4.STM32之通信接口《精讲》之USART通信---实验串口发送程序

本节将进行实战，基础了解请查看第1，2，3节（Whappy）
开始背！！ USART ---》全双工   异步/同步  点对点
C语言基础printf用法，这节将用到printf的重定向，来打印到串口助手上。

先给大家看一下整个过程，然后我再给大家做一个单一的串口发送的程序（不包括接收，将在下一节讲）

串口通信的完整过程概述

在嵌入式开发中，串口通信（UART）是最常用的通信方式之一，常用于调试和数据传输。今天我们先带大家梳理一下整个串口通信的过程和原理。

1. 通信原理 串口通信是一种异步的串行数据传输方式，数据通过起始位、数据位、校验位和停止位逐位传输。STM32 的串口模块（USART/UART）将这些数据串行发送出去，而接收端则按相同协议解析接收到的数据。

2. 硬件连接

   • STM32 的 TX 引脚：负责发送数据。
   • 电脑的 RX 引脚：负责接收数据。
   • 共地：STM32 和电脑需要连接 GND 确保信号参考一致。

3. 软件流程

   • STM32 端： 配置 USART 外设，完成数据发送。
   • 电脑端： 通过串口助手（如 SScom、SecureCRT 等）接收 STM32 发送的数据，并显示在屏幕上。

4. 配置同步 STM32 和电脑串口助手需配置相同的通信参数（如波特率、数据位、停止位等），才能实现正确的通信。

在 STM32 开发中，串口通信（UART）是常用的通信方式之一。以下是详细的步骤和注意事项，包括如何实现数据发送、接收，以及配置相关的硬件和软件。

一、STM32 串口通信原理

1. 发送端：STM32 STM32 的串口模块（USART）通过 UART 协议将数据位（包括起始位、数据位、校验位和停止位）串行输出到 TX 引脚。

2. 接收端：电脑助手 电脑通过串口助手软件（如 SScom、SecureCRT 等）接收 STM32 发送的数据，解码并显示。

3. 硬件连接

   • TXD（STM32 发送端）连接到电脑串口模块的 RXD（接收端）。
   • GND 需连接在一起以保证信号的公共参考。

二、串口通信基本配置

1. STM32 串口配置

以 STM32CubeMX 和 HAL 库为例：

1.1 硬件配置

• 时钟源： 启用 USART 的时钟（比如：APB1 或 APB2）。
• 引脚配置： 将 USART 的 TX/RX 引脚设置为 Alternate Function 模式。

1.2 CubeMX 配置

在 CubeMX 中：

1. 打开 USARTx 外设，启用 Asynchronous 模式。
2. 设置波特率（通常 9600、115200 等），并配置：
   • 数据位：8 位
   • 停止位：1 位
   • 校验：无校验
   • 硬件流控：无

2. 串口助手（电脑端）的配置

使用串口助手软件（如 SScom），按以下步骤操作：

1. 选择正确的 COM 端口： 在设备管理器中查看 STM32 的虚拟串口号（如 COM3）。
2. 配置波特率等参数： 波特率、数据位、停止位和校验位需与 STM32 的设置一致。
3. 打开串口后即可接收 STM32 发送的数据。

三、调试与查看数据

1. 通过串口助手查看数据 数据通过串口助手的软件窗口实时显示，确保编码格式正确（通常选择 ASCII 或 HEX）。

2. 硬件问题排查

   • 确认硬件连线正确。
   • 使用示波器或逻辑分析仪查看串口波形，检查电平是否正常。
     
     
      

     在 STM32 开发中，串口通信（UART）是常用的通信方式之一。以下是详细的步骤和注意事项，包括如何实现数据发送、接收，以及配置相关的硬件和软件。

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     一、STM32 串口通信原理

   • 发送端：STM32 STM32 的串口模块（USART）通过 UART 协议将数据位（包括起始位、数据位、校验位和停止位）串行输出到 TX 引脚。

   • 接收端：电脑助手 电脑通过串口助手软件（如 SScom、SecureCRT 等）接收 STM32 发送的数据，解码并显示。

   • 硬件连接

     • TXD（STM32 发送端）连接到电脑串口模块的 RXD（接收端）。
     • GND 需连接在一起以保证信号的公共参考。

   • ---

     二、串口通信基本配置

     1. STM32 串口配置

     以 STM32CubeMX 和 HAL 库为例：

     1.1 硬件配置

   • 时钟源： 启用 USART 的时钟（比如：APB1 或 APB2）。
   • 引脚配置： 将 USART 的 TX/RX 引脚设置为 Alternate Function 模式。

