15.4、 串口2的Printf输出实验.pdf

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1、 串口串口2的的Printf输出实验输出实验 前面两节介绍了STM32的IO口操作。这一节我们将学习STM32的常用接口UART串口。通 过本节的学习，将了解到STM32串口的基本原理、初始化及其发送功能的使用。本节分为如下几个 小节： 4.4.1 串口发送实验的意义与作用 4.4.2 实验原理 4.4.3 硬件设计 4.4.4 软件设计 4.4.5 下载与验证 4.4.6 实验现象 ? 意义与作用意义与作用 早在当年51单片机内置串口的时候，被认为是微控制器发展史上的重大事件，因为当时的串口 是唯一一个微控制器与PC交互的接口。现在经过这么多年串口仍然是MCU微控制器必不可少的接口 之一。

2、串口的使用对于我们开发调试过程中的作用是非常之大，可以用来查看，打印以及输入相关信 息，是我们在嵌入式开发中最先与中央处理器通信的接口，学习好串口的功能，对于后续神舟IV号 的各个例程的调试具有至关重要作用。 STM32的通用同步异步收发器(USART)是相当丰富的，功能也很强劲。最多可提供5路串口（神 舟IV号开发板使用的是STM32F107VCT6，具有5个串口）。该USART有分数波特率发生器，发送和 接收共用的可编程波特率，最高达4.5Mbits/s；可编程数据字长度(8位或9位)；可配置的停止位-支持1 或2个停止位；支持单线半双工通讯；支持LIN；支持智能卡协议和IrDA SIR

3、ENDEC规范（仅串口3 支持）、具有DMA等。 这一节我们将学习 STM32 的串口。通过本节的学习，你将了解到 STM32 串口的基本使用方法。 ? 实验原理实验原理 串行通信基础知识串行通信基础知识 串行通讯的基本概念：与外界的信息交换称为通讯。基本的通讯方式有并行通讯和串行通讯两 种。 一条信息的各位数据被同时传送的通讯方式称为并行通讯。并行通讯的特点是：各数据位同时 传送，传送速度快、效率高，但有多少数据位就需多少根数据线，因此传送成本高，且只适用于近 距离（相距数米）的通。 一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。 串行通讯的特点是：数据位传送，传按位顺序进行，最

4、少只需一根传输线即可完成，成本低但 送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米。 根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。信息只能单向传 送为单工；信息能双向传送但不能同时双向传送称为半双工；信息能够同时双向传送则称为全双工。 ? 如果在通信过程的任意时刻，信息只能由一方A传到另一方B，则称为单工。 ? 如果在任意时刻，信息既可由A传到B，又能由B传A，但只能由一个方向上的传输存在，称 为半双工传输。 ? 如果在任意时刻，线路上存在A到B和B到A的双向信号传输，则称为全双工。 串行通讯又分为异步通讯和同步通讯两种。在单片机中，主要使用异步通讯方式。 串口的原理和特点

5、串口的原理和特点 串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议（不要与通用串行总线Universal Serial Bus或者 USB混淆） 。 大多数计算机包含两个基于RS232的串口。 串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议； 很多GPIB(通用接口总线)兼容的设备也带有RS-232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采 集设备的数据。 串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信 慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距 离通信。 典型地，串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成：（1

6、）地线，（2）发送，（3） 接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线 用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。 对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配： a.波特率：波特率：这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如300波特表示每 秒钟发送300个bit。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特率例如如果协议需要4800波特率，那么 时钟是4800Hz。这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。通常电话线的波特率为14400， 28800和36600。波特率可以远远大于这些值，

7、但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的 很近的仪器间的通信，典型的例子就是GPIB设备的通信。 b.数据位：数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8 位的，标准的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0127（7 位）。扩展的ASCII码是0255（8位）。如果数据使用简单的文本（标准 ASCII码），那么每个数 据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位 取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。 c.停止位：停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值

8、为1，1.5和2位。由于数据是在传输线上定时 的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止 位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不 同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。 d.奇偶校验位奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没 有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个 值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0， 保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验

9、位位1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真 正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机 会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步. e硬件流控制硬件流控制: 硬件流控制常用的有RTS/CTS流控制和DTR/DSR（数据终端就绪/数据设置就绪） 流控制。硬件流控制必须将相应的电缆线连上，用RTS/CTS（请求发送/清除发送）流控制时，应将 通讯两端的RTS、CTS线对应相连，数据终端设备（如计算机）使用RTS来起始调制解调器或其它数 据通讯设备的数据流，而数据通讯设备（如调制解调器）则用CTS来起动和暂停来自计算机的数据 流。这种硬

