串口通讯

STM32 F401 串口通讯 协议帧
嵌入式
发布日期:   2023-09-30
更新日期:   2024-07-20
文章字数:   2.4k
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引入

串口通讯

串口通讯 (Serial Communication) 是一种设备间非常常用的串行通讯方式，它简单便捷，并且大部分电子设备都支持该通讯方式，在调试设备时经常使用该通讯方式输出调试信息。

串口协议物理层：
TTL电平：

逻辑1：2.4V ~ 5V
逻辑0： 0 ~ 0.5V

RS232电平：

逻辑1：-15V ~ -3V
逻辑0： +3 ~ +15V

串口协议协议层：

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的 RXD 接口。在串口通讯的协议层中，规定了数据包的内容，它由启始位、主体数据、校验位以及停止位组成，通讯双方
的数据包格式要约定一致才能正常收发数据。
本节主要讲解的是串口异步通讯，异步通讯中由于没有时钟信号 ，所以两个通讯设备之间需要约定好波特率，即每个码元的长度，以便对信号进行解码，下图为串口数据包的基本组成，其中用虚线分开的每一格就是代表一个码元。常见的波特率为9600，115200 等。

串口数据包

STM32 芯片具有多个 USART 外设用于串口通讯，它是 Universal Synchronous Asynchronous Receiver
and Transmitter 的缩写，即通用同步异步收发器可以灵活地与外部设备进行全双工数据交换。有别于 USART，它还有具有 UART 外设 (Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)，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。

功能引脚

TX -> 发送数据输出引脚。

RX -> 接收数据输入引脚。

nRTS -> 请求以发送 (Request To Send)， n 表示低电平有效。如果使能 RTS 流控制，当 USART 接收器准备好接收新数据时就会将 nRTS 变成低电平；当接收寄存器已满时， nRTS 将被设置为高电平。该引脚只适用于硬件流控制。

nCTS -> 清除以发送 (Clear To Send)， n 表示低电平有效。如果使能 CTS 流控制，发送器在发送下一帧数据之前会检测 nCTS 引脚，如果为低电平，表示可以发送数据，如果为高电平则在发送完当前数据帧之后停止发送。该引脚只适用于硬件流控制。

SCLK -> 发送器时钟输出引脚。这个引脚仅适用于同步模式。

数据寄存器

USART 数据寄存器 (USART_DR) 只有低 9 位有效，并且第 9 位数据是否有效要取决于 USART控制寄存器 1(USART_CR1) 的 M 位设置，当 M 位为 0 时表示 8 位数据字长，当 M 位为 1 表示 9位数据字长，一般使用 8 位数据字长。

USART_DR 包含了已发送的数据或者接收到的数据。

USART_DR 实际是包含了两个寄存器，一个专门用于发送的可写 TDR，一个专门用于接收的可读 RDR。当进行发送操作时，往 USART_DR写入数据会自动存储在 TDR 内；当进行读取操作时，向 USART_DR 读取数据会自动提取 RDR数据。

TDR 和 RDR 都是介于系统总线和移位寄存器之间。串行通信是一个位一个位传输的，发送时把TDR 内容转移到发送移位寄存器，然后把移位寄存器数据每一位发送出去，接收时把接收到的
每一位顺序保存在接收移位寄存器内然后才转移到 RDR。

中断控制

USART 有多个中断请求，可以根据相应标志位判断当前状态。

串口中断

下面为USART2的初始化，波特率配置为115200，8字长，无校验，1停止位

void USART2_Config(void)
{
	/* 第一步：初始化GPIO */
	GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE);
	
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;  
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  
    /* 配置Tx  --  PA9引脚为复用功能  */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;  
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    /* 配置Rx  --  PA10引脚为复用功能 */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	/* 配置GPIO的第二功能 */
	 /* 连接 PA10 到 USARTx_Tx*/
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource3,GPIO_AF_USART2);
    /*  连接 PA9 到 USARTx__Rx*/
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource2,GPIO_AF_USART2);
	
	/* 第二步：配置串口初始化结构体 */
	
	 /* 使能 USART 时钟 */
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2, ENABLE);
	
	/* 配置 USART2  */
    /* 波特率设置：DEBUG_USART_BAUDRATE */
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;//串口波特率
    /* 字长(数据位+校验位)：8 */
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    /* 停止位：1个停止位 */
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    /* 校验位选择：不使用校验 */
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    /* 硬件流控制：不使用硬件流 */
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    /* USART模式控制：同时使能接收和发送 */
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    /* 完成USART初始化配置 */
    USART_Init(USART2, &USART_InitStructure); 
	
	/* 第三步：配置串口的接收中断 */
    /* 嵌套向量中断控制器NVIC配置 */
	NVIC_Configuration();
	/*使能串口接收中断 */
	USART_ITConfig(USART2, USART_IT_RXNE, ENABLE);
	
    /* 第四步：使能串口 */
    USART_Cmd(USART2, ENABLE);
}

static void NVIC_Configuration(void)
{
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
    /* 嵌套向量中断控制器组选择 */
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    
    /* 配置USART1为中断源 */
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART2_IRQn;
    /* 抢断优先级为1 */
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    /* 子优先级为1 */
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    /* 使能中断 */
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    /* 初始化配置NVIC */
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

完成串口初始化之后，开始着手处理WT1-IMU发送的数据。

tips:

补充一下，为什么要使用数据帧进行通讯

串口通信虽然简单方便，但实际使用时会发现需要传输数据的不止1个字节，往往需要传输多个字节组成的数据包，由于串口通信中字节之间相互独立，在传输多个字节的数据时，将面临以下问题：