   • 1.2 CubeMX 配置

     在 CubeMX 中：

   • 打开 USARTx 外设，启用 Asynchronous 模式。
   • 设置波特率（通常 9600、115200 等），并配置：
     • 数据位：8 位
     • 停止位：1 位
     • 校验：无校验
     • 硬件流控：无
   • 生成代码。

   • 1.3 初始化代码

     生成的代码中包含初始化函数，例如：

     1.4 数据发送代码

     使用 HAL_UART_Transmit 函数发送数据：

     1.5 数据接收代码（轮询模式）

     使用 HAL_UART_Receive 函数接收数据：

     2. 串口助手（电脑端）的配置

     使用串口助手软件（如 SScom），按以下步骤操作：

   • 选择正确的 COM 端口： 在设备管理器中查看 STM32 的虚拟串口号（如 COM3）。
   • 配置波特率等参数： 波特率、数据位、停止位和校验位需与 STM32 的设置一致。
   • 打开串口后即可接收 STM32 发送的数据。

   • ---

     三、调试与查看数据

   • 通过串口助手查看数据 数据通过串口助手的软件窗口实时显示，确保编码格式正确（通常选择 ASCII 或 HEX）。

   • 硬件问题排查

     • 确认硬件连线正确。
     • 使用示波器或逻辑分析仪查看串口波形，检查电平是否正常。

   • ---

     四、完整的示例程序

     发送“Hello, UART!”到串口助手

     4.1 主程序

     4.2 必备的 STM32 外设初始化代码

     包含 GPIO、时钟等初始化函数（CubeMX 自动生成）。

     ---

     五、注意事项

   • 波特率的匹配： STM32 和电脑助手的波特率必须一致。
   • 电平匹配： STM32 的串口为 TTL 电平，若使用 RS232 接口需添加电平转换芯片（如 MAX232）。
   • 调试工具：
     • 可用串口助手接收数据，调试发送内容。
     • 使用 STM32 的 SWD 接口进行代码调试和断点跟踪。

1. • ---

     总结

     通过这个简单的串口发送程序，我们可以实现 STM32 向电脑串口助手发送数据的基本功能。下一节我们将详细讲解串口数据的接收方法，包括如何解析收到的数据并进行处理。

接下一来就是，我学习的重点了   用标准库写一个串口发送程序

连接方式

标准库介绍
 

TM32 USART 库函数详解

STM32 的 USART 库函数是通过标准外设库（StdPeriph Library）提供的接口，用于初始化、配置、控制 USART 外设，以及实现串口通信功能。以下对这些函数的作用、使用方法和关键点进行详细说明，并提供示例代码。

1. 函数详细说明

（1）USART 初始化和配置函数

（2）时钟相关函数

（3）使能和中断相关函数

（4）DMA 功能

（5）通信模式和高级配置

（6）数据收发函数

（7）标志位与中断状态管理

接下来我们就要根据上述框图来配置USART的的发送程序，根据程序上述蓝色框图，我们要让单片机发送程序，仅需将我们要发送的程序放到TX管脚即可！（接收部分下节再讲）

具体配置如下

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>


void Serial_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructrue;
	GPIO_InitStructrue.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructrue.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
	GPIO_InitStructrue.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructrue);
	
	
	USART_InitTypeDef USART1_InitStructure;
	USART1_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
	USART1_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	USART1_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;
	USART1_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;
	USART1_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	USART1_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
	USART_Init(USART1,&USART1_InitStructure);
	USART_Cmd(USART1,ENABLE);
}

包含头文件

c

复制代码

#include "stm32f10x.h" // STM32F10x 系列的设备头文件 #include <stdio.h> #include <stdarg.h>

• stm32f10x.h：

  • 包含 STM32F10x 系列微控制器的外设寄存器定义和标准外设库支持。
  • 提供对 GPIO、USART 等外设的配置和操作功能。

• stdio.h 和 stdarg.h：

  • 提供标准输入输出函数，如 printf。
  • 如果需要处理可变参数，这两个头文件是必要的。

2. 函数 Serial_Init

该函数的作用是初始化串口1（USART1）以及相关的 GPIO 引脚。

2.1 使能时钟

c

复制代码

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

• RCC_APB2PeriphClockCmd：
  • 用于使能外设的时钟。
  • RCC_APB2Periph_USART1：使能 USART1 的时钟。
  • RCC_APB2Periph_GPIOA：使能 GPIOA 的时钟（USART1 的 TX 引脚位于 GPIOA9）。

