stm32f103c8t6学习笔记（学习B站up江科大自化协）-USART串口-软件部分

前言：

        本文属于软件部分，具体的串口硬件部分可见http://t.csdnimg.cn/afh48，对于串口的工作原理以及各个寄存器工作流程的记录十分详细。

一、接线图

二、stm32发送-电脑串口助手接收

1.USART初始化流程图

·1.开启时钟

        把需要使用的USART和GPIO的时钟打开

·2.GPIO初始化

        把TX配置成复用输出，RX配置成输入

·3.配置USART

        直接使用一个结构体即可将所有参数配置完成

·4.开关控制

        如果需要仅发送的功能，就直接开启USART，初始化到此结束

        如果还需要接收的功能，可能还需要配置中断，那么就在开启USART之前加上IT_Config和NVIC的代码即可。

2.代码-发送字节数据

        在Serial.c部分输入以下代码，并将两个函数放到头文件声明

#include "stm32f10x.h"void Serial_Init()
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE); // USART1是APB2的外设RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);	//引脚是PA9和PA10（根据表），需开启时钟GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;	//TX引脚是USART外设控制的输出引脚，要用复用推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_9;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);	USART_InitTypeDef USART_InitStruture;USART_InitStruture.USART_BaudRate = 9600;USART_InitStruture.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//不使用流控，选择noneUSART_InitStruture.USART_Mode = USART_Mode_Tx;//如果既需要发送又接收就 TX | RXUSART_InitStruture.USART_Parity = USART_Parity_No;//无需校验位USART_InitStruture.USART_StopBits = USART_StopBits_1; //一位停止位USART_InitStruture.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; //无需校验位USART_Init(USART1,&USART_InitStruture);USART_Cmd(USART1,ENABLE);
}void Serial_sendByte(uint8_t Byte)
{USART_SendData(USART1,Byte);while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

        然后到main.c包含头文件#include "Serial.h" 。main部分的代码为

#include "stm32f10x.h"                
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"int main()
{OLED_Init();Serial_Init();Serial_sendByte(0x11);while(1){}
}

        接下来需要打开串口助手，注意串口助手内的参数要和代码一致。切记按下打开串口以及选择正确的串口号。

         在接收区将会受到11，烧录程序的时候自动复位会发送一次，后续手动按下复位键也会发送11.

3.数据模式

        ·HEX模式，有的地方也称为十六进制模式或二进制模式，这些称呼都是一个意思，他表示的都是以原始数据的形式显示，收到什么数据就把这个数据本身显示出来，在这种模式下，只能显示一个个的十六进制数，比如11 7A 8B 33，不能显示文本比如helloworld 和各种符号！，。等

        ·如果要显示文本就要对一个个的数据进行编码了。这就叫文本模式或字符模式，是以原始数据编码后的形式显示，在这种模式下每一个字节数据通过查找字符集编码成一个字符。图中做下角的表就是ASCII码字符集

        ·右方模式图描述的是字符和数据在发送和接收的转换关系

4.代码-发送数组

        在Serial.c部分加入一下代码，记得在Serial.h里面进行声明

void Serial_SendArray(uint8_t *Array,uint16_t Length)	//数组的传递需要指针
{uint16_t i;for(i = 0;i < Length;i++) //对数组进行遍历{Serial_sendByte(Array[i]);	//一次取出数组的每一项，通过sendbyte进行发送}
}

        同时在main函数加入以下函数，

main（）
{	uint8_t MyArray[] = {0x42,0x43,0x44,0x45，0x46};Serial_SendArray(MyArray,5);while（1）{}
}

        编译烧录得到以下结果

5.代码-发送字符串

        同上，在Serial.c部分加入一下代码，记得在Serial.h里面进行声明

void Serial_SendString(char *String)	//字符串自带一个结束标志位，所以不需要再传递长度参数
{uint8_t i;for(i = 0; String[i] != 0;i++)	//这里的0对应空字符，是字符串结束标志位 如果不等于0就还没结束{										//也可以写成字符的形式 '\0' Serial_sendByte(String[i]);}								
}

