關(guān)的初始化函數(shù)HAL_UART_Msplnit完成時鐘、引腳和中斷等底層硬件的初始化操作2.該函數(shù)由CubeMX自動生成

2. 接口函數(shù)：HAL_UART_Transmit

   函數(shù)原型	HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_Handle TypeDef *huart, uint 8_t *pData, uint 16_t Size, uint 32_t Timeout)
   功能描述	在輪詢方式下發(fā)送一定數(shù)量的數(shù)據(jù)
   入口參數(shù)1	huart：串口句柄的地址
   入口參數(shù)	pData：待發(fā)送數(shù)據(jù)的首地址
   入口參數(shù)3	Size：待發(fā)送數(shù)據(jù)的個數(shù)
   入口參數(shù)4	Timeout：超時等待時間， 以ms為單位， HAL MAX DELAY表示無限等待
   返回值	HAL狀態(tài)值：HAL_OK表示發(fā)送成功；HAL_ERROR表示參數(shù)錯誤；HAL_BUSY表示串口被占用；HAL_TIMEOUT表示發(fā)送超時
   注意事項	1.該函數(shù)連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送過程中通過判斷TXE標志來發(fā)送下一個數(shù)據(jù)，通過判斷TC標志來結(jié)束數(shù)據(jù)的發(fā)送2.如果在等待時間內(nèi)沒有完成發(fā)送，則不再發(fā)送，返回超時標志3.該函數(shù)由用戶調(diào)用

3. 接口函數(shù)：HAL_UART_Receive

   函數(shù)原型	HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(UART_Handle TypeDef *huart, uint 8_t *pData, uint 16_t Size, uint 32_t Timeout)
   功能描述	在輪詢方式下接收一定數(shù)量的數(shù)據(jù)
   入口參數(shù)1	huart：串口句柄的地址
   入口參數(shù)	pData：存放數(shù)據(jù)的首地址
   入口參數(shù)3	Size：待接收數(shù)據(jù)的個數(shù)
   入口參數(shù)4	Timeout：超時等待時間， 以ms為單位， HAL MAX DELAY表示無限等待
   返回值	HAL狀態(tài)值：HAL_OK表示發(fā)送成功；HAL_ERROR表示參數(shù)錯誤；HAL_BUSY表示串口被占用；HAL_TIMEOUT表示發(fā)送超時
   注意事項	1.該函數(shù)連續(xù)接收數(shù)據(jù)，接收過程中通過判斷RXNE標志來發(fā)送下一個數(shù)據(jù)2.如果在等待時間內(nèi)沒有完成接收，則不再接收，返回超時標志3.該函數(shù)由用戶調(diào)用

5 任務(wù)實踐1

在PC上利用串口調(diào)試助手發(fā)送數(shù)據(jù)到MCU，MCU調(diào)用scanf函數(shù)讀取數(shù)據(jù)，然后調(diào)用printf函數(shù)發(fā)送應(yīng)答信息到PC。

1. 串口外設(shè)配置
   

   • 異步模式，無硬件流控
   • 設(shè)置通信參數(shù)：波特率115200，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗，1位停止位，使能接收和發(fā)送，16倍過采樣（CubeMX默認配置）

2. 在Keil中勾選Use MicroLIB
   

3. 編寫代碼
   printf和scanf重定向

   /* USER CODE BEGIN Includes */
   #include < stdio.h >
   /* USER CODE END Includes */
   
   int fputc (int ch, FILE *f)
   {
       HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
       return ch;
   }
   int fgetc(FILE *f)
   {
       uint8_t ch = 0;
       HAL_UART_Receive(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
       return ch;
   }
   /* USER CODE END 4 */
   

   用戶應(yīng)用代碼——猜數(shù)游戲

   /* USER CODE BEGIN 3 */
       printf("Please guess a number between 0 to 9n");
       if (scanf("%d", &guess_num) == 1)
       {
         if (guess_num == ans)
         {
           printf("You are right! It's %dn", ans);
         }
         else
         {
           printf("You are wrong! It is not %dn", guess_num);
         }
       }
     }
     /* USER CODE END 3 */
   

   實驗現(xiàn)象