2.2 配置 GPIO

c

复制代码

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructrue; GPIO_InitStructrue.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽输出模式（用于串口 TX） GPIO_InitStructrue.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; // 配置 GPIOA 的第 9 引脚（USART1 TX） GPIO_InitStructrue.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 输出速率为 50MHz GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructrue); // 初始化 GPIOA9

• 配置 GPIOA 引脚 9 为串口 TX（传输引脚）。
  • GPIO_Mode_AF_PP：复用推挽输出模式，适用于串口功能。
  • GPIO_Pin_9：USART1 的 TX 引脚。
  • GPIO_Speed_50MHz：输出速度设为 50 MHz（用于快速信号传输）。

2.3 配置 USART1

c

复制代码

USART_InitTypeDef USART1_InitStructure; USART1_InitStructure.USART_BaudRate = 9600; // 波特率为 9600 USART1_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; // 无硬件流控 USART1_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx; // 工作模式：仅发送（Tx） USART1_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; // 无校验位 USART1_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; // 停止位：1 USART1_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; // 数据位：8 位 USART_Init(USART1, &USART1_InitStructure); // 初始化 USART1

• 配置串口的通信参数：
  • 波特率：9600 波特。
  • 硬件流控：禁用（常用于硬件握手信号）。
  • 工作模式：仅发送模式（可以扩展为接收和发送）。
  • 校验位：无校验位。
  • 停止位：1 个停止位。
  • 数据位：8 位。

2.4 使能 USART1

c

复制代码

USART_Cmd(USART1, ENABLE);

• 打开 USART1，使能其工作。

总结

这段代码完成了以下工作：

1. 使能时钟：

   • 为 GPIOA 和 USART1 启用外设时钟。

2. 配置 GPIO：

   • 将 GPIOA 的第 9 引脚配置为 USART1 的 TX 引脚（推挽输出模式）。

3. 配置串口参数：

   • 波特率：9600。
   • 数据位：8 位。
   • 停止位：1 位。
   • 无校验位。
   • 无硬件流控。

4. 使能 USART1：

   • 启用 USART1，使其能够发送数据。

注意事项

• 接收功能：目前只启用了发送模式。如果需要接收数据，还需配置 RX 引脚（GPIOA10）并将模式改为 USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx。
• 波特率匹配：确保外部接收设备的波特率与 USART1 的设置一致。
• 中断或 DMA：如果需要更高效的串口通信，可以启用 USART 的中断或 DMA 功能。
  
  
   

接下来就是写几个库函数

这段代码的详细解释

函数 Serial_Printf 的作用是通过串口发送一个格式化的字符串。它模仿了标准库中的 printf 函数，用于将格式化后的数据通过串口输出。

函数功能

• 输入参数：

  • char* format：格式化字符串，用于定义输出格式（如 %d 表示整数，%s 表示字符串）。
  • ...：可变参数，用于提供格式化字符串中占位符对应的实际值。

• 实现流程：

  1. 将格式化字符串和对应的可变参数组合成一个完整的字符串。
  2. 将生成的字符串通过串口发送。

代码逐步解析

1. 定义缓冲区

c

复制代码

char String[100];

• 定义一个字符数组 String，大小为 100，用于存储格式化后的字符串。
• 注意：String 的大小应该足够容纳格式化后的字符串。如果格式化结果超出 100 个字符，会导致缓冲区溢出。
• 可用 snprintf 替代 vsprintf 来限制格式化结果的长度。

2. 定义可变参数列表

c

复制代码

va_list arg;

• va_list 是一个类型，用于存储和访问可变参数。
• 它由头文件 <stdarg.h> 定义，是处理可变参数的核心工具。

3. 初始化可变参数列表

c

复制代码

va_start(arg, format);

• 功能：
  • 初始化 arg，使其指向第一个可变参数。
  • 参数 format 是固定参数，它告诉 va_start 可变参数从哪里开始。
• 原理：
  • 在函数调用时，固定参数和可变参数在内存中的位置是连续的。
  • va_start 通过 format 确定固定参数的位置，从而找到第一个可变参数的位置。

4. 格式化字符串

c

复制代码

vsprintf(String, format, arg);

