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USART串口通信：配置与实践详解（下篇）

article 2024/10/28 14:42:03

在上篇文章中，我们详细介绍了USART串口通信的基础知识，包括串行通信的概念、USART的数据帧结构、通信模式等。下篇文章将着重探讨如何在实际嵌入式项目中应用USART通信。我们将以STM32为例，讲解如何配置USART模块，如何通过中断和DMA处理数据传输，解决常见的通信问题，最后介绍USART在物联网和嵌入式系统中的实际应用。

1. STM32中USART的配置与实现

在STM32微控制器中，USART模块是一个非常灵活且常用的通信接口。我们可以通过硬件抽象层（HAL）库或者直接操作寄存器来配置USART。以下将介绍使用HAL库进行基本USART通信配置的步骤。

1.1 硬件环境与连接

为了实现USART通信，我们通常需要以下硬件支持：

STM32微控制器开发板（如STM32F4系列或STM32F1系列）。
电脑或其他终端设备，用于接收和发送串口数据。
USB转串口模块（如CP2102），用于将STM32开发板与电脑串口终端连接。

USART的硬件连接通常为两条线：

TX（Transmit）：发送数据引脚。
RX（Receive）：接收数据引脚。

连接时，将STM32的TX引脚连接到USB转串口模块的RX引脚，STM32的RX引脚连接到模块的TX引脚。这样可以保证数据的正确传输。

1.2 USART初始化步骤

在STM32中，USART的初始化通常包括以下几个步骤：

开启时钟：确保USART外设和相应GPIO的时钟被使能。
引脚配置：将USART的TX和RX引脚配置为复用功能。
配置波特率、数据格式等参数：通过HAL库的初始化函数配置USART的波特率、数据帧结构等。
使能USART外设：初始化完成后使能USART模块，使其进入工作状态。

以下是使用HAL库的初始化代码示例：

UART_HandleTypeDef huart1;

void USART1_Init(void) {
    __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();  // 开启USART1的时钟
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();   // 开启GPIOA时钟

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    // 配置TX引脚
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF7_USART1;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // 配置RX引脚
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // 配置USART1
    huart1.Instance = USART1;
    huart1.Init.BaudRate = 9600;
    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK) {
        // 初始化失败，处理错误
    }
}

1.3 数据收发

在USART模块初始化之后，我们可以开始进行数据收发操作。HAL库提供了阻塞式和非阻塞式的收发函数，下面我们介绍几种常见的方法。

1.3.1 阻塞式传输

在阻塞模式下，程序会等待数据发送或接收完成，适合简单的通信场景，但在数据量较大时会导致CPU忙等待，降低效率。常用的函数为：

发送数据：

HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)"Hello", 5, HAL_MAX_DELAY);

上述代码将字符串“Hello”通过USART发送出去。

接收数据：

uint8_t buffer[10]; HAL_UART_Receive(&huart1, buffer, 10, HAL_MAX_DELAY);

该代码会等待接收到10字节数据后返回。

1.3.2 中断模式

为了避免阻塞CPU，中断模式是一种更高效的解决方案。在接收到或发送完数据时，USART模块会自动触发中断，通知CPU进行相应的处理。这样，CPU可以在通信时继续执行其他任务。

配置中断模式时，需先使能USART的中断功能，并编写中断处理函数。以下是配置中断模式的步骤：

使能USART中断：

HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 0, 0); HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);

使用非阻塞函数启动收发：

HAL_UART_Receive_IT(&huart1, buffer, 10); // 使用中断模式接收数据

编写中断处理函数：

void USART1_IRQHandler(void) { HAL_UART_IRQHandler(&huart1); }

中断模式可以显著提高通信的实时性，但需要合理处理中断优先级和中断服务时间，以避免系统性能下降。

1.3.3 DMA模式

DMA（Direct Memory Access）是另一种高效的数据传输方式，适合大数据量传输。在DMA模式下，数据可以直接从内存传输到USART寄存器，或从USART寄存器传输到内存，无需CPU干预。这种方式不仅能极大地减轻CPU负担，还能提高传输速率。

使用DMA模式时，需配置DMA通道并使能DMA功能。代码示例如下：

HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, buffer, 10); //使用DMA模式发送数据 

HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, buffer, 10); // 使用DMA模式接收数据

在接收或发送完成后，USART会触发中断，通知CPU完成操作。

1.4 常见问题及解决方案

1.4.1 波特率不匹配

波特率不匹配是USART通信中常见的问题，表现为接收端无法正确解码数据帧。解决方案是确保发送和接收双方的波特率一致，并且考虑到可能的误差范围。

1.4.2 数据丢失或错误

在高速通信或不稳定的环境中，可能会出现数据丢失或传输错误。为此，可以通过以下方式提高通信可靠性：

使用奇偶校验位检测错误。
在传输协议中引入校验和或CRC校验。
适当降低波特率以提高信号稳定性。

1.4.3 接收超时

在异步通信中，接收端可能会由于长时间未收到数据而发生超时错误。可以通过设置超时时间，或使用中断和DMA模式减少超时问题。

2. USART在物联网和嵌入式系统中的应用

USART通信因其高效、灵活和低功耗的特点，广泛应用于物联网和嵌入式系统中。以下是几个常见的应用场景。

2.1 数据采集与传感器通信

在嵌入式系统中，USART常用于与传感器模块通信。例如，在环境监测系统中，温湿度传感器、气体传感器等设备通过USART接口将采集到的数据传输给主控芯片进行处理。USART的异步模式适合这种点对点的低速通信。

2.2 无线模块通信

物联网设备中经常需要与Wi-Fi、蓝牙或LoRa模块通信，这些模块通常使用USART接口进行数据交换。例如，ESP8266 Wi-Fi模块通过USART接口与微控制器进行指令和数据的传输。USART的DMA模式可以处理大量的无线数据包，保证通信的稳定性和效率。

2.3 远程控制与调试

在开发嵌入式系统时，USART也是一种常用的调试手段。通过串口终端（如PuTTY或Tera Term），开发者可以实时查看系统的调试信息，并发送控制命令。USART通信的稳定性和低延迟特性，使其成为嵌入式系统开发中不可或缺的工具。

总结

USART串口通信作为一种重要的嵌入式通信方式，凭借其高效的传输特性和灵活的配置模式，在嵌入式和物联网领域得到了广泛应用。通过对波特率、数据格式、模式的合理选择，结合中断和DMA的使用，可以进一步提升USART通信的效率和可靠性。在你的项目中，USART是如何被使用的？你是否遇到过波特率设置或数据传输的其他问题？欢迎分享你的经验和问题，我们一同探讨如何更好地使用USART串口通信。

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