  • 接收端从串口接收的是字节流，那它是如何知道帧的开始或结束呢？它又是如何知道这个帧有多长？
  • 真实的物理硬件是充满噪音和干扰的，由于电噪声，某些字节的位可能被翻转，字节甚至整个帧都可能会丢失。

串口通信虽然简单方便，但实际使用时会发现需要传输数据的不止1个字节，往往需要传输多个字节组成的数据包，而因为串口通信中字节之间相互独立，在接收数据时面临“数据包对齐”和“防止数据出错”两大问题。

数据包对齐在也叫数据帧同步。解决方法就是引入帧同步字节，也就是增加帧头、帧尾等，对于固定长度数据帧通信可以只使用帧头帧尾，对于可变长度数据帧通信还需引入描述帧长的字节。利用帧头、帧尾、帧长即可解决。

防止数据出错也叫差错控制。在通信原理中，有四种差错控制方法：检错重发、前向纠错、反馈校验、检错删除。四种差错控制方法各有其优缺点，一般采用检错删除的差错控制算法，故只需要考虑如何检错这一个问题，常用的方法是在数据帧中增加校验字节。

WT1-IMU的通讯协议

首先浏览WT1-IMU的通讯协议文档，从中可知：

1.单帧的数据格式

B-IMU数据帧格式
2.数据的发送格式
一次发送三帧数据，由二级帧头TYPE区分（我习惯称之为功能字），最终得到的有效数据为9个short类型的数据。

理清通讯协议之后，开始进行串口接收部分的代码编写。

//IMU数据结构体
typedef struct
{
    s16 acceleration_X;
    s16 acceleration_Y;
    s16 acceleration_Z;//三轴加速度
    s16 angular_velocity_X;
    s16 angular_velocity_Y;
    s16 angular_velocity_Z;//三轴角速度
    s16 Roll;
    s16 Pitch;
    s16 Yaw;//三轴角度
}IMU_Data;

u8 Data_Buf[30];//串口接收缓冲区
IMU_Data IMU_DATA;


//串口接收中断
void USART2_IRQHandler(void)
{
  uint8_t ucTemp;

	if(USART_GetITStatus(USART2,USART_IT_RXNE)!=RESET)//获取标志位
	{		
		ucTemp = USART_ReceiveData( USART2 );//读取数据
        Data_ByteGet(ucTemp);
	}	 
}


void Data_ByteGet(u8 data)
{
    static u8 pos;
    
    Data_Buf[pos] = data;
    
    if(pos == 0)
    {
        if(Data_Buf[0] == 0x55)//帧头判断
        {
            pos++;
        }
        else
        {
            pos=0;
        }
    }
    else if(pos == 1)
    {
        if( (Data_Buf[1] == acceleration) || (Data_Buf[1] == angular_velocity) || (Data_Buf[1] == angle))//功能字
        {
            pos++;
        }
        else
        {
            pos=0;
        }
    }
    else if(pos >= 2 && pos <= 9)
    {
        pos++;//数据域
    }
    else if(pos == 10)
    {
        //数据和校验比对
        if(Data_Buf[10] == SUMCRC(Data_Buf,10))
        {
            //校验通过，开始对数据进行处理
            Data_Analysis(Data_Buf);
        }
        
        pos = 0;
    }
    
}


/**
  * @brief  和校验计算函数
  * @param  data_buf -> 待计算的数组地址 lenth -> 数组中待累加元素个数
  * @retval 校验和的低8位
  */
u8 SUMCRC(u8* data_buf,u8 lenth)
{
    u8 i;
    u8 ret;
    
    for(i=0;i<lenth;i++)
    {
        ret += data_buf[i];
    }
    
    return (ret);
}


void Data_Analysis(u8* Buf)
{
    if(Buf[1] == acceleration)//加速度帧
    {
        IMU_DATA.acceleration_X=( (Buf[3]<<8)|Buf[2] ) /32768*16*9.8;
        IMU_DATA.acceleration_Y=( (Buf[5]<<8)|Buf[4] ) /32768*16*9.8;
        IMU_DATA.acceleration_Z=( (Buf[7]<<8)|Buf[6] ) /32768*16*9.8;
    }
    else if(Buf[1] == angular_velocity)//角速度帧
    {
        IMU_DATA.angular_velocity_X=( (Buf[3]<<8)|Buf[2] )/32768*2000;
        IMU_DATA.angular_velocity_Y=( (Buf[5]<<8)|Buf[4]  )/32768*2000;
        IMU_DATA.angular_velocity_Z=( (Buf[7]<<8)|Buf[6] )/32768*2000;
    }
    else if(Buf[1] == angle)//角度帧
    {
        IMU_DATA.Roll=( (Buf[3]<<8)|Buf[2] )/32768*180;
        IMU_DATA.Pitch=( (Buf[5]<<8)|Buf[4] )/32768*180;
        IMU_DATA.Yaw=( (Buf[7]<<8)|Buf[6] )/32768*180;
    }
}

至此，对WT1-IMU的数据接收已经完成，接下来可以在main.c中将IMU的数据输出到上位机，以此检验串口数据帧的接收。

总结

使用串口通过数据帧进行多数据的交互在实际应用中相当常见。串口数据帧的结构相对简单，易于实现和解析，可自行设置数据长度以适应不同数据长度的需求，适用性广泛。

串口总结

文章作者: 析木
文章链接: https://sparkle-now.cn/2023/09/30/b-chuan-kou-tong-xun/
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