STM32串口的介绍与使用（原理结构体发送字符串printf函数重定向）

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了STM32串口的介绍与使用（原理结构体发送字符串printf函数重定向）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

摘自：串口的结构体 重定向printf串口发送stm32等博文
作者：点灯小哥
发布时间： 2021-03-06 21:46:33
网址：https://blog.csdn.net/weixin_46016743/article/details/114458698

目录

串口相关知识

1.定义

串口通讯(Serial Communication)是一种设备间非常常用的串行通讯方式，因为它简单便捷，因此大部分电子设备都支持该通讯方式，其通讯协议可分层为协议层和物理层。物理层规定通信协议中具有机械、电子功能的特性，从而确保原始数据在物理媒体的传播；协议层主要规定通讯逻辑，统一双方的数据打包、解包标准。通俗的讲物理层规定我们用嘴巴还是肢体交流，协议层规定我们用中文还是英文交流。

2.通信概念

1.通讯结构

串口通讯的物理层的主要标准是RS-232标准，其规定了信号的用途、通讯接口及信号的电平标准，其通讯结构如下：

在这里插入图片描述
在设备内部信号是以TTL电平标准传输的，设备之间是通过RS-232电平标准传输的，而且TTL电平需要经过电平转换芯片才能转化为RS-232电平，RS-232电平转TTL电平也是如此。

2.电平标准

根据使用的电平标准不同，串口通讯可分为 RS-232标准 及TTL标准，具体标准如下：
在这里插入图片描述

在电子电路中常使用TTL的电平标准，但其抗干扰能力较弱，为了增加串口的通讯距离及抗干扰能力，使用RS-232电平标准在设备之间传输信息，经常使用MA3232芯片对TTL电平及RS-232电平进行相互转换。

3.数据传输方式：

  • A同步:
    传输以数据块为核心，在一个数据块内，字符间无间隔，接受发送同步，有sclk时钟，双方sclk连在一起，提供同步
    特点：效率高，无间隔
  • B异步：
    以字符为传输单位，每发一个字符，都得发送一个起始位，（告诉对方我开始发了）结束发送停止位。（我发完了）
    特点：效率低，间隔任意

4.串口数据包组成

起始位、数据位（8位或者9位）、奇偶校验位（第9位）、起始停止位（1,15,2位）、波特率设置

校验方式 :
奇偶校验需要一位校验位，即使用串口通信的方式2或方式3（8位数据位+1位校验位）。
奇校验（odd parity）：让传输的数据（包含校验位）中1的个数为奇数。
即：如果传输字节中1的个数是偶数（不包含校验位），则校验位为“1”，奇数相反。

5.速率类型：

比特（bit）：每秒传输的二进制位
波特（byte）：每秒传输的码源个数（串口常用）

注：这俩本质上其实是差不多的

6.通信类型

  • 串行：一个一个传输 如：fsmc
  • 特点：占用资源多，速度慢，看干扰强
  • 并行：多个一起传输 如：spi usart
  • 特点：占用资源少，速度快。抗干扰能力弱，距离近

7.通信方式

  • 单工：数据传输只支持数据在一个方向上传输；如：打印机

  • 半双工：允许数据在两个方向上传输。但是，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信；它不需要独立的接收端和发送端，两者可以合并一起使用一个端口。如：对讲机，spi

  • 全双工：允许数据同时在两个方向上传输。因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，需要独立的接收端和发送端。如：spi，usart
    在这里插入图片描述

8.概念补充

  • 1.数据包
    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得RXD接口，在协议层中规定了数据包的内容，具体包括起始位、主体数据（8位或9位）、校验位以及停止位，通讯的双方必须将数据包的格式约定一致才能正常收发数据。

  • 2.波特率
    由于异步通信中没有时钟信号，所以接收双方要约定好波特率，即每秒传输的码元个数，以便对信号进行解码，常见的波特率有4800、9600、115200等。STM32中波特率的设置通过串口初始化结构体来实现。

  • 3.起始和停止信号
    数据包的首尾分别是起始位和停止位，数据包的起始信号由一个逻辑0的数据位表示，停止位信号可由0.5、1、1.5、2个逻辑1的数据位表示，双方需约定一致。STM32中起始和停止信号的设置也是通过串口初始化结构体来实现。

