單片機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與調(diào)試-基于STM32F1xx機(jī)型和HAL庫(kù)函數(shù) 課件 任務(wù)9.3 STM32單片機(jī)UART與計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試

單片機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作

（stm32機(jī)型）石梅香項(xiàng)目9、利用UART實(shí)現(xiàn)LED燈控制任務(wù)9.3STM32UART與PC機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試總目錄1項(xiàng)目1、利用GPIO和位帶操作實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警

2項(xiàng)目2、利用SysTick實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警與控制

3項(xiàng)目3、利用按鍵查詢實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定及顯示

4項(xiàng)目4、利用外部中斷實(shí)現(xiàn)工件計(jì)數(shù)顯示

5項(xiàng)目5、利用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速6項(xiàng)目6、利用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)工件計(jì)數(shù)顯示和打包控制

7項(xiàng)目7、利用DAC實(shí)現(xiàn)LED亮度控制8項(xiàng)目8、利用ADC實(shí)現(xiàn)土壤濕度采集

項(xiàng)目總目標(biāo)項(xiàng)目總目標(biāo)通過(guò)UART與UART通信、UART與PC機(jī)通信等工作任務(wù)，掌握UART通信電路與程序設(shè)計(jì)方法。具體包括：1、了解單片機(jī)串行通信基本概念，能夠說(shuō)出串行通信特點(diǎn)與分類(lèi)；2、理解STM32F10x的UART結(jié)構(gòu)組成與工作特性，能夠?qū)φ战Y(jié)構(gòu)框圖說(shuō)出其基本工作過(guò)程；3、掌握基于STM32F10xUART的電路設(shè)計(jì)方法，能進(jìn)行基本獨(dú)立設(shè)計(jì)與調(diào)試；4、掌握基于HAL庫(kù)函數(shù)的STM32F10xUART編程方法，能獨(dú)立編程實(shí)現(xiàn)；5、會(huì)查找相關(guān)資料、閱讀相關(guān)文獻(xiàn)。子目錄9項(xiàng)目9、利用UART實(shí)現(xiàn)LED燈控制9.1任務(wù)9.1 認(rèn)識(shí)STM32單片機(jī)的USART9.2任務(wù)9.2 兩臺(tái)STM32UART通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試9.3任務(wù)9.3 STM32UART與PC機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試任務(wù)9.3STM32UART與PC機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試一、任務(wù)要求（一）總目標(biāo)1、能完成STM32UART與PC機(jī)USB口通信電路的設(shè)計(jì)；2、能完成STM32UART與PC機(jī)COM口通信電路的設(shè)計(jì)；3、能利用HAL_UART_Transmit（）和HAL_UART_Receive（）函數(shù)編程實(shí)現(xiàn)STM32與PC機(jī)通信；4、能利用HAL_UART_Transmit_IT（）和HAL_UART_Receive_IT（）函數(shù)編程實(shí)現(xiàn)STM32與PC機(jī)通信；5、能利用getchar（）和printf（）函數(shù)編程實(shí)現(xiàn)STM32與PC機(jī)通信；6、能夠查找相關(guān)資料，看懂?dāng)?shù)據(jù)手冊(cè)。（二）具體任務(wù)描述PC機(jī)輸入“1”： STM32點(diǎn)亮LED0，并向PC機(jī)發(fā)送“LED0已點(diǎn)亮”；PC機(jī)輸入“2”： STM32熄滅LED0，并向PC機(jī)發(fā)送“LED0已熄滅”；PC機(jī)輸入“3”： STM32點(diǎn)亮LED0~LED7，并向PC機(jī)發(fā)送“LED0~LED7已點(diǎn)亮”；PC機(jī)輸入“4”： STM32熄滅LED0~LED7，并向PC機(jī)發(fā)送“LED0~LED7已熄滅”分組討論實(shí)現(xiàn)STM32USART與PC機(jī)通信需要哪些設(shè)備，如何設(shè)計(jì)電路，并予以記錄。在討論基礎(chǔ)上，閱讀以下資料，按照指導(dǎo)步驟和相關(guān)信息完成系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和器件選型討論與發(fā)言UART與PC機(jī)USB口連接電路設(shè)計(jì)1、認(rèn)識(shí)USB接口方案設(shè)計(jì)