• 功能：
  • 根据 format 和可变参数 arg，将格式化后的结果存入 String。
  • vsprintf 是标准库中的函数，作用类似于 sprintf，但支持可变参数。
• 参数解释：
  • String：用于存储格式化结果的缓冲区。
  • format：格式化字符串，定义输出格式。
  • arg：可变参数列表，包含需要插入到格式化字符串中的值。
• 示例：

  c

  复制代码

  char buffer[100]; va_list args; va_start(args, "Value: %d\n"); vsprintf(buffer, "Value: %d\n", args); // 如果传入的可变参数是 42，则 buffer 的内容是 "Value: 42\n"。

5. 清理可变参数列表

c

复制代码

va_end(arg);

• 功能：
  • 清理 va_list，释放相关资源。
  • 在 va_start 和 va_end 之间，arg 的内容是有效的。调用 va_end 后，它不能再被访问。

6. 发送字符串

c

复制代码

Serial_SendString(String);

• 功能：
  • 调用 Serial_SendString 函数，将格式化后的字符串通过串口发送出去。
  • Serial_SendString 会逐字符发送缓冲区 String 的内容，直到遇到字符串的结束符 \0。

示例运行过程

假设调用如下代码：

c

复制代码

Serial_Printf("Temperature: %d°C, Humidity: %.2f%%\n", 25, 65.23);

运行过程如下：

1. format 的内容是 "Temperature: %d°C, Humidity: %.2f%%\n"。
2. 可变参数列表 arg 包含两个值：25 和 65.23。
3. vsprintf 将 format 和 arg 合并，生成的字符串为：

   swift

   复制代码

   "Temperature: 25°C, Humidity: 65.23%\n"

4. Serial_SendString 将上述字符串逐字节发送到串口。

注意事项

1. 缓冲区大小限制：

   • 如果格式化后的字符串超过了 String[100] 的容量，可能会导致缓冲区溢出。
   • 可以使用 vsnprintf 替代 vsprintf，限制格式化结果的长度。例如：

     c

     复制代码

     vsnprintf(String, sizeof(String), format, arg);

2. 性能：

   • 该实现直接调用 Serial_SendString 将整个字符串发送，性能较高。
   • 如果字符串过长，发送时间可能会较久。

3. 线程安全性：

   • 该实现没有考虑多线程环境。如果多个线程同时调用 Serial_Printf，可能会出现数据混乱。
   • 可以通过互斥锁或其他同步机制解决。

总结

• 作用：Serial_Printf 是一个自定义的格式化输出函数，支持通过串口发送格式化字符串。
• 实现原理：
  • 使用可变参数列表（va_list）。
  • 利用标准库函数 vsprintf 格式化字符串。
  • 调用 Serial_SendString 通过串口发送。
• 优点：
  • 灵活性强，支持多种数据格式的输出。
  • 易于扩展，类似于标准库中的 printf。
• 改进建议：
  • 使用 vsnprintf 提升安全性，防止缓冲区溢出。
  • 添加线程同步以支持多线程环境。

这种可变函数特别重要，在以后自己想要打印别的函数

可变参数函数（Variadic Functions）是一种函数设计模式，它允许函数接收数量可变的参数。C语言中，通过 <stdarg.h> 提供的工具（如 va_list、va_start、va_arg 和 va_end），可以实现这种功能。

作用

可变参数函数的主要作用是为函数调用提供灵活性，适应输入参数数量和类型不固定的场景。以下是一些典型应用：

1. 格式化输出：

   • 函数如 printf 可以接收不同数量和类型的参数，灵活地处理格式化字符串和对应的数据。

     c

     复制代码

     printf("Hello, %s! You have %d messages.\n", "User", 5);

2. 日志记录：

   • 日志函数 log(const char* format, ...) 可以根据不同的输入生成对应的日志消息。

     c

     复制代码

     log("Error code: %d, Message: %s\n", 404, "Not Found");

3. 多参数计算：

   • 例如实现一个简单的求和函数 sum(int count, ...)：

     c

     复制代码

     int sum(int count, ...) { int total = 0; va_list args; va_start(args, count); for (int i = 0; i < count; i++) { total += va_arg(args, int); } va_end(args); return total; } sum(3, 1, 2, 3); // 返回 6

4. 通用处理接口：

   • 允许定义一个函数处理多种类型的数据，减少代码重复。例如在嵌入式系统中，可变参数函数用于调试信息的格式化输出。

好处

1. 提高灵活性

• 可变参数函数适用于输入参数数量或类型不确定的情况，可以根据需求动态调整输入参数，避免定义多个类似的函数。
• 例如，printf 函数通过解析格式化字符串自动匹配参数，无需为不同的输出需求定义多个函数。

