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STM32F407基础教程——串口基本概念与库函数

Easy单片机

2025-12-03

导读：串口通信基本概念与相关库函数

引言

串口通信，全称串行通信接口，是嵌入式系统中最基础、最常用的通信方式之一。如同人与人之间的对话需要共同的语言，设备间的数据交换也需要遵循特定的通信协议，而USART（Universal Synchronous Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步异步收发器）是一种广泛使用的串行通信接口。

USART能够灵活地与外部设备进行全双工数据交换，支持异步通信、同步单向通信和半双工单线通信、LIN（局域互联网络）、智能卡协议与IrDA（红外线数据协会）SIR ENDEC规范等等。这里只介绍USART最基本的功能，全双工串行异步通信。

一、串口通信相关概念

1.通信分类

并行通信：指使用多条数据线传输数据，数据字节的各位同时传送的通信方式。
串行通信：指使用一条数据线，数据字节的各位一位一位地依次传送的通信方式。

2.串行通信方式

（1）按照数据的传递方式

单工通信：数据只允许一个方向进行传送，即数据发送设备只能发送数据，数据接收设备只能接收数据。
半双工通信：数据允许向两个方向进行传送，但传送数据的过程与接收数据的过程不能同时进行。
全双工通信：数据允许向两个方向进行传送，并且发送数据的过程与接收数据的过程可以同时进行。

（2）按照串行数据的时钟控制方式

串行异步通信：一次通信传送一个字符帧。在发送字符时，发送的字符之间的时间间隔可以是任意的，接收端时刻做好接收的准备。
串行同步通信：要求发送频率和接收频率要同步。由一个统一的时钟控制发送端的发送。

3.串行异步通信的数据传输形式和传输速率

（1）数据传输形式是按照一定格式打包成帧，以帧为单位在物理链路上进行传输的。USART的数据格式由起始位、数据位、校验位、停止位和空闲位等构成。其中，起始位（1位-低电平）、数据位（8位/9位）、校验位（若有则以数据位最后一位作为校验位）和停止位（1位-高电平），构成了一个数据帧。见下图。

（2）数据传输速率，可以用波特率（比特率）来表示。

波特率：数据的传送速率，在串行异步通信中，每秒钟传送的二进制的位数，单位是比特/秒（bit/s），或波特（baud）。常用的波特率：2400、4800、7200、9600、19200、38400、···、115200等。

二、USART功能说明

USART双向通信均需要至少两个引脚：接收数据输入引脚(RX)和发送数据引脚输出(TX)。

USART内部结构有数据寄存器（USART_DR），该寄存器包含了发送数据寄存器（TDR--Transmitter Data Register）和接收数据寄存器（RDR-Receiver Data Rsgister）；发送/接收移位寄存器；波特率寄存器（USART_BRR）；时钟控制、发送控制、接收控制、中断控制等。USART结构见下图。

发送数据时，在USART_DR寄存器中写入要发送的数据，该操作将清零TXE位（状态寄存器USART_SR中的第7位），当TDR寄存器中的数据传输到发送移位寄存器时，TXE置1，并且发送移位寄存器中的数据在TX引脚输出。当数据发送完成，TC位（状态寄存器USART_SR中的第6位，0-发送未完成，1-发送完成）置1。向USART_DR写入最后一个数据时，必须等待至TC=1。TXE置1和TC置1都可通过设置对应的中断位产生中断。

接收数据时，数据通过RX引脚至接收移位寄存器，当接收移位寄存器中的数据传送到USART_DR时，RXNE位置1，表示已接收到并可读取数据。RXEN是状态寄存器USART_SR中的第5位，0-未接收到数据，1-已准备好读取接收到的数据。

三、USART常用库函数

1.串口初始化库函数

void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef*USART_InitStruct)

参数1：USARTx，x=1~8

参数2：结构体指针，见下。

typedef struct

{

uint32_t USART_BaudRate; //波特率

uint16_t USART_WordLength; //字长

uint16_t USART_StopBits;//停止位

uint16_t USART_Parity; //奇偶校验

uint16_t USART_Mode;//发送/接收使能

int16_t USART_HardwareFlowControl;//硬件流控制

}USART_InitTypeDef;

（1）USART_BaudRate：波特率，可以设置为常用的波特率

（2）USART_WordLength：字长

USART_WordLength_8b：8位数据

USART_WordLength_9b：9位数据

（3）USART_StopBits：停止位

USART_StopBits_1：在帧结尾传输1个停止位

USART_StopBits_0.5：在帧结尾传输0.5个停止位

USART_StopBits_1.5：在帧结尾传输1.5个停止位

USART_StopBits_2：在帧结尾传输2个停止位

(4)USART_Parity：奇偶校验

USART_Parity_No：无奇偶

USART_Parity_Even：偶模式

USART_Parity_Odd：奇模式

5）USART_HardwareFlowControl：硬件流控制

USART_HardwareFlowControl_None：硬件流控制失能

USART_HardwareFlowControl_RTS：发送请求RTS使能

USART_HardwareFlowControl_CTS：清除发送CTS使能

USART_HardwareFlowControl_RTS_CTS：RTS和CTS使能

6）USART_Mode：发送、接收使能

USART_Mode_Tx：发送使能

USART_Mode_Rx：接收使能

使用方法：

USART_InitTypeDefUSART_InitStructure;//定义结构体

USART_InitStructure. USART_BaudRate = 9600;//设置波特率

USART_InitStructure. USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//选择字长