10、件握手方式的过程为：我们在编程时根据接收端缓冲区大小设置一个高位标志（可为缓 冲区大小的75）和一个低位标志（可为缓冲区大小的25），当缓冲区内数据量达到高位时，我 们在接收端将CTS线置低电平（送逻辑0），当发送端的程序检测到CTS为低后，就停止发送数据， 直到接收端缓冲区的数据量低于低位而将CTS置高电平。 RTS则用来标明接收设备有没有准备好接收 数据。 常用的流控制还有DTR/DSR（数据终端就绪/数据设置就绪）。我们在此不再详述。 ? STM32串口串口 STM32的串口是相当丰富的，功能也很强劲。最多可提供5路串口（神舟IV号引出了串口1和串 口2），有分数波特率发生器、支持单线光

11、通信和半双工单线通讯、支持LIN、智能卡协议和IrDA SIR ENDEC规范（仅串口3支持）、具有DMA等。 串口最基本的设置，就是波特率的设置。STM32的串口使用起来还是蛮简单的，只要你开启了 串口时钟，并设置相应IO口的模式，然后配置一下波特率，数据位长度，奇偶校验位等信息，就可 以使用了。下面，我们就简单介绍下这几个与串口基本配置直接相关的寄存器。 1.STM32串口时钟的使能串口时钟的使能 串口作为STM32的一个外设，其时钟由外设始终使能寄存器控制，这里我们使用的串口1是在 APB2ENR寄存器的第14位。说明一点，就是除了串口1的时钟使能在APB2ENR寄存器，其他串口的 时钟

12、使能位都在APB1ENR。 2.串口复位串口复位 当外设出现异常的时候可以通过复位寄存器里面的对应位设置，实现该外设的复位，然后重新 配置这个外设达到让其重新工作的目的。一般在系统刚开始配置外设的时候，都会先执行复位该外 设的操作。串口1的复位是通过配置APB2RSTR寄存器的第14位来实现的。APB2RSTR寄存器的各位 描述如下： 从上图可知串口1的复位设置位在APB2RSTR的第14位。通过向该位写1复位串口1，写0结束复 位。其他串口的复位位在APB1RSTR里面。 3.串口波特率设置 每个串口都有一个自己独立的波特率寄存器USART_BRR， 通过设置该寄存器达到配置不同波特 率的目

13、的。该寄存器的各位描述如下： 前面提到STM32的分数波特率概念，其实就是在这个寄存器里面体现的。最低4位用来存放小数 部分DIV_Fraction，15:4这12位用来存放整数部分DIV_Mantissa。高16位未使用。这里波特率的计 算通过如下公式计算： 这里的 （x=1、2）是给外设的时钟（PCLK1用于串口2、3、4、5，PCLK2用于串口1）， USARTDIV是一个无符号的定点数，它的值可以有串口的BRR寄存器值得到。而我们更关心的是如 何从USARTDIV的值得到USART_BRR的值，因为一般我们知道的是波特率，和PCLKx的时钟，要 求的就是USART_BRR的值。 4.串

14、口控制串口控制 STM32的每个串口都有5个控制寄存器USART_CR15， 串口的很多配置都是通过这3个寄存器来 设置的。这里我们只要用到USART_CR1就可以实现我们的功能了，该寄存器的描述在STM32参考 手册第496也有详细介绍，在这里我们就不列出来了。 5.数据发送与接收。数据发送与接收。 STM32的发送和接收是通过数据寄存器USART_DR来实现的，这是一个双寄存器，包含了发送 和接收两部分。当向该寄存器写数据的时候，串口就会自动发送，当收到数据的时候，也在该寄存 器中。该寄存器的各位描述如下： 寄存器USART_DR的各位描述 注意：虽然USART_DR是一个32位寄存器，但

15、31:9是强制为“0”，只用了低9位（DR8:0）。 DR8:0为串口数据， 包含了发送或接收的数据。 由于它是由两个寄存器组成的， 一个给发送用(TDR)， 一个给接收用(RDR)，该寄存器兼具读和写的功能。TDR寄存器提供了内部总线和输出移位寄存器之 间的并行接口。RDR寄存器提供了输入移位寄存器和内部总线之间的并行接口。 当使能校验位(USART_CR1种PCE位被置位)进行发送时，写到MSB的值(根据数据的长度不同， MSB是第7位或者第8位)会被后来的校验位该取代。 当使能校验位进行接收时，读到的MSB位是接收到的校验位。 6.串口状态寄存器串口状态寄存器USART_SR 串口的状态