        在main的函数如下：

main（）
{	Serial_SendString("helloword!!\r\n");	//在写完这个字符串之后，编译器会自动补上结束标志位，//所以字符串的存储空间会比字符大一//如果要执行换行操作，要使用	\r\n	两个转义字符	都是不可见的控制字符while（1）{}
}

        在串口助手记得选上文本模式。第一行的数字是我选择了hex模式时出现的不正常显示的现象

6.代码-发送数字

        在Serial.c部分加入一下代码，记得在Serial.h里面进行声明

void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
{	//需要将Number的个位十位百位以十进制拆分开，依次变成字符数字对应的数据发送出去uint8_t i;for(i = 0;i < Length;i ++)	//参数会以十进制由高位向低位依次发送{					
//	 由于最终是以字符的形式显示，所以要根据ASCII表进行偏移 + 0x30 或 '0'Serial_sendByte(Number / Serial_Pow(10,Length - i - 1) %10 + '0');}
}

        举个例子，假设取的数字是12345，那么取万位就是12345 / 10000 % 10 =1

取千位就是 12345 / 1000 %10 = 2 取百位就是 12345 / 100 % 10 = 3，以此类推。也就是取某一位就是将数字除以10的位数次方，这是为了去掉这一位数右边的数，再对10取余，这是去掉这一位左边的数。 所以需要写一个次方函数，得到X的Y次方

uint32_t Serial_Pow(uint32_t X,uint32_t Y)	//计算数字的某一位对应的数位（百位或千位等）
{uint32_t result = 1;while(Y --){result *= X;}return result;
}

         在main函数写下如下内容

main（）
{	Serial_SendNumber(12345,5);while（1）{}
}

        得到运行结果如下

三、printf函数的移植 

 1、准备工作

使用printf之前需要先打开工程选项，把use microLIB选项打开。microlib是keil为嵌入式平台优化的一个精简库，本文使用到的printf将会用到这个microlib。

2、对printf进行重定向

        将printf打印的东西输出到串口，由于printf默认输出到屏幕，但是单片机没有屏幕，所以要进行重定向。

        a.在串口的c文件里加上#include<stdio.h>

        b.在后面重写fputc函数

int fputc(int ch, FILE *f)	//参数按此配置即可，
{	//将fputc重定向到串口Serial_sendByte(ch);	return ch;	
}

        c.fputc和printf之间的联系

        fputc是printf的底层，printf函数在打印的时候，就是不断调用fputc一个一个打印的。我们把fputc重定向到串口，那么printf自然就输出到串口。

        d.main函数中调用

        经过上面的步骤，printf已经移植完成。在主函数输入下面内容

#include "stm32f10x.h"                  
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"int main()
{OLED_Init();Serial_Init();printf("date:%d\r\n",20240312);while(1){}
}

        程序烧录后，单片机将会直接在串口输出        date:20240312        这行内容，并自动进行换行处理（\r\n）。

3、多串口使用printf

        使用sprintf，sprintf可以把格式化字符输出到一个字符串里面。

	char string[100];sprintf(string,"date:%d\r\n",2024031266);Serial_SendString(string);	//把字符串string通过串口发送出去//因为sprintf可以指定打印位置，不涉及重定向的东西，所以每个串口都可以使用sprintf进行格式化打印

4、封装sprintf

        由于printf这类函数比较特殊，支持可变参数。

首先在串口的头文件里添加#include<stdarg.h>,然后在最末尾处对printf函数进行封装。

void Serial_printf(char *format,...) //第一个参数用来接收格式化字符串 三个点用来接收可变参数列表
{char string[100];va_list arg;	//定义一个参数列表变量 va_list是类型名 arg是变量名va_start(arg,format);	//	从format位置开始接收参数表，放在arg里面vsprintf(string,format,arg);//这里的sprintf要改成vsprintf 前者只能接收直接写的参数 对于封装格式要用vsprintfva_end(arg);//释放参数表Serial_SendString(string);//把string发送出去
}

在main部分进行调用

Serial_printf("date:%d\r\n",20240312);