USART_InitStructure. USART_StopBits = USART_StopBits_1;//选择停止位

USART_InitStructure. USART_Parity = USART_Parity_Odd;//选择奇偶

USART_InitStructure. USART_HardwareFlowControl =

USART_HardwareFlowControl_None;//无硬件流

USART_InitStructure. USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx; //发送、接收使能

USART_Init(USART1，＆USART_InitStructure)；//完成初始化

2、函数原型

void USART_Cmd(USART_TypedDef *USARTx,FunctionalState NewState)

函数功能：使能或禁止指定USART。

使用方法：USART_Cmd(USART1,ENABLE);//使能串口

3、函数原型

void USART_SendData(USART_TypeDef * USARTx, u8 Data)

函数功能：通过USART发送单个字节数据

使用方法：USART_SendData(USART1,0x23);

4、函数原型

u8 USART_ReceiveData(USART_TypeDef * USARTx)

函数功能：返回指定USART最近接收到的单个字节数据。

使用方法：

u8 RxData;

RxData = USART_RexeiveData(USART1);

5、函数原型

void USART_ITConfig(USART_TypeDef * USARTx, u16 USART_IT, FunctionalState NewState)

函数功能：使能或禁止指定的USART中断。

USART_IT取值：

USART_IT_PE //奇偶错误中断

USART_IT_TXE //发送中断

USART_IT_TC //传输完成中断

USART_IT_RXEN //接收中断

例：USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//串口1接收中断使能

6、函数原型

void USART_ClearITPendingBit(USART_TypeDef* USARTx, USART_IT_RXNE)

函数功能：清除指定的中断标志位（USART_IT取值同上）

例：USART_ClearITPendingBit(USART1, uint16_t USART_IT) //清除接收中断标志位

7、函数原型

FlagStatus USART_GetFlagStatue(USART_TypeDef * USARTx, u16 USART_FLAG)

函数功能：查询指定USART的标志位状态。

USART_FLAG取值：

USART_FLAG_TXE //发送数据寄存器空标志位

USART_FLAG_TC //发送完成标志位

USART_FLAG_RXEN //接收数据寄存器非空标志位

例：FlagStatus Status;Status = USART_GetFlagStatue(USART1,USART_FLAG_TXE);//获取发送寄存器的状态

8、函数原型

void USART_ClearFlag(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG)函数功能：清除状态标志位（USART_FLAG取值同上）

四、USART使用流程

USART最基本的功能就是发送和接收数据。该功能的实现需要串口工作方式配置、串口发送和串口接收三部分程序。

/*1-串口配置*/void Usart_Init(){/*1-定义结构体 GPIO、USART*/USART_InitTypeDef USART_InitStruct;GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
 /*2-使能时钟 GPIO、USART时钟*/RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
/*3-配置GPIO引脚*/GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10;// PA9作为USART1_TX，PA10作为USART1_RXGPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;  // 复用功能GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; // 推挽输出GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;   // 上拉GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);	  
 /*4-引脚复用映射*/ GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_USART1);GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_USART1);
/*5-配置串口*/USART_InitStruct.USART_BaudRate = 115200; //波特率USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//8位字长USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//停止位1位USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;//无奇偶校验USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;//使能发送和接收模式USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//无硬件流USART_Init(USART1, &USART_InitStruct);//初始化
/*6-使能串口*/USART_Cmd(USART1, ENABLE);}

//发送与接收数据程序 ，包括printf重定向输出到串口 /*1-单个字符发送-查询方式*/ void USART_SendChar(uint8_t ch){    // 等待发送寄存器空    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);       // 发送数据    USART_SendData(USART1, ch);}
/*2-字符串发送-查询方式*/void USART_SendString(char *str){    while(*str)    {        USART_SendChar(*str++);    }}
/*3-重定向c库函数printf到串口包含#include<stdio.h> 在Keil中，还需勾选“Use MicroLIB”以使用此微库优化*/int fputc(int ch, FILE *f) {    USART_SendData(USART1, (uint8_t)ch); // 发送字符    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); // 等待发送完成    return ch;}
/*4-接收单个字符-查询方式*/uint8_t USART_ReceiveChar(){    // 等待接收到数据    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET);       return USART_ReceiveData(USART1);}

//主函数测试 int main(void) {       u8 temp = 10;    Usart_Init();    while (1)    {printf("Send a character:");        USART_SendChar('A');        delay_ms(1000);        USART_SendString("Easy Single Chip");        delay_ms(1000);        printf("Send a character %d :",temp);        delay_ms(1000);   }}

/*中断方式-中断配置函数*/void USART_IT_Config(){    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;    // 使能接收中断    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);    // 配置NVIC    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn; //中断通道    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; //抢占优先级    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;//子优先级    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;//中断使能    NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);//初始化}// 中断服务函数void USART1_IRQHandler(void){    uint8_t received_data;    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)    {        // 读取接收到的数据        received_data = USART_ReceiveData(USART1);        // 处理数据（回传数据）        USART_SendData(USART1, received_data);        // 清除中断标志        USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);    }}

效果如下，测试开发板上集成了USB转串口芯片CH340，如果没有需要借助USB转串口模块。

【声明】内容源于网络

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