【嵌入式学习-STM32F103-USART串口通信】

目录

1、串口通信协议（简介+软硬件规则）

2、STM32内部的USART外设

3、USART基本结构（江科大简化）

4、串口发送代码

4-1 基本流程

4-2 整体代码

4-2-1 main.c

4-2-2 Serial.c

4-2-3 Serial.h

5、串口接收代码

5-1 查询

5-2 中断

5-3 整体代码

5-3-1 main.c

5-3-2 Serial.c

5-3-3 Serial.h

6、USART串口数据包

6-1 使用状态机接收数据包的思路

6-2 串口收发HEX数据包

6-2-1 main.c

6-2-2 Serial.c

6-2-3 Serial.h

6-3串口收发文本数据包

6-3-1 main.c

6-3-2 Serial.c

6-3-3 Serial.h

补充

1、串口通信协议（简介+软硬件规则）

全双工：打电话。半双工：对讲机。单工：广播

时钟：I2C和SPI有单独的时钟线，所以它们是同步的，接收方可以在时钟信号的指引下进行采样。串口、CAN和USB没有时钟线，需要双方约定一个采样频率，它们是异步的，并且需要加一些帧头帧尾等进行采样位置的对齐。

电平：1、单端->引脚的高低电平都是对GND的电压差，所以单端信号通信的双方必须要共地，就是把GND接在一起。2、

差分->它是靠两个差分引脚的电压差来传输信号的，在通讯的时候，可以不需要共地，可极大提高抗干扰特性，所以差分信号一般传输速度和距离都会非常高。

设备：点对点->老师单独找一位学生谈话；多设备->老师在教室里面对所有同学谈话，需要有一个寻址的过程，以确定通信的对象。寻址：给不同的设备编号，对应不同的学生的名字

波特率：如果双方规定波特率为1000bps，表示1s要发送1000位，每一位的时间就是1ms。 发送方每隔1ms发送1位，接收方每隔1ms接收1位。波特率，它决定了每隔多久发送一位。

起始位：首先，串口的空闲状态是高电平，也就是没有数据传输的时候，引脚必须要置高电平，作为空闲状态，然后需要传输的时候，必须要先发送一个起始位，这个起始位必须是低电平，来打破空闲状态的高电平，产生一个下降沿，该下降沿就告诉设备这一帧数据要开始了。如果没有起始位，数据线就一直都是高电平，没有任何波动，这样接收方怎么知道要接收数据呢。

停止位：为下一个起始位做准备。如果没有停止位，那当我数据最后一位是0的时候，下次再发送新的一帧，就没有办法产生下降沿了。
例子，连续发送两个0x55，1个停止位和2个停止位

校验位：串口使用的是一种叫奇偶校验的数据验证方法。奇偶校验可以判断数据传输是否出错。如果数据出错了，可以选择丢弃或者要求重传。
’

串口通信总结：TX引脚输出定时翻转的高低电平，RX引脚定时读取引脚的高低电平。每个字节的数据加上起始位，停止位，可选的校验位（无，奇，偶），打包成数据帧，一次输出在TX引脚，另一端RX引脚依次接收，这样就完成了字节数据的传递。
’

2、STM32内部的USART外设

USART外设就是串口通信的硬件支持电路。
常用配置：波特率9600或者115200，数据位8位，停止位1位，无校验
USART1:APB2总线的设备
USART2、USART3：APB1总线的设备
’

USART功能框图

TX和RX走线

发送数据寄存器和发送移位寄存器怎么工作的呢？
比如在某一时刻给TDR写入0x55数据

发送端

此时，硬件检测到你写入数据，它就会检查当前一位寄存器是不是有数据正在移位，如果没有，这个01010101就会立刻全部移动到发送移位寄存器，准备发送。当数据从TDR移动到移位寄存器时，会置一个标志位，叫TXE（TX Empty），发送寄存器空。如果该标志位置1，可在TDR写入下一个数据。注意，当TXE标志位置1时，数据还没有发送出去，只要数据从TDR转移到移位寄存器，TXE就会置1，此时可写入新的数据。然后发送移位寄存器就会在发生器控制的驱动下，向右移位，然后一位一位地把数据输出到TX引脚，正好与串口协议规定的低位先行一致。当数据移位完成时，新的数据就会再次自动地从TDR转移到发送移位寄存器里来。如果当前移位寄存器移位还没有完成，TDR的数据就会进行等待，一旦移位完成，就会立刻转移过来。有了TDR和移位寄存器的双重缓存，可以保证连续发送数据的时候，数据帧之间不会有空闲。简单来说，数据一旦从TDR转移到移位寄存器，管你有没有移位完成，就会把下一个数据放在TDR等待。一旦移位寄存器移动完成，新的数据就会立刻跟上。
‘