 输出结果如下

5、printf显示汉字的方法

        在keil里面我们选择的汉字编码格式是utf8，所以发送到串口的时候汉字会以utf8的方式编码。在串口助手也得选择utf8才能解码正确，为了防止写入中文的时候编译器报错，需要先在小魔术棒里面的c/c++处输入下述参数。（这个步骤是针对于使用utf8的用户）

--no-multibyte-chars

        由于我编译器使用的是GB2312编码，所以串口助手处要使用GBK解码。如图，正确解码得到“你好，世界”，中间的乱码部分是因为我选择了UTF8进行解码。

四、串口接收数据

        1.代码-接收字节数据

#include "stm32f10x.h"
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>void Serial_Init()
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE); // USART1是APB2的外设RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);	//引脚是PA9和PA10（根据表），需开启时钟GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;	//TX引脚是USART外设控制的输出引脚，要用复用推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_9;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_IPU;	//RX PA10初始化GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_10;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);USART_InitTypeDef USART_InitStruture;USART_InitStruture.USART_BaudRate = 9600;USART_InitStruture.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//不使用流控，选择noneUSART_InitStruture.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;//既发送又接收USART_InitStruture.USART_Parity = USART_Parity_No;//无需校验位USART_InitStruture.USART_StopBits = USART_StopBits_1; //一位停止位USART_InitStruture.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; //无需校验位USART_Init(USART1,&USART_InitStruture);//中断USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE);NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd =ENABLE;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority =1;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority =1;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);USART_Cmd(USART1,ENABLE);
}void Serial_sendByte(uint8_t Byte)
{USART_SendData(USART1,Byte);while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) == RESET);
}void Serial_SendArray(uint8_t *Array,uint16_t Length)	//数组的传递需要指针
{uint16_t i;for(i = 0;i < Length;i++) //对数组进行遍历{Serial_sendByte(Array[i]);	//一次取出数组的每一项，通过sendbyte进行发送}
}void Serial_SendString(char *String)	//字符串自带一个结束标志位，所以不需要再传递长度参数
{uint8_t i;for(i = 0; String[i] != 0;i++)	//这里的0对应空字符，是字符串结束标志位 如果不等于0就还没结束{										//也可以写成字符的形式 '\0' Serial_sendByte(String[i]);}								
}uint32_t Serial_Pow(uint32_t X,uint32_t Y)	//计算数字的某一位对应的数位（百位或千位等）
{uint32_t result = 1;while(Y --){result *= X;}return result;
}void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
{	//需要将Number的个位十位百位以十进制拆分开，依次变成字符数字对应的数据发送出去uint8_t i;for(i = 0;i < Length;i ++)	//参数会以十进制由高位向低位依次发送{					//	 由于最终是以字符的形式显示，所以要根据ASCII表进行偏移 + 0x30 或 '0'Serial_sendByte(Number / Serial_Pow(10,Length - i - 1) %10 + '0');}
}int fputc(int ch, FILE *f)	//参数按此配置即可，
{	//将fputc重定向到串口Serial_sendByte(ch);	return ch;	
}void Serial_printf(char *format,...) //第一个参数用来接收格式化字符串 三个点用来接收可变参数列表
{char string[100];va_list arg;	//定义一个参数列表变量 va_list是类型名 arg是变量名va_start(arg,format);	//	从format位置开始接收参数表，放在arg里面vsprintf(string,format,arg);//这里的sprintf要改成vsprintf 前者只能接收直接写的参数 对于封装格式要用vsprintfva_end(arg);//释放参数表Serial_SendString(string);//把string发送出去
}

        这部分代码和串口发送数据部分没什么本质区别，仅仅添加了开启引脚PA10，以及或上了RX部分。

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提个醒，自己的stm32接收不到数据，但是程序没有任何问题，接线也正常的情况下，应该是stm32内部的ttl和串口转ttl模块冲突了，可参考http://t.csdnimg.cn/q08TD这篇文章。由于我也出现了这种情况，所以暂时没有实验现象。

2.代码-中断接收字节数据并回传

在serial.c里面添加两个定义

uint8_t Serial_RXData;
uint8_t Serial_RXFlag;