2. 简化代码

• 可以用一个通用函数代替多个特定函数，减少代码重复，提高代码可维护性。
• 示例：

  c

  复制代码

  void print_hello(int times) { for (int i = 0; i < times; i++) { printf("Hello\n"); } }

3. 扩展性强

• 新的需求只需修改格式化字符串或参数传递方式，而不需要修改函数本身。
• 示例：
  • 增加新参数的日志记录需求，只需调整调用方式，而无需重写函数逻辑。

4. 支持通用接口

• 在接口设计中，可变参数函数能够统一处理不同类型和数量的输入，提供一致的接口。
• 例如，设计一个数据打包函数 pack(int count, ...)，可以根据数据类型和数量自动生成字节流。

局限性

尽管可变参数函数提供了许多优势，但它也有一些潜在的局限性和风险：

1. 缺乏类型检查

• 编译器无法对可变参数的类型和数量进行验证，容易引发运行时错误。

  c

  复制代码

  printf("%d", "string"); // 类型不匹配，可能导致未定义行为

2. 难以理解和调试

• 可变参数函数的实现较为复杂，维护时需要仔细检查 va_list 的使用，特别是错误传参或遗漏 va_end 时，可能导致不可预测的行为。

3. 性能开销

• 可变参数的处理需要额外的时间开销，特别是在函数被频繁调用的情况下，性能可能受到一定影响。

4. 不适用于所有场景

• 如果参数类型和数量可以提前确定，使用普通函数往往更安全和高效。

应用场景总结

可变参数函数适合以下场景：

1. 参数数量和类型不固定。
2. 需要统一接口处理不同类型的数据。
3. 提供通用的输出格式（如日志记录、调试信息、格式化输出等）。

使用建议

1. 安全使用：
   • 使用 vsnprintf 替代 vsprintf 以避免缓冲区溢出。
   • 明确函数的用途，严格控制输入格式。
2. 合理场景：
   • 对于参数确定的情况，优先选择普通函数。
   • 在接口设计中，尽量提供一个明确的标志（如参数数量或格式字符串）以描述参数内容。
3. 注重文档和注释：
   • 为可变参数函数编写清晰的文档，描述参数的用法和格式。

总结

可变参数函数的主要好处是灵活、简化和通用，但它也需要小心处理，特别是在参数类型和数量动态变化的场景下。通过合理使用，可以极大提高代码的可扩展性和复用性，同时降低维护成本。

整个发送代码如下！
 

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>


void Serial_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructrue;
	GPIO_InitStructrue.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructrue.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
	GPIO_InitStructrue.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructrue);
	
	
	USART_InitTypeDef USART1_InitStructure;
	USART1_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
	USART1_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	USART1_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;
	USART1_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;
	USART1_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	USART1_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
	USART_Init(USART1,&USART1_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, uint8_t Lenght)
{
	uint16_t i;
	for(i=0; i<Lenght; i++)
	{
		Serial_SendByte(Array[i]);
	}
}


void Serial_SendString(char* String)
{
	uint8_t i;
	for(i=0; String[i] != '\0'; i++)
	{
		Serial_SendByte(String[i]);
	}
}

uint32_t Result(uint32_t X, uint32_t Y)
{
	uint8_t result = 1;
	while(Y--)
	{
		result = result * X;
	}
	
	return result;
}

void Serial_SendNum(uint32_t Num, uint16_t Lenght)
{
	uint16_t i;
	uint32_t ww;
	for(i=Lenght; i>0; i--)
	{
		ww = Result(10,i-1);
		Serial_SendByte((Num/ww )% 10 + '0');
		
	}
	
}

	
int fputc(int ch, FILE* f)
{
	Serial_SendByte(ch);
	return ch;
}


void Serial_Printf(char* format, ...)
{
	char String[100];
	va_list arg;
	va_start(arg,format);
	vsprintf(String, format, arg);
	va_end(arg);
	Serial_SendString(String);
}

重定向C库函数printf()到串口，重定向后可使用printf();
//int fputc(int ch,FILE *f)
//{
//	USART_SendData(USART1,(uint8_t)ch);
//	while(!(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)));
//	return ch;
//}

下一节是接收程序代码！请看下节！！！！！！！！