STM32调试串口

16.1 关于 USART/UART在嵌入式中，很多MCU和外设模块都集成有UART外设。STM32F103有3个通用同步异步收发器（Universal synchronous asynchronous receiver transmitter，USART），2个通用同步异步收发器（Universal asynchronous receiver transmitter，UART）。USART和UA

韦东山

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韦东山 · 2021-05-11 10:25:32 发布

16.1 关于 USART/UART

在嵌入式中，很多MCU和外设模块都集成有UART外设。STM32F103有3个通用同步异步收发器（Universal synchronous asynchronous receiver transmitter，USART），2个通用同步异步收发器（Universal asynchronous receiver transmitter，UART）。USART和UART的主要区别在于，USART支持同步通信，该模式有一根时钟线提供时钟。串口在嵌入式中经常使用，一般使用UART就足够了，常见的用途如下：

作为调试口，打印程序运行的状态信息；
连接串口接口的模块（比如GPS模块），传输数据；
通过电平转换芯片变为RS232/RS485电平，连接工控设备；

STM32F103系列不同USART所支持的功能如表 16.1.1 所示。
在这里插入图片描述
USART内部结构的结构如图 16.1.1 所示。

可以把USART分成四部分：
①：USART引脚

TX：数据发送；
RX：数据接收；
SW_RX：在单线和智能卡模式下接收数据，属于内部引脚，没有具体外部引脚；
RTS：在硬件流控制时，用于指示本设备准备好可接收数据，低电平说明本设备可以接收数据；
CTS：在硬件流控制时，用于指示本设备准备好可发送数据，低电平说明本设备可以发送数据；
CK：在同步模式时，用于输出时钟；

②：波特率发生器
通过设置USART_BRR寄存器的值，实现串口通信数据传输速率的设置。由《参考手册》可知计算公式为：
在这里插入图片描述

其中“1”为波特率，“2”为该外设USART的时钟频率，3”为USART_BRR寄存器的值。

假设所需波特率为115200，当前USART时钟为72MHz，则USARTDIV=72000000/(115200*16)=39.0625。USART_BRR寄存器使用高12位[15:4]存放整数部分，低4位[3:0]存放小数部分，小数部分每一位对应1/2⁴=0.0625。因此，整数39对应16进制为0x27，左移4位为0x270，小数0.0625，对应0x1，USART_BRR=0x271即可。

在利用寄存器配置USART的波特率的时候需要依据此公式计算USART_BRR的值，而在HAL库中无需计算，只需传入所需波特率，自动写USART_BRR寄存器值，但是我们仍然要学习这个波特率的计算公式，也许的开发调试过程中会使用到。

前面计算波特率需要知道外设时钟“2”的值，由前面图 6.1.2 可知，USART1挂载APB1上，USART2/3和USART4/5挂载APB2上。由前面图 9.1.1 可知，APB1时钟最大为36MHz，APB2时钟最大为72MHz。因此，只有USART1的波特率计算中的“2”能取最大系统时钟72MHz，而其它的USART/UART只能取36MHz.

③：发送器/接收器控制单元
通过向控制寄存器CR1、CR2、CR3和状态寄存器SR写入相应的位，可实现对USART数据的发送和接收控制。其中CR1主要用于配置USART的数据位、校验位和中断使能，CR2用于配置USART的停止位和SCLK时钟控制，CR3用于CTS硬件流控制、DMA多缓冲控制等。通过读取状态寄存器SR的值，可查询USART的状态。

④：数据收发寄存器单元
该部分主要由发送数据寄存器（TDR）、发送移位寄存器、接收数据寄存器（RDR）、接收移位寄存器组成。发送移位寄存和接收移位寄存器，分别负责将发送数据并串转换和接收数据串并转换，从而实现数据在传输时，是一位一位的发送和接收。

16.2 硬件设计

如图 16.2.1 为开发板USB调试串口部分的原理图，最左边J12是图 3.3.1 中，编号为“37”的Micro USB接口；U13是一个UART转USB的芯片，可自动将UART信号转换为USB信号；U14是一个施密特触发器，主要用于防干扰和电路保护。

MCU的USART1_TX（PA9）和USART1_RX（PA10），经过U14接到U13，U13收到数据后自动将UART信号转换成USB信号，在从J12引出。

最后用户还需要使用Micro USB连接线，将开发板的J12和电脑USB连接，再打开“4.3.3 下载、安装MobaXterm”介绍的MobaXterm，具体使用介绍在本章“16.4 实验效果”。
在这里插入图片描述

16.3 软件设计

16.3.1 软件设计思路

实验目的：本实验使用USART1向电脑发送打印信息。

初始化USART：设置波特率，收发选择，有效数据位等
串口引脚初始化：USART使能、GPIO端口时钟使能、GPIO引脚设置为USART复用；
重定向printf和scanf；
主函数调用USRAT初始化函数，使用printf打印输出，使用scanf获取输入；