接收端

数据从RX引脚通向接受移位寄存器，在接收器控制的驱动下，一位一位地读取RX电平，先放在最高位，然后向右移动，移位8次后就可以接受一个字节。

同样，因为串口协议规定是低位先行，所以接受移位寄存器是从高位往低位这个方向移动，当一个字节移位完成后，这一个字节的数据就会整体地转移到接收数据寄存器RDR里，在转移的过程中会置一个标志位，叫RXNE（RX Not Empty），接收数据寄存器非空。当我们检测到RXNE置1之后，就可以把数据读走。同时，这个标志位可以去申请中断，在收到数据时，直接进入中断函数。
’

这里也是两个寄存器进行缓存，当数据从移位寄存器转移到RDR时，就可以直接移位接受下一帧数据。
‘

发送器控制：用来控制发送移位寄存器的工作
接受器控制：用来控制接收移位寄存器的工作

以下模块用于产生同步时钟信号，它是配合发送移位寄存器输出的，发送寄存器每移位一次，同步时钟电平就跳变一个周期，时钟告诉对方我移出去移位数据了 。该时钟只支持输出，不支持输入，因此两个USART之间不能实现同步的串口通信。
时钟作用
1、兼容别的协议，比如串口加时钟，与SPI协议相似，因此可兼容SPI
2、自适应波特率，如接收设备不确定发送设备给的是什么波特率，可通过测量时钟周期，再计算得到波特率。

以下是判断发送状态和接收状态的必要标志位。
’

波特率发生器就是分频器，APB时钟进行分频，得到发送和接收移位的时钟。
’

串口的引脚

3、USART基本结构（江科大简化）

‘>>’右移，表示数据低位先行
开关控制->配置完成时，用cmd开启USART外设

输入的采样频率和波特率一致，还要保证每次输入采样的位置，要正好处于每一位的正中间，只有在每一位的正中间采样，这样的高低电平读进来，才是最可靠的。如果采样点过于靠前或靠后，那有可能高低电平还正在翻转，电平不稳定或者稍有误差，数据就采样出错了。
’

起始位侦测和采样位置对齐的策略
噪声标志位：NE
’

波特率发生器
为什么要除以16，因为它内部还有一个16倍频波特率的采样时钟
’

比如我要配置USART1为9600波特率，那如何配置BRR寄存器呢。
’

4、串口发送代码

4-1 基本流程

1、第一步开启时钟，把需要用到的USART和GPIO的时钟打开
2、第二步，GPIO初始化，把Tx配置成复用输出，Rx配置成输入
3、第三步，配置USART，直接使用一个结构体
4、如果你只需要发送的功能，就直接开启USART，初始化就结束了；如果你需要接收的功能，可能还需要配置中断，那就在开启USART之前，再加上ITConfig和NVIC的代码

static void NVIC_Configuration(void)
{
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
  
  /* 嵌套向量中断控制器组选择 */
	/* 提示 NVIC_PriorityGroupConfig() 在整个工程只需要调用一次来配置优先级分组*/
  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
  
  /* 配置USART为中断源 ，默认使用串口1作为中断源*/
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DEBUG_USART_IRQ;
  /* 抢断优先级*/
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
  /* 子优先级 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
  /* 使能中断 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
  /* 初始化配置NVIC */
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

// 串口中断优先级配置
	NVIC_Configuration();
	
	// 使能串口接收中断，接收数据寄存器非空，表示接收到数据就产生中断
	USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE, ENABLE);

5、初始化完成后，如果要发送数据，调用一个发送函数即可；如果要接收数据，就调用接收的函数。如果要获取发送和接收的状态，就调用获取位的函数

4-2 整体代码

4-2-1 main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"

int main(void)
{
	OLED_Init();
	//初始化串口
	Serial_Init();
	//发送数据，调用该函数后，TX引脚就会产生一个0x41对应的波形，
	//可将该波形发送给其他支持串口的模块，也可以通过USB转串口的模块发送到电脑端
	Serial_SendByte(0x41);
	
	uint8_t MyArray[] = {0x42, 0x43, 0x44, 0x45};
	Serial_SendArray(MyArray, 4);//传入数组的首地址，指定传输4个字节  
	