并在末尾部分添加如下代码

//实现读后自动清除的功能
//意思是返回这个标志位，1就返回1,0就返回0，但给这个1复位一下，使得查一次就能复位1次
uint8_t Serial_GetRxFlag(void)
{if(Serial_RXFlag == 1){Serial_RXFlag = 0;return 1;}return 0;
}uint8_t Serial_GetRxData(void)
{return Serial_RXData;
}void USART1_IRQHandler(void)
{if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_RXNE) == SET){Serial_RXData = USART_ReceiveData(USART1);Serial_RXFlag = 1;USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE);}
}

接下来在main部分函数添加

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"uint8_t RXData;int main()
{OLED_Init();Serial_Init();OLED_ShowString(1,1,"RxData:");while(1){if(Serial_GetRxFlag() == 1){RXData = Serial_GetRxData();Serial_sendByte(RXData);OLED_ShowHexNum(1,8,RXData,2);}}
}

烧录后，在发送区输入数据后，将会显示到单片机连接的OLED显示屏上边，同时会返回一份数据到接收区

 五、数据包的定义  

        ·串口数据包：通常使用的是额外添加包头包尾的这种方式

        ·在HEX数据包里面，数据都是以原始的字节数据本身呈现的，而在文本数据包里面，每个字节就经过了一层编码和译码，最终表现出来的就是文本格式，但是实际上每个文本字节的背后都还是一个HEX数据。

        ·优缺点：

        HEX数据包优点：传输最直接，解析数据非常简单，比较适合一些模块发送原始的数据

                          缺点：灵活性不足，容易和包头包尾重复，

        文本数据包优点：数据直观易理解，非常灵活，比较适合一些输入指令进行人机交互的场合，比如蓝牙模块常用的AT指令，CNC和3D打印机常用的G代码，都是文本数据包的格式。

                          缺点：解析效率低，比如发送一个100，HEX数据包就是一个字节100，但是文本数据包就得是三个字节的字符‘1’‘0’‘0’，收到之后还要把字符转化成数据，才能得到100，

串口收发hex数据包

        ·固定包长：含包头包尾，每个数据包的长度都固定不变，数据包前面是包头，后面是包尾
        ·可变包长：含包头包尾，每一个数据包的长度可以是不一样的，前面是包头，后面是包尾。他的数据包格式可以根据用户需求自己规定。

        ·包头包尾和载荷重复解决办法：

        ·如果数据含有FF和FE，和包头包尾重复了怎么办？会引起误判，对于这个问题也有相应的几种解决方法：

        1.限制在和数据的范围，如果可以的话，可以在发送的时候对数据进行限幅。比如X、Y、Z三个数据的范围是0-100，那么可以在载荷中只发送0-100的数据，以此防止和包头包尾重复。

        2.如果无法避免载荷数据和包头包尾重复，则尽量使用固定长度的数据包，由于载荷数据是固定的，只要通过包头包尾对齐了数据，我们就可以严格知道，那个数据是包头包尾，哪个数据是载荷数据。

        在接收载荷数据的时候，我们并不会判断他是不是包头包尾，但是在判断包头包尾的时候会判断他是不是确实是包头包尾，用于数据对齐，在经过几个数据包对齐之后，剩下的数据包就不会出现问题了。

        3.增加包头包尾的数量，并且尽量让他呈现载荷数据出现不了的状态。比如我们使用FF、FE作为包头，FD、FC作为包尾，这样也可以避免包头包尾和载荷数据重复的情况发生。

        ·并不是所有的包头包尾都需要，可以只要一个包头，把包尾删掉，这样数据包的格式就是一个包头FF加四个数据。当监测到FF开始接收，当收够四个字节后置一个标志位，一个数据包接收完成。不过这样会加重载荷和包头重复的问题。最坏的情况下载荷全是FF，包头也是FF。如果加上了包尾FE，无论数据怎么变化都是可以分辨出包头包尾的。

        ·固定包长和可变包长的选择：

        对于HEX来说，如果载荷会出现包头和包尾重复的情况，最好是选择固定包长，以避免接收错误。如果重复还选择可变包长，数据容易乱套。如果包头包尾不会和载荷重复，可以选择可变包长