STM32

UART與PC機(jī)的USB口連接方案電路設(shè)計(jì)左側(cè)為PC機(jī)的USB接口，右側(cè)為STM32及LED電路，中間部分為USB/UART轉(zhuǎn)換電路。電路測(cè)試（1）在開(kāi)發(fā)板上找到USB串口模塊和USB串口下載接口，如圖9.3.5。（2）斷電，電源指示燈熄滅。（3）用萬(wàn)用表測(cè)量STM32的PA9（Tx），應(yīng)與CH340的3腳（RXD）相連。PA10（Rx）應(yīng)與CH340的2腳（TXD）通過(guò)DV3相連。（4）用萬(wàn)用表測(cè)量CH340的5腳（D+）和6腳（D-），應(yīng)分別與板上的USB串口下載接口的2號(hào)和3號(hào)引腳相連。（5）用USB線連接USB串口下載接口到電腦上。（6）按下電源開(kāi)關(guān)，電源指示燈點(diǎn)亮。（7）測(cè)量CH340的VCC（16腳）電壓應(yīng)約為5V。UART與PC機(jī)COM口連接電路設(shè)計(jì)（1）認(rèn)識(shí)COM口工控機(jī)、智能儀表、觸摸屏、I/O板卡、I/O模塊以及早期的PC機(jī)上常配有COM口即串口連接器，彼此間可通過(guò)COM口及連接電纜接在一起，如圖9.3.6所示。COM口又分為RS-232、RS-422、RS-485等。這里我們學(xué)習(xí)RS-232。（2）RS-232通信接口的型式RS-232通信接口連接器有25針和9針兩種，目前主要使用9針，也稱(chēng)DB9，如圖9.3.7所示。分公頭（male）和母頭（female）兩種，其尺寸、插針的排列位置有明確規(guī)定。UART與PC機(jī)COM口連接電路設(shè)計(jì)（3）RS-232接口定義表9.3.2

RS-232接口定義針號(hào)名稱(chēng)功能方向針號(hào)名稱(chēng)功能方向1DCD數(shù)據(jù)載波檢出輸入6DSR數(shù)據(jù)裝置就緒輸入2RXD接收數(shù)據(jù)輸入7RTS請(qǐng)求發(fā)送輸出3TXD發(fā)送數(shù)據(jù)輸出8CTS允許發(fā)送輸入4DTR數(shù)據(jù)終端就緒輸出9RI振鈴指示輸入5GND信號(hào)地-

（4）RS-232信號(hào)電平之前學(xué)習(xí)的UART，采用TTL或CMOS電平，5V表示邏輯“1”，0V表示邏輯“0”。RS-232則不同，RS-232使用－15V表示邏輯“1”，+15V表示邏輯“0”，如表9.3.3所示。通信標(biāo)準(zhǔn)邏輯值標(biāo)準(zhǔn)電平電壓范圍5VTTL“1”5V2.4V～5V“0”0V0~0.5VRS-232“1”－15V－15V～－3V“0”+15V+3V～+15V表9.3.3

TTL電平和RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)UART與PC機(jī)COM口連接電路設(shè)計(jì)（4）RS-232數(shù)據(jù)傳送規(guī)則RS-232接口的數(shù)據(jù)傳送規(guī)則與UART相同，如圖9.3.8所示，二者只是電平標(biāo)準(zhǔn)有差異。方案設(shè)計(jì)STM32UART與PC機(jī)的COM（RS-232）口連接方案RS-232/UART轉(zhuǎn)換芯片SP3232表9.3.4