	Serial_SendString("\r\nNum1=");
	
	Serial_SendNumber(111, 3);
	
	printf("\r\nNum2=%d", 222);
	
	char String[100];  //定义字符串
	sprintf(String, "\r\nNum3=%d", 333);  //打印字符串
	Serial_SendString(String);  //发送字符串
	
	Serial_Printf("\r\nNum4=%d", 444);
	Serial_Printf("\r\n");
	
	while (1)
	{
		
	}
}

4-2-2 Serial.c

取某一位就是–>数字 / 10^x % 10
/ 10^x 去掉右边
% 10 去掉左边

重定向fputc跟printf有什么关系呢？
这是因为fputc是printf函数的底层实现，printf函数在打印的时候就是不断调用fputc函数一个个打印的，我们把fputc函数重定向到串口，那printf自然久输出到串口。

int fputc(int ch, FILE *f)
{
	Serial_SendByte(ch);
	return ch;
}

 #include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>

void Serial_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);  //USART1的外设时钟时APB2
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);   //开启GPIO时钟
	//初始G化PIO
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	
	/* 将PA9配置为复用推挽输出，供USART的Tx使用 */
	//TX引脚是USART外设控制的输出脚，所以要选复用推挽输出，RX引脚是USART外设数据输入脚，
	//所以要选择输入模式，一根线只能有一个输出，但可以有多个输入
	//因为串口波形空闲状态是高电平，所以不使用下拉输入
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;   //复用推挽输出 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	//初始化USART
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;  //Init函数内部会自动算好9600对应的分频系数，然后写到BRR寄存器
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;  //不用流控
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;    //只有发送模式
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;  //无校验
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;  //1位停止位
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;  //字长8位
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
	//使能USART
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{ 
	//将Byte变量写入到TDR
	USART_SendData(USART1, Byte);
	//等待TXE置1，表明TDR数据已经转移到移位数据寄存器，要不然如果数据
	//还在TDR进行等待，我们再写入数据就会产生数据覆盖，所以在数据发送之后，还需要等待以下标志位
	//如果TXE标志位==RESET，就一直循环，直到SET，结束等待，标志位置1后，不需要手动清零，
	//当下一次SendData时，该标志位自动清零
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); 
}

//uint8_t *Array这是一个uint8_t 的指针类型，指向待发送数组的首地址，传递数组需要使用指针
//length由于数组无法判断是否结束，所以需要再传递一个length进来
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length)
{
	uint16_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Array[i]);
	}
}

void Serial_SendString(char *String)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; String[i] != '\0'; i ++)  //数据0，对应空字符，是字符串结束标志位，如果不等于0，就是还没有结束，进行循环，如果等于0，就是结束，停止循环
	{
		Serial_SendByte(String[i]);
	}
}
//返回值为 x的y次方
uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{
	uint32_t Result = 1;
	while (Y --)
	{
		Result *= X;  //X的Y次方
	}
	return Result;
}
//发送一个数字，最终能在电脑显示字符串形式的数字
void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');  //目前循环，参数会以10进制从高位到低位依次发送，再加上偏移量
		//假设length为2，当i=0时，发送的是10位，当i=1时，发送的是个位
		//从高位到低位依次发送
		
	}
}
//
//单个串口重定向，只能有一个串口用来打印
//printf重定向，fputc是printf的底层，将fputc函数重定向到了串口，那printf自然就输出到串口
int fputc(int ch, FILE *f)
{
	Serial_SendByte(ch);
	return ch;
}

//多个串口重定向，可多个串口用来打印
//封装sprintf
void Serial_Printf(char *format, ...)
{
	char String[100];
	va_list arg;
	va_start(arg, format);
	vsprintf(String, format, arg);
	va_end(arg);
	Serial_SendString(String);
}

4-2-3 Serial.h

#ifndef __SERIAL_H
#define __SERIAL_H

#include <stdio.h>

void Serial_Init(void);
void Serial_SendByte(uint8_t Byte);
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length);
void Serial_SendString(char *String);
void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length);
void Serial_Printf(char *format, ...);

