STM32-串口USART

本篇文章介绍STM32CubeMX+STM32配置UART外设生成MDK工程，分别使用串口调试工具、示波器和逻辑分析仪分析串口数据；设置USART1为系统调试打印的输出接口

1.准备

• USB转TTL串口模块，CH34X系列或CP210X系列或者FT232系列等任意USB转串口模块均可
• 串口监视软件，最好支持ANSI转义序列以及UTF-8编码，比如SerialPortForWindowsTerminal^[1]或者MobaXterm
• 璞石示波器 或 其他示波器，最好可以支持协议解码
• 逻辑分析仪，使用Saleae Logic 2软件，硬件自行选择
• USB转TTL串口模块与STM32接线，RX接对端TX，反之同理，接线方式如下

STM32引脚	USB转串口模块
USART1_RX即PA9	TX 或 TXD
USART1_TX即PA10	RX 或 RXD
GND	GND

2.生成MDK工程

使用STM32CubeMX生成Keil MDK工程，目标芯片选择STM32F103C8，时钟配置为72MHz，步骤基本与Windows搭建STM32开发环境(基础篇)一致

• 配置PC13为GPIO输出
• 配置串口外设USART1，选择模式为Asynchronous，则PA10和PA9默认为USART1的RX与TX

• 点击NVIC Settings选项卡，勾选USART1 global interrupt，也就是开启USART1的全局中断

3.编译烧录

在工程生成之后，默认使用Keil打开工程，设置Jlink烧录，选择SWD方式，勾选Reset and Run即下载完自动重启，在main.c文件中的/* USER CODE BEGIN 3 */后添加代码

// LED切换高低电平
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
char *hello_str = "hello world\n";
// USART1 发送字符串
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)hello_str, strlen(hello_str), HAL_MAX_DELAY);
HAL_Delay(500);

尝试编译烧录，如果下载成功PC13的LED灯会以500ms的间隔闪烁，打开串口调试助手，也能看到STM32的串口以500ms的间隔发送字符串

4.EIDE导入工程

VSCode打开EIDE插件，选择import_project，在弹出的窗口中选择MDK工程，确定切换工作区，选择烧录的芯片为STM32F103C8，尝试编译烧录

5.串口接收中断

STM32接收串口的数据方式之一是打开串口的接收中断HAL_UART_Receive_IT，也可以叫使能或者启用串口的接收中断，本质上都是Enable。以下为一个例子：在产生串口中断后，将串口的接收数据拷贝到接收缓冲区中，等待接收结束标志位的出现(即换行符)，则认为单次串口接收结束，置位接收标志位，通知主函数打印接收到的所有数据，并重新打开接收中断。

5.1 代码实现

以下代码均在main.c文件中编辑，复制以下代码到STM32CubeMX生成代码的特殊注释处,尝试编译下载

▶

接收缓冲宏

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
// 串口接收缓冲区大小
#define RX_MAX_LEN 128 
// 串口接收结束标志，即换行符
#define LINE_FEED       '\n'
/* USER CODE END PD */

▶

接收缓冲区变量

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PV */
// 串口中断接收字节
uint8_t rx_byte = 0;
// 串口接收缓冲区
uint8_t rx_buf[RX_MAX_LEN] = {0};
// 串口接收完成标志
uint8_t rx_flag = 0;
// 串口接收实际长度
uint8_t rx_cnt = 0;
/* USER CODE END PV */

▶

开启中断

/* USER CODE BEGIN 2 */
char *hello_str = "STM32 USART1 Demo\n";
// USART1 发送字符串
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)hello_str, strlen(hello_str), HAL_MAX_DELAY);
// 打开串口接收中断
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_byte, 1);
/* USER CODE END 2 */

▶

主循环处理

/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
    /* USER CODE END WHILE */
    /* USER CODE BEGIN 3 */
    if (rx_flag)
    {
        // 切换LED灯
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
        // 打印接收到的数据
        HAL_UART_Transmit(&huart1, rx_buf, rx_cnt, HAL_MAX_DELAY);
        rx_flag = 0;
        rx_cnt = 0;
        memset(rx_buf, 0, sizeof(rx_buf));
        // 打开接收中断
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_byte, 1);
    }
    
}
/* USER CODE END 3 */

▶

接收中断

/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1)
    {
        rx_buf[rx_cnt++] = rx_byte;
        if (rx_byte == LINE_FEED)
        {
            rx_flag = 1; // 标记接收结束
        }
        else
        {
            // 继续打开接收中断
            HAL_UART_Receive_IT(huart, &rx_byte, 1);
        }
    }
}
/* USER CODE END 4 */

5.2 串口调试

打开友善串口调试助手^[2],根据实际情况选择有效的串口端口，串口参数与STM32CubeMX配置的USART1一致，如下方所示

波特率	数据位	校验位	停止位	流控
115200	8	None	1	None

编译烧录到STM32，尝试发送一个字符串Echo test，字符串结尾加一个回车符标记串口发送结束，观察串口助手是否将收到的数据发送回来。

如果尝试给STM32的串口发送一个字符串，且确定加了换行作为结束标志，但是STM32没有将数据发送回来，那么应该需要检查串口调试的助手的换行设置, 确保是Line Feed而不是Carriage Return。按照当前代码的结束符，如果不是以Line Feed结尾则无法认为本次接收结束