本实验配套代码位于“5_程序源码\8_通信—调试串口\”。

16.3.2 软件设计讲解

GPIO引脚选择与串口选择

代码段 16.3.1 引脚宏定义（driver_usart.h）

/*********************
* 引脚宏定义
**********************/
#define USARTx USART1
#define USARTx_TX_PIN GPIO_PIN_9
#define USARTx_RX_PIN GPIO_PIN_10
#define USARTx_PORT GPIOA
#define USARTx_GPIO_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
#define USARTx_CLK_EN() __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE()
#define USARTx_CLK_DIS() __HAL_RCC_USART1_CLK_DISABLE()

初始化USART
USART初始化包含两部分：协议部分和硬件部分。
协议部分与硬件无关，比如USART的波特率、奇偶校验、停止位等，通过“HAL_UART_Init()”设置。硬件部分指承载的硬件载体，比如串口所使用的发送、接收引脚的复用，通过“HAL_UART_MspInit()”设置。函数名中的Msp（MCU Specific Package，MCU特定软件包），就是指MCU相关的硬件初始化。

代码段 16.3.2 USART 初始化（driver_usart.c）

/*
* 定义全局变量
*/
UART_HandleTypeDef husart;
/*
* 函数名：void UsartInit(uint32_t baudrate)
* 输入参数：baudrate-串口波特率
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：初始化 USART 的波特率，收发选择，有效数据位等
*/
void UsartInit(uint32_t baudrate)
{
husart.Instance = USARTx; // 选择 USART1
husart.Init.BaudRate = baudrate; // 配置波特率
husart.Init.WordLength = USART_WORDLENGTH_8B; // 配置数据有效位为 8bit
husart.Init.StopBits = USART_STOPBITS_1; // 配置一位停止位
husart.Init.Parity = USART_PARITY_NONE; // 不设校验位
husart.Init.Mode = USART_MODE_TX_RX; // 可收可发
husart.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
// 使用库函数初始化 USART1 的参数
if (HAL_UART_Init(&husart) != HAL_OK)
{
Error_Handler(); } }

4行：定义一个“UART_HandleTypeDef”结构体（官方也称句柄）变量husart，用于保存串口参数设置；
15~21行：设置串口参数，也就是husart：

Instance：USART寄存器及地址，即哪一个USART；
Init.BaudRate：“UART_HandleTypeDef”结构体里“UART_InitTypeDef”结构体成员，该属性为波特率；
Init.WordLength：每次发送的字节长度，通常设置为8bit；
Init.StopBits：每次发送后停止位长度，通常设置为1bit；
Init.Parity：奇偶校验，通常设置为不校验；
Init.Mode：收发模式，通常设置为可收可发；
Init.HwFlowCtl：流控设置，没有用到（CTS/RTS）,通常设置为None;

24行：调用“HAL_UART_Init()”，传入设置的husart，初始化串口；

“HAL_UART_Init()”会调用“HAL_UART_MspInit()”，从而实现对涉及的硬件初始化，用户需要覆写（HAL库提供函数名，函数内容需要自己编写）该函数，完成使能串口时钟、初始化TX/RX的引脚、设置USART1的中断优先级且使能中断等。

代码段 16.3.3 USART MSP 初始化（driver_usart.c）

/*
* 函数名：void HAL_USART_MspInit(USART_HandleTypeDef* husart)
* 输入参数：husart-USART 句柄
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：使能 USART1 的时钟，使能引脚时钟，并配置引脚的复用功能
*/
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef* husart)
{
// 定义 GPIO 结构体对象
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
if(husart->Instance==USARTx) {
// 使能 USART1 的时钟
USARTx_CLK_EN();
// 使能 USART1 的输入输出引脚的时钟
USARTx_GPIO_CLK_EN();
/**USART1 GPIO Configuration
PA9 ------> USART1_TX
PA10 ------> USART1_RX
*/
GPIO_InitStruct.Pin = USARTx_TX_PIN; // 选择 USART1 的 TX 引脚
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // 配置为复用推挽功能
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; // 引脚翻转速率快
HAL_GPIO_Init(USARTx_PORT, &GPIO_InitStruct); // 初始化 TX 引脚
GPIO_InitStruct.Pin = USARTx_RX_PIN; // 选择 RX 引脚
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT; // 配置为输入
HAL_GPIO_Init(USARTx_PORT, &GPIO_InitStruct); // 初始化 RX 引脚
} }

11行：定义一个“GPIO_InitTypeDef”结构体变量GPIO_InitStruct，用于保存GPIO参数设置；
12行：当系统中用到多个串口时，都会调用“HAL_USART_MspInit”进行硬件初始化，因此需要判断是否为USARTx（宏定义对应USART1）；
15行：使能USART1时钟；
18行：使能USART1_TX（PA9）和USART1_RX（PA10）所在组时钟；
23~26行：设置USART的发送引脚：