#endif

若需要输出中文，则

程序现象及注意事项

串口助手的发送和接收都需要选择HEX模式，若不同，则OLED和电脑界面会显示不同。

5、串口接收代码

5-1 查询

在主函数里不断判断RXNE标志位，如果置1，表明收到数据，再调用ReceiveData，读取DR寄存器即可

//查询
	while(1)
	{
		if(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_RXNE) == SET)
		{
			RxData = USART_ReceiveData(USART1);  //读完DR寄存器，该标志位自动清除
			OLED_ShowHexNum(1,1,RxData,2);
		}
	}

5-2 中断

/*===================================================*/
	/* 串口接收 可使用 查询和中断两种方法 以下是中断*/
	//开启中断，选择RXNE，表示这一个字节的数据就会整体地转移到接收数据寄存器RDR里
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
	
	//中断优先级分组
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	
	//配置NVIC
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
	/*===================================================*/

/*==============中断接收和变量的封装====================*/
uint8_t Serial_GetRxFlag(void)
{
	if (Serial_RxFlag == 1)
	{
		Serial_RxFlag = 0;
		return 1;
	}
	return 0;
}

uint8_t Serial_GetRxData(void)
{
	return Serial_RxData;
}
//中断函数的名字在启动文件里面（startup_stm32f10x_md.s）
void USART1_IRQHandler(void)
{
	//先判断标志位
	if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)
	{
		//将接收寄存器里的数据放到自定义变量里
		Serial_RxData = USART_ReceiveData(USART1);
		//读完数据后置标志位1
		Serial_RxFlag = 1;
		//如果读取DR，则自动清除标志位，否则，手动清除标志位
		USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);  
	}
}

5-3 整体代码

5-3-1 main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"

uint8_t RxData;

int main(void)
{
	OLED_Init();
	OLED_ShowString(1, 1, "RxData:");
	
	Serial_Init();
	
	while (1)
	{
		if (Serial_GetRxFlag() == 1)
		{
			RxData = Serial_GetRxData();
			//把接收到的数据回传（到电脑）功能
			Serial_SendByte(RxData);
			OLED_ShowHexNum(1, 8, RxData, 2);
		}
	}
	
//	//查询
//	while(1)
//	{
//		if(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_RXNE) == SET)
//		{
//			RxData = USART_ReceiveData(USART1);  //读完DR寄存器，该标志位自动清除
//			OLED_ShowHexNum(1,1,RxData,2);
//		}
//	}
	
}

5-3-2 Serial.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>

uint8_t Serial_RxData;
uint8_t Serial_RxFlag;

void Serial_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;  //引脚模式为上拉输入
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;  //或，同时开启发送和接收部分
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
	
	/*===================================================*/
	/* 串口接收 可使用 查询和中断两种方法 以下是中断*/
	//开启中断，选择RXNE，表示这一个字节的数据就会整体地转移到接收数据寄存器RDR里
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
	
	//中断优先级分组
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	
	//配置NVIC
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
	/*===================================================*/
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendData(USART1, Byte);
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length)
{
	uint16_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Array[i]);
	}
}

void Serial_SendString(char *String)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; String[i] != '\0'; i ++)
	{
		Serial_SendByte(String[i]);
	}
}

uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{
	uint32_t Result = 1;
	while (Y --)
	{
		Result *= X;
	}
	return Result;
}

void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');
	}
}

int fputc(int ch, FILE *f)
{
	Serial_SendByte(ch);
	return ch;
}

void Serial_Printf(char *format, ...)
{
	char String[100];
	va_list arg;
	va_start(arg, format);
	vsprintf(String, format, arg);
	va_end(arg);
	Serial_SendString(String);
}

/*==============中断接收和变量的封装====================*/
//对Serial_RxFlag变量封装get函数，实现读后自动清除的作用
uint8_t Serial_GetRxFlag(void)
{
	if (Serial_RxFlag == 1)
	{
		Serial_RxFlag = 0;
		return 1;
	}
	return 0;
}
//对Serial_RxData变量封装get函数
uint8_t Serial_GetRxData(void)
{
	return Serial_RxData;
}
//中断函数的名字在启动文件里面（startup_stm32f10x_md.s）
void USART1_IRQHandler(void)
{
	//先判断标志位
	if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)
	{
		//将接收寄存器里的数据放到自定义变量里
		Serial_RxData = USART_ReceiveData(USART1);
		//读完数据后置标志位1
		Serial_RxFlag = 1;
		//如果读取DR，则自动清除标志位，否则，手动清除标志位，此处手动清除没影响
		USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);  
	}
}
/*==========================================================*/