        ·关于各种数据转换为字节流的问题。

        数据包都一个字节一个字节组成的，如果想发送16、32位的整型数据，float、double甚至是结构体都没问题，因为内部是由一个字节一个字节组成的，仅需要用一个uint8_t的指针指向他，并把他们当做一个字节数组发送即可。

串口收发文本数据包

        ·由于数据译码成了字符形式，这样就会存在大量的字符可作为包头包尾，可以有效的避免载荷和包头包尾重复的问题。比如以@ 作为包头，以\r\n这两个换行字符作为包尾，在载荷数据中间可以出现除了包头包尾的任意字符。文本数据包基本不用担心包头包尾和载荷重复的问题，可变包长、各种符号、字母、数据都可以随意使用

        ·当接收到载荷数据之后，得到的就是一个字符串，在软件中对字符串进行操作和判断，就可以实现各种指令控制的功能，而且字符串数据包表达的意义很明显，可以把字符串数据包直接打印到串口助手上，各种指令和数据都可以一眼看清。

        ·文本数据包通常会以换行作为包尾，在打印的时候就可以一行一行显示，比较方便。

六、数据包的收发流程

HEX数据包接收（固定包长）

        在接收的时候，每收到一个字节，程序都会进一遍中断，在中断函数里面可以拿到这一个字节，在拿到数据之后就得退出中断了，每拿到一个数据都是一个独立的过程。对于数据包来说很明显有一个前后关联性，包头之后是数据，数据之后是包尾。对于包头数据包尾这三种不同的状态，我们需要有不同的处理逻辑，在程序中需设计一个记住不同状态的机制，在不同状态执行不同操作，同时还要进行状态的合理转移，这种程序设计的思想叫做状态机，接下来将使用状态机的方法来接收一个数据包。

执行流程：

        最开是S = 0，收到一个数据进中断，根据S = 0进第一个状态的程序，判断包头是不是FF，如果是代表收到包头，之后置S = 1，退出中断，结束。这样一来下次再进中断，S = 1就可以进行接收数据的程序了。

        在第一个状态如果收到的不是FF，证明数据包没有对齐，我们应该等待数据包包头的出现，这是状态仍然是0，下次进中断还是判断包头的逻辑，直到出现FF才能转入下一个状态，进入下一个状态时收到数据将存入数组中，另外再用一个变量记录接收数据的个数，如果没接收够4个数据就一直处于接收状态，如果收够了就置S = 2。下次进中断就进入下一个状态。

        最后的状态是等待包尾，判断数据是不是FE，如果是的话就可以置S = 0，回到最初的状态，开始下一个轮回。这个数据也可能不是FE，比如数据和包头重复，导致包头位置判断错误，那么这个包尾位置有可能不是FE，这时进入重复等待包尾的状态，直到接收到真正的包尾。这样的判断更能预防因数据和包头重复造成的错误。

使用状态机的基本步骤：

        1.先根据项目要求定义状态，画几个圈，然后考虑好各个状态在什么情况下会进行转移，如何转移，画好线和转移条件，最后根据图编程。比如做个菜单就可以用到状态机的思维，按什么键切换什么菜单，执行什么程序，还有一些芯片内部逻辑也会用到状态机，比如什么情况下进入待机状态，什么情况进入工作状态。

文本数据包接收：

接收流程：

        第一个状态，等待包头，判断是不是我们规定的@符号，如果收到@就进入接收状态，在这个状态下依次接受数据，同时这个状态还应该要兼具等待接收包尾的功能。因为这个是可变包长，接收数据的同时要时刻监视，是否收到了包尾，一旦收到了包尾就立刻结束。这个状态的逻辑就是判断接收的一个数据是不是\r，如果不是就正常接收，如果是则不接收，同时跳到下一个状态，等待包尾\n，因为数据包有两个包尾\r\n，所以需要第三个状态，如果只有一个包尾，那么在出现一个包尾之后就可以直接回到初始状态，即只需要两个状态即可。因为接收数据和等待包尾需要在一个状态里同时进行，由于串口的包头包尾不会出现在数据中，所以基本不会出现数据错位的现象