SP3232引腳定義引腳名稱(chēng)功能引腳名稱(chēng)功能11T1IN第1路T（Transmit，發(fā)送）輸入，TTL14TIOUT第1路T（Transmit，發(fā)送）輸出，RS-23213R1IN第1路R（Receive，接收）輸入，RS-23212R1OUT第1路R（Receive，接收）輸出，TTL10T2IN第2路T（Transmit，發(fā)送）輸入，TTL7T2OUT第2路T（Transmit，發(fā)送）輸出，RS-2328R2IN第2路R（Receive，接收）輸入，RS-2329R2OUT第2路R（Receive，接收）輸出，TTL2V+電荷泵生成的+5.5V6V-電荷泵生成的-5.5V1C1+倍增電荷泵電容正極3C1-倍增電荷泵電容負(fù)極4C2+反相電荷泵電容正極5C2-反相電荷泵電容負(fù)極16VCC供電電源正極15GND供電電源負(fù)極電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)（STM32UART3與PC機(jī)COM口連接）電路測(cè)試（1）如圖9.3.12，在開(kāi)發(fā)板上找到COM3模塊和芯片SP3232。（2）用短路插將P232上的PB10和TX、PB11和RX連接在一起（朝向COM3F位置）。（3）給開(kāi)發(fā)板上電，測(cè)量SP3232的VCC（16腳）電壓應(yīng)與板上3.3V供電電壓相同。經(jīng)過(guò)電荷泵的增壓作用，V+（2腳）和V-（6腳）應(yīng)分別得到+5.5V和-5.5V左右的電壓。（4）將PB10接至電源引腳3.3，給PB10送TTL的“1”，應(yīng)該在母頭的TIOUT（2腳）得到RS-232電平的“1”，電壓約為-5.5V。（5）將PB10接至電源引腳GND，給它送TTL的“0”，應(yīng)該在母頭的TIOUT（2腳）得到RS-232電平的“0”，電壓約為+5.5V。（6）將母頭3號(hào)引腳即RS-232的RX接至電源引腳3.3，給它送RS-232電平的“0”，應(yīng)該在PB11引腳得到TTL電平“0”，電壓約為0V。（7）將母頭3號(hào)引腳即RS-232的RX接至電源引腳GND，給它送RS-232電平的“1”，應(yīng)該在PB11引腳得到TTL的“1”，電壓約3.3V。程序設(shè)計(jì)與調(diào)試1、程序文件布局與框架搭建（1）復(fù)制文件夾：09-01-兩臺(tái)STM32-UART-receive。（2）修改副本文件夾名為：09-02-PC-UART-LED-transmit和receive。