Pin：指定引脚号；
Mode：配置为复用推挽功能；
Pull：默认上拉即可；
Speed：作为通信信号引脚，设置为High；

27行：使用“HAL_GPIO_Init()”初始化该引脚；
29~31行：设置USART的接收引脚；

重定向打印函数
以上初始化完成后，就可以使用HAL库提供的“HAL_UART_Transmit()”从串口发送数据，使用“HAL_UART_Receive()”接收数据，但这样使用不方便，需要自己处理数据类型。在学习C语言时，通常使用printf将数据格式化打印，比较方便。因此，这里需要重定向打印函数，在使用printf时调用“HAL_UART_Transmit()”打印。

代码段 16.3.4 重定向打印函数（driver_usart.c）

/*****************************************************
*function: 写字符文件函数
*param1: 输出的字符
*param2: 文件指针
*return: 输出字符的 ASCII 码
******************************************************/
int fputc(int ch, FILE *f)
{
HAL_UART_Transmit(&husart, (uint8_t*)&ch, 1, 10);
return ch;
}
/*****************************************************
*function: 读字符文件函数
*param1: 文件指针
*return: 读取字符的 ASCII 码
******************************************************/
int fgetc(FILE *f)
{
uint8_t ch = 0;
HAL_UART_Receive(&husart, (uint8_t*)&ch, 1, 10);
return (int)ch;
}

printf和scanf会分别调用“fputc()”和“fgetc()”，因此这里覆写这两个函数，使用HAL提供的函数实现收发数据。

同时，还需要需要点击“工程设置”，打开工程选项界面，切换到“Target”标签，勾选上“Use MicroLIB”，如图 16.3.1 所示。

在这里插入图片描述
也可以添加如下代码，就不用勾选“Use MicroLIB”，两个方法二选其一即可。
代码段 16.3.5 可选添加内容（driver_usart.c）

/*
* 添加如下代码，可不在工程设置中勾选 Use MicroLIB
*/
#pragma import(__use_no_semihosting)
struct __FILE
{
int a;
};
FILE __stdout;
FILE __stdin;
void _sys_exit(int x)
{}

主函数测试

// 初始化 USART1，设置波特率为 115200 bps
UsartInit(115200);
// 在 windows 下字符串\n\r 表示回车
// 如果工程在编译下面这句中文的时候报错，请在魔术棒“Option for target”->"C/C++"->"Misc Controls"添加“--locale=english”
printf("百问科技 www.100ask.net\n\r");
printf("UART 实验\n\r");
printf("test char = %c,%c\n\r", 'H', 'c');
printf("test string1 = %s\n\r", "www.100ask.net");
printf("test string2 = %s\n\r", "深圳百问网科技有限公司");
printf("test decimal1 number = %d\n\r", 123456);
printf("test decimal2 number = %d\n\r", -123456);
printf("test hex1 number = 0x%x\n\r", 0x123456);
printf("test hex2 number = 0x%08x\n\r", 0x123456);
printf("test float = %.5f\n\r", 3.1415);
printf("test double = %.10lf\n\r", 3.141592653);
printf("\r\n 键盘输入‘C’或者‘c’控制串口打印‘Hello world’");
while(1) {
scanf("%c", &cmd);
if(cmd=='C' || cmd=='c') {
cmd = 0;
printf("\r\nHello World."); }
HAL_Delay(100); }

主函数直接使用“printf()”便可调用USART1打印，使用“scanf()”便可调用USART1接收数据。

2行：初始化USART1，设置波特率为常用的115200；
6~7行：中文打印测试；如果编译报错，需要点击“工程设置”，打开工程选项界面，切换到“C/C++”标签，在“Misc Controls”里加上“"–locale=english"”，如图 16.3.2 所示。
8行：字符打印测试；
9~10行：字符串打印测试；
11~12行：正负整打印疑测试；
13~14行：十六进制打印测试；
15~16行：浮点数打印测试；
21~29行：通过“scanf()”函数获取输入，如果输入的指定内容，则打印指定内容；

16.4 实验效果

本实验对应配套资料的“5_程序源码\8_通信—调试串口\”。首先如图 16.4.1 所示将开发板调试串口与电脑USB口连接。打开MobaXterm，设置串口会话，如图 16.4.2 所示。

点击做上角“Session”,创建会话；
在中间弹出的窗口，选择“Serial”，即串口；
下拉选择串口端口，我这里是COM4，读者可能编号不一样，但后面显示的芯片型号是一样的，选择“Silicon Labs CP210x USB to UART…”即可；
波特率选择115200，与主函数中串口初始化设置的波特率保持一致；
以为串口是异步通信，需要双方统一传输规则，这里和代码段 16.3.2 中的设置保持一致。数据位8位，停止位1位，无校验，无流控；
设置完后，点击“OK”；

打开代码工程，使用Keil编译，下载程序，MobaXtrem显示如图 16.4.3 所示界面，所有打印正常显示。在电脑键盘输入“C”或“c”，即可控制串口打印“Hello World”。
在这里插入图片描述