STM32 学习8 USART串口通讯与printf重定向

一、串口通信介绍

STM32 F103ZET6包含多个UART、USART串口。

1. USART介绍

USART，全称：Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，是通用同步/异步串行接收/发送器，主要特点有：

• 同步和异步通信
• 全双工通信
• 支持硬件和软件流控制机制

2. UART介绍

UART，全称：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，是通用异步收发器，在USART功能的基础上，裁剪掉了同步通信功能，其主要特点：

• 异步通信
• 全双工通信
• 无需外部时钟信号

3. STM32 F103ZET6串口资源

STM32 F103ZET6芯片，有5个USART接口，数据手册可在官网查询：
https://www.st.com/zh/microcontrollers-microprocessors/stm32f103.html

根据手册的描述：

STM32F103xC、STM32F103xD和STM32F103xE性能型系列集成了：

• 三个通用同步/异步串行收发器（USART1、USART2和USART3）
• 两个通用异步串行收发器（UART4和UART5）。

这五个接口提供了异步通信、IrDA SIR ENDEC支持、多处理器通信模式、单线半双工通信模式，并具有LIN主/从能力。USART1接口能够以高达4.5 Mbit/s的速度进行通信。其他可用的接口的通信速度为最高2.25 Mbit/s。

USART1、USART2和USART3还提供CTS和RTS信号的硬件管理、智能卡模式（符合ISO 7816标准）以及类SPI通信功能。
除了UART5外，所有接口都可以由DMA控制器服务。

开发板原理图：

4. STM32 USART作用

USART 一个常见应用是将printf 函数通过串口输出，方便程序调试。
另外， USART还支持 LIN（域互连网络）、智能卡协议与红外IrDA协议 SIR ENDEC规范、调制解调器操作（CTS/RTS）、和DMA功能。

5. STM32 USART框图

在《stm3210x参考手册.pdf》P309可以看到STM32的USART框图：

引脚说明

• TX：发送端口；
• RX：接收端口；
• nRTS、nCTS：硬件流控，不常使用，只针对异步串口通讯端口；
• SCLK：时钟，只针对异步串口通讯端口；
• IRDA_OUT、IRDA_IN：内部引脚。

6. 寄存器

这里简单列出常用的USART寄存器，详细使用方法可以参考《stm32中文参考手册.pdf》。

USART_SR（Status Register，状态寄存器）：

用于存储USART的状态信息，包括发送完成、接收缓冲区非空、校验错误等。

USART_DR（Data Register，数据寄存器）：

用于存储发送和接收的数据。写入此寄存器可以启动数据发送，读取此寄存器可以获取接收到的数据。

USART_BRR（Baud Rate Register，波特率寄存器）：

用于设置USART的波特率，通常需要根据系统时钟和所需的波特率进行配置。

USART_CR1（Control Register 1，控制寄存器1）：

用于配置USART的工作模式、数据格式、中断使能等。

USART_CR2（Control Register 2，控制寄存器2）：

用于配置USART的硬件流控、时钟极性等特性。

USART_CR3（Control Register 3，控制寄存器3）：

用于配置USART的其他特性，如DMA使能、多主机模式等。

USART_GTPR（Guard Time and Prescaler Register，守护时间和预分频器寄存器）：

用于配置USART的守护时间和时钟预分频器，通常与同步通信相关。

USART_IT（Interrupt Register，中断寄存器）：

用于配置USART的中断使能和中断标志位。

7. 中断请求

在《STM32中文参考手册》中，中断请求表：

二、开发板RS-232硬件连接

在普中-F1开发板上，提供了 RS-232 母头，其线序：

可以使用一根 RS-232转TTL转USB的连接线，连接USB接电脑，电脑上使用串口调试工具进行开发实验。

RS-232公头线序：

三、串口通信的配置步骤

配置USART的步骤如下：

1. 时钟使能：

首先需要使能USART所使用的时钟，确保其正常工作。USART挂接的系统总线：

• USART1： APB2时钟总线
• USART2~5：APB1时钟总线

代码示例：

// 使能 GPIOA 时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
// 使能 USART1 时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
1
2
3
4

2. GPIO配置：

配置相关的GPIO引脚，将其设置为USART的TX（发送）和RX（接收）功能。此外，还需要配置引脚的模式（输入/输出）、速率、上拉/下拉等参数。
代码示例：

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;
// 接收设置输入浮空模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;
1
2
3

3. USART参数配置：

配置USART的工作模式、波特率、数据位、停止位、校验位等参数。这些参数需要根据具体的通信需求进行设置。

#include "stm32f10x.h"

void USART1_UART_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    USART_InitTypeDef USART_InitStruct;

    // 使能串口1时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);

