stm32mp1 Cortex M4開發(fā)篇5：串行通訊接口
寫在前面：
本文章為《ARM Cortex-M4裸機(jī)開發(fā)篇》系列中的一篇，，全系列總計(jì)14篇。筆者使用的開發(fā)平臺為華清遠(yuǎn)見FS-MP1A開發(fā)板（STM32MP157開發(fā)板），Cortex-M4裸機(jī)開發(fā)篇除了講M4裸機(jī)開發(fā)外，還會講解通過M4控制資源擴(kuò)展板上的各種傳感器執(zhí)行器模塊（包括空氣溫濕度傳感器、LED燈、數(shù)碼管、蜂鳴器、震動馬達(dá)、按鍵中斷、風(fēng)扇等），本篇是M4控制資源擴(kuò)展板中的一篇。
資源擴(kuò)展板是FS-MP1A開發(fā)板的擴(kuò)展模塊，主要包含了10余種助主流傳感器、執(zhí)行器件、總線控制器件，非常方便項(xiàng)目擴(kuò)展用?？赏卣归_發(fā)智慧家庭、智能醫(yī)療、智能安防、工業(yè)控制、圖像識別、環(huán)境檢測等方向的10個(gè)左右綜合項(xiàng)目，華清遠(yuǎn)見開發(fā)板也將配套提供所有項(xiàng)目的說明文檔、實(shí)驗(yàn)源碼、應(yīng)用程序等資料。
針對FS-MP1A開發(fā)板，除了Cortex-M4裸機(jī)開發(fā)篇外，還包括其他多系列教程，包括Cortex-A7開發(fā)篇、FreeRTOS篇、Linux基礎(chǔ)及應(yīng)用開發(fā)篇、Linux系統(tǒng)移植篇、Linux驅(qū)動開發(fā)篇、硬件設(shè)計(jì)篇、人工智能機(jī)器視覺篇、Qt應(yīng)用編程篇、Qt綜合項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)篇等。歡迎關(guān)注，更多stm32mp157開發(fā)教程及視頻，可加技術(shù)交流Q群459754978，感謝關(guān)注。
FS-MP1A開發(fā)板詳情介紹：https://item.taobao.com/item.htm?id=622457259672
資源擴(kuò)展板介紹
硬件介紹&資源擴(kuò)展板可開發(fā)項(xiàng)目
Cortex-M4 串行通訊接口
實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h1>
熟悉STM32CubeIDE工具軟件的使用。
掌握STM32CubeIDE軟件的基本設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)步驟，能夠使用工具進(jìn)行設(shè)計(jì)、編程、仿真調(diào)試。
學(xué)習(xí)UART串口的使用方法，掌握如何利用STM32MP157A芯片的串口輸入輸出。
實(shí)驗(yàn)環(huán)境
FS-MP1A開發(fā)平臺
ST-Link仿真器
STM32CubeIDE開發(fā)軟件
PC機(jī) XP、Window7/10 (32/64bit)
串口調(diào)試工具
實(shí)驗(yàn)原理
串口是計(jì)算機(jī)上一種非常通用設(shè)備通信的協(xié)議（不要與通用串行總線Universal Serial Bus 或者USB 混淆）。大多數(shù)計(jì)算機(jī)包含兩個(gè)基于RS232 的串口。串口同時(shí)也是儀器儀表設(shè)備通用的通信協(xié)議；很多GPIB(通用接口總線)兼容的設(shè)備也帶有RS-232 口。同時(shí)，串口通信協(xié)議也可以用于獲取遠(yuǎn)程采集設(shè)備的數(shù)據(jù)。
串口通信的概念非常簡單，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很簡單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。典型地，串口用于ASCII碼字符的傳輸。通信使用3根線完成：（1）地線，（2）發(fā)送，（3）接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)在另一根線上接收數(shù)據(jù)。其他線用于握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。
對于兩個(gè)進(jìn)行通行的端口，這些參數(shù)必須匹配：
波特率：這是一個(gè)衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的bit的個(gè)數(shù)。例如300波特表示每秒鐘發(fā)送300個(gè)bit。當(dāng)我們提到時(shí)鐘周期時(shí)，我們就是指波特率例如如果協(xié)議需要4800波特率，那么時(shí)鐘是4800Hz。這意味著串口通信在數(shù)據(jù)線上的采樣率為4800Hz。通常電話線的波特率為14400，28800和36600。波特率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常用于放置的很近的儀器間的通信，典型的例子就是GPIB設(shè)備的通信。
數(shù)據(jù)位：這是衡量通信中實(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)信息包，實(shí)際的數(shù)據(jù)不會是8位的，標(biāo)準(zhǔn)的值是5、7和8位。如何設(shè)置取決于你想傳送的信息。比如，標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼是0～127（7位）。擴(kuò)展的ASCII碼是0～255（8位）。如果數(shù)據(jù)使用簡單的文本（標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼），那么每個(gè)數(shù)據(jù)包使用7位數(shù)據(jù)。每個(gè)包是指一個(gè)字節(jié)，包括開始/停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位。由于實(shí)際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取，術(shù)語“包”指任何通信的情況。
停止位：用于表示單個(gè)包的最后一位。典型的值為1 ，1.5和2位。這里的1.5位的數(shù)據(jù)寬度，就是1.5個(gè)波特率，由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計(jì)算機(jī)校正時(shí)鐘同步的機(jī)會。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時(shí)鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時(shí)也越慢。
奇偶校驗(yàn)位：在串口通信中一種簡單的檢錯(cuò)方式。有四種檢錯(cuò)方式：偶、奇、高和低。當(dāng)然沒有校驗(yàn)位也是可以的。對于偶和奇校驗(yàn)的情況，串口會設(shè)置校驗(yàn)位（數(shù)據(jù)位后面的一位），用一個(gè)值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個(gè)或者奇?zhèn)€邏輯高位。例如，如果數(shù)據(jù)是011，那么對于偶校驗(yàn)，校驗(yàn)位為0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個(gè)。如果是奇校驗(yàn)，校驗(yàn)位位1 ，這樣就有3個(gè)邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數(shù)據(jù)，簡單置位邏輯高或者邏輯低校驗(yàn)。這樣使得接收設(shè)備能夠知道一個(gè)位的狀態(tài)，有機(jī)會判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步.