  • 4.有效数据
    有效数据规定了主题数据的长度，一般为8或9位，其在STM32中也是通过串口初始化结构体来实现的。

  • 5.数据校验
    在有效数据之后，有一个可选的数据校验位。由于数据通信相对更容易受到外部干扰导致传输数据出现偏差，可以在传输过程加上校验位来解决这个问题。校验方法有奇校验(odd)、偶校验(even)、 0 校验(space)、 1 校验(mark)以及无(noparity)。这些也都可以在串口初始化结构体中实现的。
    在这里插入图片描述

3.USART简介

在这里插入图片描述

USART(通用同步异步收发器)是一个串行通信设备，可以灵活地与外部设备进行全双工数据交换。

有别于 USART 还有一个UART，它是在 USART 基础上裁剪掉了同步通信功能，只有异步通信。简单区分同步和异步就是看通信时需不需要对外提供时钟输出，我们平时用的串口通信基本都是 UART。USART 在 STM32 应用最多莫过于“打印”程序信息，一般在硬件设计时都会预留一USART 通信接口连接电脑，用于在调试程序是可以把一些调试信息“打印”在电脑端的串口调试助手工具上，从而了解程序运行是否正确、如果出错哪具体哪里出错等等。

串口的结构体

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串口的结构体在USART.h里面

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串口标志位
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串口发送字符（STM32发送到上位机）

新建一个usart文件夹，然后添加到工程里面。

usart.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "usart.h"
 
void Usart_Init(void)
{
	//2. 配置GPIO的结构体
	GPIO_InitTypeDef GpioInitStructure; //初始化GPIO结构体命名
	USART_InitTypeDef UsartInitStructure;//初始化USART结构体命名
	
	//1. 配置时钟使能： GPIO口的时钟，引脚复用的时钟，串口的时钟
		RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
		RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
		RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
 
	//2.1 配置PA9 TX（输出）
	GpioInitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;//复用推挽输出
	GpioInitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_9;
	GpioInitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;//任意选择，影响不大
	GPIO_Init(GPIOA,&GpioInitStructure);
	
	//2.2 配置PA10 RX（接收）
	GpioInitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入
	GpioInitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_10;
	GPIO_Init(GPIOA,&GpioInitStructure);
	
	//3.配置串口结构体   这是不带时钟的结构体  还有一个是带时钟的结构图，用于同步
	UsartInitStructure.USART_BaudRate =   115200;    //波特率
	UsartInitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;   //硬件流（没有）
	UsartInitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx| USART_Mode_Tx;//模式（输入输出都可以）
	UsartInitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;			//校验位（不用）
	UsartInitStructure.USART_StopBits =	USART_StopBits_1;		//停止位（1位）
	UsartInitStructure.USART_WordLength =	USART_WordLength_8b;//有效字节长度（8位）
	
	USART_Init(USART1, &UsartInitStructure);
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);//打开串口 比配置GPIO多这一步
 
 
	
}

usart.h

#include "stm32f10x.h" 
void Usart_Init(void);

main.c

#include "stm32f10x.h" 
#include "usart.h"//头文件是单独创建的文件 main函数找不到 要去手工添加路径（点击魔术棒...）

void delay(uint16_t time)
{
		uint16_t i = 0;
		while(time--)
		{
			i=12000;
			while(i--);
		}
}
int main(void)
{
		Usart_Init();
 
		while(1)
		{
			
			
			USART_SendData(USART1, 'O');     //数据寄存器空标志位   RESET状态说明上面字符发送成功了
			while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); //USART_GetFlagStatus是判断标志位 
						USART_SendData(USART1, 'K');                     //USART_FLAG_TXE 去usart.h(固件库里的头文件)  FLAG里找
			while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);   
						USART_SendData(USART1, '\\n');
			while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);  //右键USART_GetFlagStatus去goto找到RESET
						delay(1000);
		}
}