（3）打開(kāi)文件夾，修改工程名為：PC-UART-LED，雙擊打開(kāi)工程。程序設(shè)計(jì)與調(diào)試2、程序流程圖程序設(shè)計(jì)與調(diào)試3、程序主程序（1）第8～16行：定義了9個(gè)字符串?dāng)?shù)組，用于存儲(chǔ)STM32準(zhǔn)備發(fā)給PC機(jī)的信息。（2）第25～29行：用庫(kù)函數(shù)HAL_UART_Transmit（）向PC機(jī)發(fā)送信息。待發(fā)送字符分別在數(shù)組TX_str1～TX_str5里。由于數(shù)組名即代表數(shù)組所在存儲(chǔ)區(qū)首地址，因此第2個(gè)參數(shù)TX_str1～TX_str5前可以不加地址操作符“&”（加了也不會(huì)錯(cuò)）。（3）第33行：用庫(kù)函數(shù)HAL_UART_Receive（）接收PC機(jī)送入的命令。（4）第34～54行，根據(jù)輸入命令控制LED，并向PC機(jī)回送信息。程序設(shè)計(jì)與調(diào)試5、STM32UART程序設(shè)計(jì)不變。注意必須將UART設(shè)置為收發(fā)模式。6、STM32LED程序設(shè)計(jì)不變。程序設(shè)計(jì)與調(diào)試7、調(diào)試程序（1）用ARM仿真器將開(kāi)發(fā)板和計(jì)算機(jī)連到一起，以便進(jìn)行程序下載與調(diào)試，（2）對(duì)以上程序進(jìn)行編譯生成無(wú)誤后，將程序下載到開(kāi)發(fā)板。（3）將開(kāi)發(fā)板的“USB串口下載”接口和計(jì)算機(jī)連接在一起，以便使USART1能夠與PC機(jī)進(jìn)行通信。（4）打開(kāi)計(jì)算機(jī)上的串口調(diào)試助手，找到串口，設(shè)置好參數(shù)，打開(kāi)串口，如圖9.3.15。（5）串口調(diào)試助手中應(yīng)有命令提示信息顯示。（6）如果顯示字符不正確，可設(shè)置字符編碼為：GB2312_GBK，即可支持中文。（7）輸入命令例如“1”。（8）串口調(diào)試助手會(huì)報(bào)告“LED1已點(diǎn)亮”，觀察開(kāi)發(fā)板上LED1應(yīng)點(diǎn)亮。（9）輸入其它命令，串口調(diào)試助手顯示內(nèi)容以及開(kāi)發(fā)板上LED狀態(tài)，應(yīng)與命令一致。程序設(shè)計(jì)與調(diào)試如何進(jìn)行多字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送/接收進(jìn)一步認(rèn)識(shí)UART查詢庫(kù)函數(shù)（1）查詢方式查詢方式是在數(shù)據(jù)發(fā)送/接收過(guò)程中，查詢表9.1.4中的狀態(tài)位。根據(jù)這些狀態(tài)位的值決定下一步的操作。在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，可查詢TXE位或TC位。（2）庫(kù)函數(shù)HAL_UART_Transmit（）和HAL_UART_Receive（）的工作過(guò)程進(jìn)一步認(rèn)識(shí)UART查詢庫(kù)函數(shù)中斷方式中斷方式是在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送或接收時(shí)，允許表9.1.4所示的某個(gè)或某幾個(gè)中斷請(qǐng)求，例如允許RXNE中斷。只要RXNE=1，無(wú)需查詢，CPU會(huì)停止當(dāng)前操作，自動(dòng)進(jìn)入U(xiǎn)ART中斷程序，在UART中斷服務(wù)程序中將RDR內(nèi)的數(shù)據(jù)取走存到接收緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)單元，之后返回。在RXNE=0期間，CPU無(wú)需等待，可進(jìn)行自己的事務(wù)處理。采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收使用的庫(kù)函數(shù)是HAL_UART_Transmit_IT（）和HAL_UART_Receive_IT（）。我們先看一下如何利用它們實(shí)現(xiàn)本任務(wù)。最后再對(duì)這種方式加以總結(jié)。用庫(kù)函數(shù)編程實(shí)現(xiàn)利用HAL_UART_Transmit_IT（）和HAL_UART_Receive_IT（）編程實(shí)現(xiàn)1、程序文件布局和框架搭建（1）復(fù)制文件夾：09-02-PC-UART-LED-transmit和receive。（2）修改副本文件夾名為：09-03-PC-UART-LED-transmit_IT和receive_IT，其他不變。（3）打開(kāi)工程。2、PC機(jī)程序設(shè)計(jì)不編程。程序設(shè)計(jì)與調(diào)試stm32主程序（1）將所有的HAL_UART_Transmit（）替換為HAL_UART_Transmit_IT（），即將原來(lái)的查詢方式發(fā)送改為中斷方式發(fā)送。（2）將所有的HAL_UART_Receive（）替換為HAL_UART_Receive_IT（），即將原來(lái)的查詢方式接收改為中斷方式接收。注意HAL_UART_Transmit_IT（）和HAL_UART_Receive_IT（）的參數(shù)只有3個(gè)，沒(méi)有超時(shí)時(shí)間。前三個(gè)參數(shù)分別指出用哪個(gè)UART，待發(fā)送/接收數(shù)據(jù)在哪里，長(zhǎng)度是多少。HAL_UART_Transmit_IT（）和HAL_UART_Receive（）函數(shù)的功能解釋如表9.3.5和9.3.6。每次發(fā)送后插入了100ms的延時(shí)，確保前一次發(fā)送結(jié)束再開(kāi)始新的發(fā)送。（3）第7行：將變量RX_char定義為1個(gè)數(shù)組變量，長(zhǎng)度=1。定義為數(shù)組變量的好處是可存儲(chǔ)多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，方便將來(lái)進(jìn)行程序功能的擴(kuò)展。當(dāng)然本程序只需1個(gè)字節(jié)，因此也可以不修改，仍像以前一樣將其定義為1個(gè)char型變量。（4）第33行：由于RX_char被定義為數(shù)組變量，數(shù)組的名字即代表了其首地址，因此庫(kù)函數(shù)HAL_UART_Receive_IT（）的第二個(gè)參數(shù)RX_char前面的地址操作符“&”可以不寫(xiě)（5）第35行：對(duì)應(yīng)第7行的變化，應(yīng)修改為switch（RX_char[0]），對(duì)數(shù)組內(nèi)的第0個(gè)元素的值進(jìn)行判斷。如果寫(xiě)成switch（RX_char），是對(duì)數(shù)組RX_char的地址進(jìn)行判斷，這顯然不對(duì)。程序設(shè)計(jì)與調(diào)試uart程序UART中斷庫(kù)函數(shù)解讀表9.3.5