    // 串口1 GPIO初始化
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); // 使能GPIOA时钟
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; // TX引脚
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽输出模式
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // GPIO速度为50MHz
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10; // RX引脚
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入模式
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // 串口1参数配置
    USART_InitStruct.USART_BaudRate = 115200; // 波特率为115200
    USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; // 数据位长度为8位
    USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1; // 停止位为1位
    USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No; // 无校验位
    USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; // 无硬件流控制
    USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; // 支持接收和发送
    USART_Init(USART1, &USART_InitStruct);

    // 使能USART1模块
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}


1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35

4. 使能USART：

最后需要使能USART模块，开始其正常工作。这涉及到设置相应的控制寄存器来启动USART的发送和接收功能。

void USART_Cmd(USAR_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);
USART_Cmd(USART1, ENABLE);
1
2

5. 设置串口中断类型并使能

本章使用使用到串口中断，关于中断具体概念和使用会在后续章节介绍。

// 设置中断类型
void USART_ITConfig(USART_TypeDef * USARTx,uint16_t USART_IT,FunctionalState NewState);
// 串口1接收使能
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE,ENABLE);
// 发送使能
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_TC,ENABLE);
1
2
3
4
5
6

6. 设置串口中断优先级、使能串口中断通道

NVIC_Init()
1

7. 串口中断函数

ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);
if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET){
  // 接收USART1 中断的处理
}
void USART_ClearFlag(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
1
2
3
4
5

四、代码实现

下面代码实现的功能是：
通过电脑串口给开发板的USART3发送数据0-9的数据，开发板的数码管显示对应的数值，并且回复同样的内容给开发板。

1. 用 uart 库

2. usart_utils.c

#include "usart_utils.h"

#include "stm32f10x.h"
#include "led_utils.h"

// 初始化USART3
void USART3_Init(u32 bound) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    // 使能USART3和GPIOB时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART3, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    // 配置USART3的GPIO引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10; // TX引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11; // RX引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    // 配置USART3参数
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART3, &USART_InitStructure);

    // 使能USART3
    USART_Cmd(USART3, ENABLE);

    USART_ClearFlag(USART3, USART_FLAG_TC);
    USART_ITConfig(USART3, USART_IT_RXNE, ENABLE);

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART3_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    
}


// USART3中断服务函数
void USART3_IRQHandler(void) {
    if (USART_GetITStatus(USART3, USART_IT_RXNE) != RESET) {
        // 读取接收到的数据
        u8 data = USART_ReceiveData(USART3);
        if(data<=9){
            // 收到什么，就发送什么
            USART3_SendData(data);
            // led也显示对应的值
            led_lightn(data);
        }

        // 清除接收中断标志位
        USART_ClearITPendingBit(USART3, USART_IT_RXNE);
    }
}

// 发送函数
void USART3_SendData(u8 data) {
    USART_SendData(USART3, data);
    while (USART_GetFlagStatus(USART3, USART_FLAG_TC) == RESET);
}

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72

3. usart_utils.h

#ifndef __USART_UTILS_H__
#define __USART_UTILS_H__
#include "stm32f10x.h"

void USART3_Init(u32 bound);
void USART3_IRQHandler(void);
// 发送函数
void USART3_SendData(u8 data);
#endif

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

4. main函数

#include "gpio_utils.h"
#include "rcc_utils.h"
#include "stm32f10x.h"
#include "sys_tick_utils.h"
#include "led_utils.h"
#include "key_utils.h"
#include "usart_utils.h"

// 主函数
int main(void)
{
	GPIO_Configuration(); // 调用GPIO配置函数
	sys_tick_init(72);
	led_all_off();
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	USART3_Init(9600);

	while (1) // 无限循环
	{
		delay_ms(20);
	}
}

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23

五、printf重定向

1. 实现方式

通过printf的重定向 ，可以实现在打印printf内容时，通过串口将内容输出来，以方便调试。

要在 STM32 上实现 printf 的重定向，通常需要重写 fputc 函数，以便将输出重定向到你所选择的串口。下面是一个基本的示例：

#include 
#include "usart_utils.h"

// 重定向 fputc 函数，将输出重定向到 USART3
int fputc(int ch, FILE *f) {
    USART_SendData(USART3, (uint8_t)ch);
    while (USART_GetFlagStatus(USART3, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    return ch;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9

在这个示例中， fputc 函数会重定向到 USART3，并且通过调用 USART_SendData 函数发送一个字节到 USART3，然后等待发送完成。

需要注意的是，使用这个功能时，要钩选microLIB功能。 钩选microLIB会增加程序的体积，需要权衡利弊。

2. 调用

示例代码里，使用printf("HelloWorld");，就可以在串口看到输出的字符串。

本文代码开源在：
https://gitee.com/xundh/stm32_arm_learn