5-3-3 Serial.h

#ifndef __SERIAL_H
#define __SERIAL_H

#include <stdio.h>

void Serial_Init(void);
void Serial_SendByte(uint8_t Byte);
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length);
void Serial_SendString(char *String);
void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length);
void Serial_Printf(char *format, ...);

uint8_t Serial_GetRxFlag(void);
uint8_t Serial_GetRxData(void);

#endif
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"

uint8_t RxData;

int main(void)
{
	OLED_Init();
	OLED_ShowString(1, 1, "RxData:");
	
	Serial_Init();
	
  //中断
	while (1)
	{
		if (Serial_GetRxFlag() == 1)
		{
			RxData = Serial_GetRxData();
			//把接收到的数据回传（到电脑）功能
			Serial_SendByte(RxData);
			OLED_ShowHexNum(1, 8, RxData, 2);
		}
	}
	
//	//查询
//	while(1)
//	{
//		if(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_RXNE) == SET)
//		{
//			RxData = USART_ReceiveData(USART1);  //读完DR寄存器，该标志位自动清除
//			OLED_ShowHexNum(1,1,RxData,2);
//		}
//	}
	
}

程序现象

串口收发HEX数据

数据包有规定的格式，以FF为包头，FE为包尾，中间固定4个字节为数据。每按一次按键，发送一个数据包，中间的数据会呈现递增显示。


包头FF和包尾FE用于控制接收，接收时不显示。

串口收发文本数据

发送模式和接收模式都选择文本模式
以@为包头
以换行符为包尾

6、USART串口数据包

数据包的任务，通过额外添加包头包尾实现数据分割打包的思路，方便接收方识别。

问题：

1、包头包尾和数据载荷重复的问题，如果数据和包头包尾重复，可能会引起误判

解决方法：

1、限制载荷数据的范围，如果可以的话，我们在发送的时候，对数据进行限幅

2、如果无法避免载荷数据和包头包尾重复，我们就尽量使用固定长度的数据包，由于载荷数据是固定的，只要我们通过包头包尾对齐了数据，就可以严格知道哪个数据是包头包尾，哪个数据应该是载荷数据。在接收载荷数据的时候，我们并不会判断他是否是包头包尾，而在接收包头包尾的时候，我们会判断它是不是确实是包头包尾，用于数据对齐

3、增加包头包尾的数量，并且让它尽量呈现出载荷数据出现不了的状态。

HEX数据包

在HEX数据包里面，数据都是以原始的字节数据本身呈现的

文本数据包

在文本数据包里面，每个字节经过一层编码和译码，最终以文本格式表现出来。

可变包长，各种字母、符号、数字都可以随意使用。
当我们接收到载荷数据后，得到的就是一个字符串，在软件中再对字符串进行操作和判断，就可以实现各种指令控制的功能，而且字符串数据包表达意义明显，可以把字符串数据包直接打印到串口助手上

HEX优点：传输直接，解析数据非常简单，比较适合一些模块发送原始的数据，比如一些使用串口通信的陀螺仪、温湿度传感器；缺点是灵活性不足，载荷容易和包头包尾重复。

文本优点：数据直观易理解，非常灵活，比较适合一些输入指令进行人机交互的场合，蓝牙模块的AT指令，CNC和3D打印机常用的G代码，缺点解析效率低

6-1 使用状态机接收数据包的思路

标志位只有0和1，而状态机是多标志位状态的一种方式。最开始，S=0，收到一个数据，进入中断，根据S=0,进入第一个状态的程序，判断数据是不是包头FF，如果是FF，则代表收到包头，之后置S=1，退出中断，结束，下次再进中断，根据S=1，就可以进行接受数据的程序。如果在第一个状态，如果收到的不是FF，证明数据没有对齐，我们应该等待读数据包包头的出现。这时S=0.下次进中断，就还是判断包头的逻辑，知道出现FF，才能转到下一个状态，来到接收数据状态，此时收到数据，我们就直接把他存在数组中，另外再用一个变量记录接受了多少个数据，如果没有收购4个数据，就一直是接收状态，如果收够了，就置S=2.下次进入中断时，就可以进入下一个状态了。最后的状态就是等待包尾，判断数据是否是FE，这样就可以置S=0，回到最初的状态，开始下一个轮回。如果包尾位置不是·FE，此时可以进入重复等待包尾的状态，直到接收到真正的包尾。这样加入包尾的判断，更加能够预防因数据和包头重复造成的错误。