16、可以通过状态寄存器USART_SR读取。USART_SR的各位描述如下： 寄存器USART_SR各位描述 这里我们主要关注一下三位，第5，6，7位RXNE、TC和TXE。 串口最基本的设置，就是波特率的设置，然后配置数据位长度，奇偶校验位等信息。至于串口 时钟、串口复位、串口的控制等等，详细请参考【中文】STM32F系列ARM内核32位高性能微处 理器参考手册V10_1.pdf第516页开始阐述USART串行口以及540页开始关于寄存器的描述。 ? 硬件设计硬件设计 由于处理器输出的是TTL/COMS电平，而PC串口为RS-232电平，所以硬件需要使用一颗电平转 换芯片MAX3232实现双向电

17、压转换。原理图如图表 1 神舟IV号串口原理图所示。由于串口外围电 路很简单也很常见，再此就不做深入讲解了。 图表 1 神舟 IV 号串口原理图 串口数据的输入和输出是站在处理器角度看的： USART2_RX：接收数据串行输入。通过过采样技术来区别数据和噪音从而恢复数据。 USART2_TX：发送数据输出。当发送器被禁止时，输出引脚恢复到它的I/O端口配置。当发送器被 激活，并且不发送数据时，TX管脚处于高电平。 GND：数字地。为接收和发送信号提供参考地。 神舟IV号开发板上有 2 个RS-232C串口，如图表 3 神舟IV号开发板的 2 个RS-232C串口所示。 这两个RS-232C串口

18、为DB9 公头插针，其线序与PC电脑上的DB9 公头插针相同，都为 2 脚输入到开 发板，3 脚输出，如所图表 2 DB9 公头线序及信号定义示。所以只要一根母到母交叉串口线就可以 方便的将这两个串口连接起来，或者将开发板上的串口与PC机连接起来。 图表 2 DB9 公头线序及信号定义 图表 3 神舟 IV 号开发板的 2 个 RS-232C 串口 DB9管脚管脚 功能描述功能描述 DB9管脚功能描述管脚功能描述 1 NC 6 NC 2 USART1_PA10 开发板接收7 NC 3 USART1_PA9 开发板发送 8 NC 4 NC 9 NC 5 GND 表格 1 串口 1（CN5）信号定

19、义 DB9管脚管脚 功能描述功能描述 DB9管脚功能描述管脚功能描述 1 NC 6 NC 2 USART2_PD6 7 NC 3 USART2_PD5 8 NC 4 NC 9 NC 5 GND 表格 2 串口 2（CN6）信号定义 注：由于串口1与USB的ID和VBUS信号复用，使用时需要改变跳线位置，所以我们推荐使用串口2， 我们的示例也大都是在串口2输出信息。 由于 STM32 的管脚数量有限，所以其串口管脚为多功能复用管脚，为了不同功能硬件不相互影 响，开发板上使用跳线来选择对应功能，在做此次试验前需要检查神舟 IV 号开发板上的跳线位置是 否正确。 如果连接串口 2 （推荐， 默认出厂

20、跳线既连接好了串口 2） ， 则需要将JP4 的 2?3 用跳帽短接， 如图图表 4 串口 2 跳线位置图所示；如果连接串口 1（不推荐，默认出厂跳线不是连接串口 1）， 则需要将JP3 和JP5 的 2?3 用跳帽短接，如图图表 5 串口 1 跳线位置图所示。 图表 4 串口 2 跳线位置图 图表 5 串口 1 跳线位置图 跳线连接正确后使用交叉母对母串口线连接神舟IV号开发板的串口2（推荐）到PC或 USB转串口线，下面可以开始软件设计了。 ? 软件设计软件设计 这一节我们使用串口2实现Printf函数打印输出信息，在PC电脑终端显示出来。 在软件设计中，我们先来了解关于ST库函数中配置串

21、口参数。关于STM32的USART的 库 函 数 实 现 ， 主 要 是 在 STM32F10x_StdPeriph_Driver 库 的 “ stm32f10x_usart.c ” 和 “ stm32f10x_usart.h ” 两 个 文 件 里 。 以 V3.3.0 版 本 的 库 为 例 ， 这 两 个 文 件 位 于 “STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.3.0LibrariesStm32F10x_StdPeriph_Driver”目录的“src” 和“inc”文件夹里： 首先， 完成串口发送单个字节的函数， 在库函数模板的main.c中一般会有如下图表 6 串 口