UART發(fā)送中斷開(kāi)啟庫(kù)函數(shù)中斷發(fā)送函數(shù)：

HAL_UART_Transmit_IT（&UART操作變量，&數(shù)據(jù)首地址，數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)）函數(shù)原型：HAL_StatusTypeDef

HAL_UART_Transmit_IT（UART_HandleTypeDef

*huart，，uint8_t

*pData，

uint16_t

Size）功能：按照huart的設(shè)置，開(kāi)啟UART的TXE中斷。指出發(fā)送數(shù)據(jù)的首地址pData，指出數(shù)據(jù)串長(zhǎng)度Size。入口參數(shù)1：huart，是UART操作變量，數(shù)據(jù)類(lèi)型為UART_HandleTypeDef，結(jié)構(gòu)體變量。指出用哪個(gè)USART/UART發(fā)送。入口參數(shù)2：pData，發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首地址，指針變量。入口參數(shù)3：size，發(fā)送緩沖區(qū)長(zhǎng)度。返回值：HAL_StatusTypeDef，有四個(gè)取值：HAL_OK=0x00；

HAL_ERROR=0x01；

HAL_BUSY=0x02；

HAL_TIMEOUT=0x03表9.3.6

UART接收中斷開(kāi)啟庫(kù)函數(shù)中斷接收函數(shù)：

HAL_UART_Receive_IT（&UART操作變量，&數(shù)據(jù)首地址，數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)）函數(shù)原型：HAL_StatusTypeDef

HAL_UART_Receive_IT（UART_HandleTypeDef

*huart，，uint8_t

*pData，

uint16_t

Size）功能：按照huart的設(shè)置，開(kāi)啟UART的RXNE中斷。指出接收數(shù)據(jù)的首地址pData，指出數(shù)據(jù)串長(zhǎng)度Size。入口參數(shù)1：huart，是UART操作變量，數(shù)據(jù)類(lèi)型為UART_HandleTypeDef，結(jié)構(gòu)體變量。指出用哪個(gè)USART/UART接收。入口參數(shù)2：pData，接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首地址，指針變量。入口參數(shù)3：size，接收緩沖區(qū)長(zhǎng)度。返回值：HAL_StatusTypeDef，有四個(gè)取值：HAL_OK=0x00；

HAL_ERROR=0x01；

HAL_BUSY=0x02；

HAL_TIMEOUT=0x03UART中斷庫(kù)函數(shù)解讀表9.3.7

UART中斷處理函數(shù)中斷入口函數(shù)名void

USART1_IRQHandler（void）、void

USART2_IRQHandler（void）、void

USART3_IRQHandler（void）、void

UART4_IRQHandler（void）、

void

UART5_IRQHandler（void）UART中斷一般性處理函數(shù)：

HAL_UART_IRQHandler（&UART操作變量）函數(shù)原型：void

HAL_UART_IRQHandler（UART_HandleTypeDef

*huart）功能：判斷是哪種類(lèi)型的中斷，根據(jù)中斷類(lèi)型的不同進(jìn)行不同處理。1.

是TXE中斷且TXE中斷允許，則從數(shù)據(jù)區(qū)取1個(gè)數(shù)據(jù)送入TDR，并修改地址指針。如果最后一個(gè)數(shù)據(jù)已送入TDR，則禁止TXE中斷，允許TC中斷。2.

.是TC中斷且TC中斷允許，則隱性調(diào)用HAL_UART_TxCpltCallback（）。3.是RXNE中斷且RXNE中斷允許，則將RDR中的數(shù)據(jù)取走送數(shù)據(jù)區(qū)，并修改地址指針。如果數(shù)據(jù)全部接收完，則禁止接收中斷，并隱性調(diào)用HAL_UART_RxCpltCallback（）.3.是錯(cuò)誤中斷，則判斷是哪種錯(cuò)誤、設(shè)置相應(yīng)的錯(cuò)誤代碼，并隱性調(diào)用錯(cuò)誤處理庫(kù)函數(shù)HAL_UART_ErrorCpltCallback（）。例如是奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤，則錯(cuò)誤代碼ErrorCode=HAL_UART_ERROR_PE。入口參數(shù)：huart，是U