状态机：比如设计菜单，按什么键，切换什么菜单，执行什么程序

6-2 串口收发HEX数据包

6-2-1 main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"
#include "Key.h"

uint8_t KeyNum;

int main(void)
{
	OLED_Init();
	Key_Init();
	Serial_Init();
	
	OLED_ShowString(1, 1, "TxPacket");
	OLED_ShowString(3, 1, "RxPacket");
	
	//填充缓冲区数组（发送缓存赋初始值）
	Serial_TxPacket[0] = 0x01;
	Serial_TxPacket[1] = 0x02;
	Serial_TxPacket[2] = 0x03;
	Serial_TxPacket[3] = 0x04;
	
	while (1)
	{
		KeyNum = Key_GetNum();
		//按键按下，则执行发送数据
		if (KeyNum == 1)
		{
			//变换数据
			Serial_TxPacket[0] ++;
			Serial_TxPacket[1] ++;
			Serial_TxPacket[2] ++;
			Serial_TxPacket[3] ++;
			//发送数据包
			Serial_SendPacket();
			//OLED显示数据
			OLED_ShowHexNum(2, 1, Serial_TxPacket[0], 2);
			OLED_ShowHexNum(2, 4, Serial_TxPacket[1], 2);
			OLED_ShowHexNum(2, 7, Serial_TxPacket[2], 2);
			OLED_ShowHexNum(2, 10, Serial_TxPacket[3], 2);
		}
		
		if (Serial_GetRxFlag() == 1)
		{
			OLED_ShowHexNum(4, 1, Serial_RxPacket[0], 2);
			OLED_ShowHexNum(4, 4, Serial_RxPacket[1], 2);
			OLED_ShowHexNum(4, 7, Serial_RxPacket[2], 2);
			OLED_ShowHexNum(4, 10, Serial_RxPacket[3], 2);
		}
	}
}

6-2-2 Serial.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>

//为了收发数据包，定义两个缓冲区的数组
uint8_t Serial_TxPacket[4];				//FF 01 02 03 04 FE
uint8_t Serial_RxPacket[4];
//如果收到一个数据包，就置RxFlag（标志位）
uint8_t Serial_RxFlag;

void Serial_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
	
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
	
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
	
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendData(USART1, Byte);
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length)
{
	uint16_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Array[i]);
	}
}

void Serial_SendString(char *String)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; String[i] != '\0'; i ++)
	{
		Serial_SendByte(String[i]);
	}
}

uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{
	uint32_t Result = 1;
	while (Y --)
	{
		Result *= X;
	}
	return Result;
}

void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');
	}
}

int fputc(int ch, FILE *f)
{
	Serial_SendByte(ch);
	return ch;
}

void Serial_Printf(char *format, ...)
{
	char String[100];
	va_list arg;
	va_start(arg, format);
	vsprintf(String, format, arg);
	va_end(arg);
	Serial_SendString(String);
}

//发送数据包，调用该函数，TxPacket数组的4个数据就会自动加上包头包尾发送出去
void Serial_SendPacket(void)
{
	//发送包头
	Serial_SendByte(0xFF);
	//发送四个载荷数据
	Serial_SendArray(Serial_TxPacket, 4);
	//发送包尾
	Serial_SendByte(0xFE);
}

uint8_t Serial_GetRxFlag(void)
{
	if (Serial_RxFlag == 1)
	{
		Serial_RxFlag = 0;
		return 1;
	}
	return 0;
}