换行符	缩写	ASCII码	16进制
Carriage Return	CR	\r	0x0D
Line Feed	LF	\n	0x0A

6.示波器

使用示波器查看数据，重点是测量信号、波形分析。

6.1 参数设置

硬件连接：通道0连接串口模块的TX，通道1连接RX。
串口在空闲时保持高电平，一个串口数据帧 = 1bit起始位 + 8bit数据位 + 1bit停止位。起始位低电平，停止位高电平。因此示波器触发类型需要选择下降沿，并启用单次触发，具体参数见下表

触发类型	触发方式	时基	幅值
下降沿	常规	200uS	2V

6.2 捕获波形

• 示波器在设置好参数之后开始捕获波形，等待串口的开始信号触发，也就是第一个下降沿开始采样。
• 串口调试助手发送一条数据Echo Test
• 查看示波器波形，能够看到通道0先采集到数据，通道1再采集到数据

6.3 波形分析

选择示波器的UART解码功能，暂时分析通道0，串口参数与上面保持一致，注意位序默认是LSB

放大最左侧的起始信号，分析第一个字节0x45

• S代表起始位，低电平
• 中间代表数据位，共8位，从高到低的二进制是1010 0010，由于串口传输的方式默认是LSB，因此该二进制需要反转才能代表正确数据，即0100 0101，换算成16进制也就是0x45，也就是ASCII码的字符E
• T代表停止位，高电平

6.4 字符解码

设置串口解码的数据显示类型为ASCII字符，且放大时基，查看通道1所有数据

7.逻辑分析仪

使用逻辑分析仪查看数据，重点是解码协议。虽然逻辑分析仪在测量信号的准确度上不如示波器，只能处理逻辑电平信号：高电平1或低电平0，但其在解码协议以及数据显示方面是十分优秀的。

7.1 参数设置

硬件连接：Channel 0连接串口模块的TX，Channel 1连接RX

• 点击Analyzers标签
• 选择Async Serial，选择Channel 0，串口其他参数保持与上面一致，点击Save
• 同理添加Channel 1
• 重命名Channel 0为UART_TX， Channel 0为UART_RX，并选择合适的颜色

7.2 监听数据

• 点击Start开始监听，并适当放大时基
• 串口调试助手发送一条数据Echo Test
• 停止监听，缩小时基，查看具体数据

7.3 分析数据

选择Channel 0的数据显示方式为Hexadecimal，以16进制查看数据；放大第一个字节，切换不同数据显示格式以验证以上结果。

示波器查看信号是否准确，逻辑分析仪查看数据是否正确。

8.重定向printf

重定向printf就是将串口的发送函数转换为标准的printf函数以方便打印调试信息。并且可以导入彩色打印库^[4]以打印显示友好的调试信息。

8.1 启用微库

• EIDE工程选择Builder Configurations， 选择编辑Builder Options
• 弹出的Build Options页面中选择Global Options选项卡
• 确保勾选Use MicroLIB，点击右上角SAVE ALL按钮保存

8.2 重定向设置

8.2.1 修改头文件

在usart.h文件中，在 /* USER CODE BEGIN Includes */ 与 /*USER CODE END Includes */之间加入 #include <stdio.h>

8.2.2 修改源文件

在usart.c文件中，在 /* USER CODE BEGIN 0 */ 和 /* USER CODE END 0 */加入以下代码

▶

USER CODE BEGIN 0

#ifdef __GNUC__
/* With GCC/RAISONANCE, small printf (option LD Linker->Libraries->Small printf
set to 'Yes') calls __io_putchar() */
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
#else
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int fputc(int ch, FILE *f)
#endif /* __GNUC__ */

在usart.c文件中，在 /* USER CODE BEGIN 1 */ 和 /* USER CODE END 1 */加入以下代码

▶

USER CODE BEGIN 1

/**
* @brief  Retargets the C library printf function to the USART.
* @param  None
* @retval None
*/
PUTCHAR_PROTOTYPE
{
    /* Place your implementation of fputc here */
    /* e.g. write a character to the EVAL_COM1 and Loop until the end of transmission */
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
    return ch;
}

8.3 标准打印

在main.c文件中，尝试在串口初始化完成后使用printf函数打印STM32 USART1 Demo字符串

8.4 彩色打印

8.4.1 文件准备

• MDK同级目录下新建Debug目录
• 将彩色打印库^[4]，即debug_log.h和debug_log.c文件复制在Debug目录之下

8.4.2 添加至工程

• 点击Project Resources的右侧文件夹按钮，选择Virtual Folder，输入Debug
• 选择debug_log.c文件
• 点击Project Attributes，选择Include Directories右侧的加号，选择Debug目录

8.4.3 打印效果

• 导入头文件debug_log.h
• 在进入循环之前调用debug_log_demo()
• 编译烧录，查看打印效果

注意：printf函数不能在硬件级的中断函数中打印，该函数阻塞运行且属于耗时操作。比如printf打印一个字节(有效数据8位)，以波特率115200，1bit起始位 + 8bit数据位 + 1bit停止位 为例，传输一个字节大约需要86us。假设一个定时器频率1Mhz, 其中断函数需要1us进入一次，printf的执行时间远大于该定时器进入中断的时间。传输一个字节的时间计算公式如下:

$$
一个字节传输时间 = (1bit + 8bit + 1bit) ÷ 115200bps ≈ 0.000086s = 86us
$$

参考

1. SerialPortForWindowsTerminal ↩
2. 友善串口调试助手 ↩
3. Usart与Printf函数重定向 ↩
4. 终端彩色打印 ↩