22、PUTCHAR_PROTOTYPE宏定义的宏定义，这是为了兼容不同的编译平台。 图表 6 串口 PUTCHAR_PROTOTYPE 宏定义 然后，我们关注串口的发送函数，通过此函数，我们发送一个字符出去。我们需要按照 图 表 7 串 口 PUTCHAR_PROTOTYPE 函 数 实 现 所 示 完 成 函 数 体 ， 第 一 句 “USART_SendData(EVAL_COM1, (uint8_t) ch);”是调用“stm32f10x_usart.c”库文件中的 字符发送函数，然后是while循环等待发送结束“(USART_GetFlagStatus(EVAL_COM1, USART_F

23、LAG_TC) = RESET)”。如果不等待发送结束就返回，则在字符串发送函数中 PUTCHAR_PROTOTYPE函数会被连续循环调用多次， 如果上一次发送的字节在寄存器中还 没有发送结束， 此时再次写同样的发生寄存器会将刚才的数据覆盖掉， 接收侧将得不到预期 的数据。 图表 7 串口 PUTCHAR_PROTOTYPE 函数实现 接下来，我们再来看USART相关的结构体，主要是用来配置串口的波特率，数据位， 奇偶校验位等信息等。完成USART_InitTypeDef USART_InitStructure;结构体变量的赋值， 该结构体位于“stm32f10x_usart.h”中，如图表

24、8 USART_InitTypeDef结构体定义所示，可 选的值如图表 9 串口USART_InitTypeDef成员变量可选的值所示。 图表 8 USART_InitTypeDef 结构体定义 图表 9 串口 USART_InitTypeDef 成员变量可选的值 了解了库函数关于USART的一些相关的函数，结构体定义后，我们回到本实验中。本 实验中直接调用库函数进行设计。在本实验的主程序中，需要对USART_InitTypeDef结构体 进行初始化设置，配置串口的基本参数，以下图表 10 串口初始化与打印为将神舟IV号的 串口 2 初始化为 115200,8bit模式：调用完“STM_EVA

25、L_COMInit(COM1, ”函数后就可以想以前一样使用printf函数来完成打印输出任务。 图表 10 串口初始化与打印 扩展讨论扩展讨论-系统打印效率系统打印效率 串口发送函数有两种写法如下图表 11 串口发送函数方法一和图表 12 串口发送函数 方法二所示，对系统来说，哪种好一些？ 假设有一个循环程序， 每次经过复杂的计算后打印一个字节， 每次复杂的计算需要花费 时间 Tc，MCU 处理器发次一个字节需要时间 Ts）。如果使用方法一，则每打印一个字节 需要花费时间为（Tc+ Ts）；如果使用方法二，则每打印一个字节需要花费时间为(Tc Ts ? Tc : Ts)。说明此时方法二执行效

26、率高一些。 图表 11 串口发送函数方法一 图表 12 串口发送函数方法二 ? 下载与验证下载与验证 神舟IV号光盘源码目录包含本实验的工程源码，在神舟IV号光盘源码 04、UART串口 2Printf.rarProject4、UART串口2PrintfEWARMv5STM32F107VC-ARMJISHUExe目录下的 ARMJISHU_UART串口2Printf.hex文件即为我们分析的蜂鸣器鸣响实验编译好的固件，我们 可以直接通过JLINK V8将固件下载到神舟IV号开发板中，观察运行效果。 如果使用JLINK下载固件，请按错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。错误

27、！未找到引用源。下载固件 到神舟IV号开发板小节进行操作。 如果使用USB下载固件，请按错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。小节进行操 作。 如果使用串口下载固件，请按错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。小节进行 操作。 如果在IAR开发环境中， 下载编译好的固件或者在线调试， 请按错误！ 未找到引用源。错误！ 未找到引用源。 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。小节进行操作。 如果在MDK开发环境中，下载编译好的固件或者在线调试，请按错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。小节进行操作。 ? 实验现象实验现象 将固件下载在神舟IV号STM32开发板后，用随板配置的串口线连接神舟IV号串口2与电 脑的串口，打开超级终端，并按如下参数配置串口。 图表 13 超级终端串口参数配置 上电运行神舟 IV 号，串口将重复打印如下“WWW.ARMJISHU.COM USART2 configured”信息，如下图所示： 图表 14 printf 函数打印输出截图