硬件流控制:?硬件流控制常用的有RTS/CTS流控制和DTR/ R（數(shù)據(jù)終端就緒/數(shù)據(jù)設(shè)置就緒）流控制。硬件流控制必須將相應(yīng)的電纜線連上，用RTS/CTS（請求發(fā)送/清除發(fā)送）流控制時(shí)，應(yīng)將通訊兩端的RTS、CTS線對應(yīng)相連，數(shù)據(jù)終端設(shè)備（如計(jì)算機(jī)）使用RTS來起始調(diào)制解調(diào)器或其它數(shù)據(jù)通訊設(shè)備的數(shù)據(jù)流，而數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（如調(diào)制解調(diào)器）則用CTS來起動和暫停來自計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)流。這種硬件握手方式的過程為：我們在編程時(shí)根據(jù)接收端緩沖區(qū)大小設(shè)置一個(gè)高位標(biāo)志（可為緩沖區(qū)大小的75％）和一個(gè)低位標(biāo)志（可為緩沖區(qū)大小的25％），當(dāng)緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)量達(dá)到高位時(shí)，我們在接收端將CTS線置低電平（送邏輯0），當(dāng)發(fā)送端的程序檢測到CTS為低后，就停止發(fā)送數(shù)據(jù)，直到接收端緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)量低于低位而將CTS置高電平。RTS則用來標(biāo)明接收設(shè)備有沒有準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。
常用的流控制還有還有DTR/ R（數(shù)據(jù)終端就緒/數(shù)據(jù)設(shè)置就緒）。我們在此不再詳述。
STM32串口設(shè)置一般可以總結(jié)為如下幾個(gè)步驟：
串口時(shí)鐘使能，GPIO時(shí)鐘使能
設(shè)置引腳復(fù)用映射
GPIO初始化設(shè)置,模式為復(fù)用功能
串口參數(shù)初始化：設(shè)置波特率，字長，奇偶校驗(yàn)等參數(shù)
開啟中斷并初始化NVIC，使能中斷（如果需要開啟中斷才需要這個(gè)步驟）
使能串口
編寫中斷處理函數(shù)
串口硬件原理圖：
HAL庫函數(shù)解析：
HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);
這兩個(gè)函數(shù)是輪詢方式發(fā)送和接收
HAL_UART_Transmit_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);
HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);
這兩個(gè)函數(shù)是以中斷方式發(fā)送和接收。具體傳參詳見工程。
注意：這兩個(gè)函數(shù)里為指定緩沖區(qū)和大小并開啟中斷。實(shí)際上數(shù)據(jù)還在中斷里處理
HAL庫提供了用戶中斷處理函數(shù)方式，是調(diào)用回調(diào)函數(shù)。
接收中斷在用戶代碼里重定義void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
發(fā)送中斷在用戶代碼里重定義void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);
實(shí)驗(yàn)步驟
打開STM32CubeIDE->File->New->STM32 Project
可以在左側(cè)搜索框內(nèi)輸入芯片型號STM32MP157A進(jìn)行搜索，選擇對應(yīng)芯片，點(diǎn)擊Next
填寫工程名，點(diǎn)擊Finsh
點(diǎn)擊Yes打開配置頁面
配置UART4，勾選Cortex-M4，Mode選擇Asynchronous，NVIC Settings 勾選Enabled使能串口中斷，搜索框搜索PB2、PG11，分別配置為UART4_RX、UART4_TX
在Code Generator處選擇為每個(gè)外設(shè)生成單獨(dú)的C和H文件，這樣設(shè)置方便閱讀代碼
完成以上設(shè)置后，Ctrl+S保存，會提示是否需要生成代碼，選擇Yes即可自動生成代碼。系統(tǒng)會自動生成System Clock代碼
可以在左側(cè)工程文件夾找到UART_CM4子工程,打開main.c
添加串口中斷回調(diào)函數(shù)HAL_UART_RxCpltCallback
12345void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart){ HAL_UART_Transmit(&huart4, Buff, 5, 100);}
在主函數(shù)中調(diào)用串口中斷接收函數(shù) HAL_UART_Receive_IT(&huart4, Buff, 5);
上述為新建工程配置過程，可參考12.3.2章節(jié)進(jìn)行導(dǎo)入已有工程，工程存放路徑【華清遠(yuǎn)見-FS-MP1A開發(fā)資料\02-程序源碼\ARM體系結(jié)構(gòu)與接口技術(shù)\Cortex-M4\4_UART】
配置完成或?qū)牍こ毯筮M(jìn)行程序下載，具體步驟參考12.3.3節(jié)進(jìn)行開發(fā)板連接，程序編譯、下載
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
連接串口線，打開串口調(diào)試助手，選擇串口號，波特率115200，打開串口，發(fā)送5個(gè)字符，可以看到也成功接收到發(fā)送的字符
硬件平臺：華清遠(yuǎn)見FS-MP1A開發(fā)板（STM32MP157）
部分開發(fā)教程下載：加QQ群459754978，群文件里有。
部分視頻課程收看：華清遠(yuǎn)見研發(fā)中心的個(gè)人空間_嗶哩嗶哩_Bilibili
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