在这里插入图片描述

串口发送字符串

上一节串口只能一个一个发送字符，要想发送字符串怎么实现？

可以自己写一个串口发送字符串函数，然后调用即可。

//发送字符函数（自己定义的 注意形参要和固件库里面串口发送的形参要一样）
void USARTSendByte(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data)//main函数调用这个函数的方法：USARTSendByte(USART1, 'A');
{
		USART_SendData( USARTx,  Data);//固件库本身的串口发送函数
		//判断数据寄存器是否为空
		while( USART_GetFlagStatus( USARTx,  USART_FLAG_TXE) == RESET);//USART_GetFlagStatus是判断标志位 USART_FLAG_TXE 去usart.h  FLAG找
}

//发送字符串函数（自己定义的）
void USARTSendString( USART_TypeDef* USARTx, char *str)
{
		uint16_t i = 0;
		do{
			USARTSendByte(USART1,*(str+i));
			i++;
		}while(*(str+i) != '\\0');//字符串结束标识
		
		while( USART_GetFlagStatus( USARTx,  USART_FLAG_TC) == RESET);//USART_GetFlagStatus是判断标志位 USART_FLAG_TC（这是判断字符串） 去usart.h  FLAG找

      //main函数里这样调用
      USARTSendString( USART1, "你好STM32")
      

}

重定向printf

在C语言标准库中，printf()拥有十分强大的输出能力，可以输出各种类型的数据，整型、浮点型、8进制、16进制、换行符，缩进符等等。

printf()是把数据输出到屏幕，但是ARM芯片中没有屏幕，我们设想将printf()打印到串口，这样我们就可以通过printf()和串口实时的观察ARM芯片内部的工作情况，运行结果。

先来认识一个关键字：__weak

weak的字面意思就是“微弱”的意思，其主要作用就是可以重新定义重名函数或变量而编译时不报错。笔者最开始注意到这个关键字是在使用 STM32 HAL 库的时候注意到的，比如这张图片所示：
在这里插入图片描述

在上图我们可以看到左边的 HAL_MspInit 函数前面用 __weak 进行修饰，而图片右边又定义了 HAL_MspInit
函数，这时整个工程就定义了两个 HAL_MspInit 函数，声明可以有多个，但是定义只能存在一个，因为 __weak
的存在，所以不会报错，并且真正起作用的函数是没有用 __weak 修饰的函数。

printf函数其实就是调用了fputc，我们来重写fputc达到重定向printf的目的。

实现过程：在usart.c 的Usart_Init（）后面增加两个函数

usart.c

int fputc(int ch, FILE *f)//输
{
                            	//int型强制转换成无符号整型 防止出错
		USARTSendByte( USART1,  (uint8_t)ch);
		while( USART_GetFlagStatus( USART1,  USART_FLAG_TXE) == RESET);
		return (ch);
}

int fgetc(FILE *f)//接收
{
		                                     //标志位选择接收
		while( USART_GetFlagStatus( USART1,  USART_FLAG_RXNE) == RESET);
		
		return (int) USART_ReceiveData(USART1);
 
}

在这里插入图片描述

注意：在使用printf等C语言标准库函数要包含头文件stdio.h，并且勾选Target中的use MicroLIB使用标准库。

在这里插入图片描述

usart.h

#include "stm32f10x.h" 
#include "stdio.h"

void Usart_Init(void);
void USARTSendByte(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);
void USARTSendString( USART_TypeDef* USARTx, char *str);
int fputc(int ch, FILE *f);

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "usart.h"
 
void delay(uint16_t time)
{
		uint16_t i = 0;
		while(time--)
		{
			i=12000;
			while(i--);
		}
}
 
int main(void)
{
 
		Usart_Init();
 
		printf("你好STM32");//printf调用重写的fputc  这样单片机就可以通过串口发送字符串"你好STM32"
		
		putchar('X');  //putchar调用重写的fputc   这样单片机就可以通过串口发送字符'X'   
	
		while(1)
		{
			
			
			
		}
}

以上是关于STM32串口的介绍与使用（原理结构体发送字符串printf函数重定向）的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

STM32 串口通信基础知识

STM32驱动开发--串口原理与开发实践

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基于串口助手的STM32与计算机进行串口通信

stm32 串口发送数组 cpu可以工作吗

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