//在接收中断函数里，我们需要用状态机来执行接收逻辑
void USART1_IRQHandler(void)
{
	//定义一个标志当前状态的变量S，静态变量（类似于全局变量，函数进入只会初始化依次0，在函数退出后，数据仍然有效，
	//与全局变量不同的是，静态变量只能在本函数使用）
	static uint8_t RxState = 0;
	//指示接收数据到哪一个，最开始默认为0
	static uint8_t pRxPacket = 0;
	if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)
	{
		uint8_t RxData = USART_ReceiveData(USART1);
		//状态0，进入等待包头的程序
		if (RxState == 0)
		{
			if (RxData == 0xFF)
			{
				RxState = 1;
				pRxPacket = 0;  //状态0转移到状态1，提前清零
			}
		}
		//状态1，进入接收数据的程序
		else if (RxState == 1)
		{
			//依次接收4个数据，存在RxPack数组里
			Serial_RxPacket[pRxPacket] = RxData;  //将RxData存到接收数组里
			pRxPacket ++;  //移动到下一个位置
			if (pRxPacket >= 4)
			{
				RxState = 2;
			}
		}
		//状态2，等待包尾
		else if (RxState == 2)
		{
			//判断是否是包尾，
			if (RxData == 0xFE)
			{
				RxState = 0;  //如果是的话，回到最初的状态
				Serial_RxFlag = 1;  //接收标志位置1，代表数据包接收到了
			}
		}
		
		USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);  //手动清除中断标志位
	}
}

hex发送数据包

//发送数据包，调用该函数，TxPacket数组的4个数据就会自动加上包头包尾发送出去
void Serial_SendPacket(void)
{
	//发送包头
	Serial_SendByte(0xFF);
	//发送四个载荷数据
	Serial_SendArray(Serial_TxPacket, 4);
	//发送包尾
	Serial_SendByte(0xFE);
}

hex接收数据包(串口中断)

//USART串口数据包
//串口的中断服务函数
void USART1_IRQHandler(void)
{
	//静态变量类似于全局变量，函数进入只初始化一次，在函数退出后，数据仍然有效，与全局变量不同的是，静态变量只能在本函数中使用。
	static uint8_t RxState = 0;// 接收数据状态变量
	static uint8_t pRxPacket = 0;// 数据包缓冲区指针
	// 检查USART1接收中断(USART_IT_RXNE)是否触发
	if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)  //数据寄存器非空，该寄存器置1，我们就可以将数据读走
	{
		// 从USART数据寄存器读取接收到的数据
		uint8_t RxData = USART_ReceiveData(USART1);
		// 状态机处理接收到的数据包
		//等待包头
		if (RxState == 0)
		{	
			 // 检查数据包头部 (0xFF)
			if (RxData == 0xFF)//收到包头
			{
				RxState = 1;// 切换到下一个状态
				pRxPacket = 0;// 重置数据包缓冲区指针
			}
		}
		//接收数据
		else if (RxState == 1)
		{	
		//依次接收四个数据存在rxpacket数组里
	     // 将接收到的数据存储到数据包缓冲区
	     //以下为没进入一次接收状态，数据久转存一次缓存数组，同时存的位置++
			Serial_RxPacket[pRxPacket] = RxData;
			pRxPacket ++;// 移动到数据包缓冲区的下一个位置
			// 检查是否已接收到至少3个字节（包括头部）
			if (pRxPacket > 2)
			{
				RxState = 2;
			}
		}
		//等待包尾
		else if (RxState == 2)
		{
			// 检查数据包尾部 (0xFE)
			if (RxData == 0xFE)//包尾
			{			
				RxState = 0;// 重置状态以开始接收新的数据包
				Serial_RxFlag = 1;// 设置标志表示已接收到完整的数据包
			}
		}
		// 清除USART1接收中断标志以确认中断
		
		USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);//清除中断标志位
	}
}

6-2-3 Serial.h

#ifndef __SERIAL_H
#define __SERIAL_H

#include <stdio.h>

//extern 外部可调用
extern uint8_t Serial_TxPacket[];
extern uint8_t Serial_RxPacket[];

void Serial_Init(void);
void Serial_SendByte(uint8_t Byte);
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length);
void Serial_SendString(char *String);
void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length);
void Serial_Printf(char *format, ...);

void Serial_SendPacket(void);
uint8_t Serial_GetRxFlag(void);//用于判断是不是接收到了数据包

#endif

6-3串口收发文本数据包

以@符号为包头，换行的两个符号为包尾，中间的载荷字符数量不固定。
注意S=1时，判断该诗剧是否是\r，如果不是，则正常接收，如果是，则不接受收，同时跳到下一个状态，等待包尾\n

6-3-1 main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"
#include "LED.h"
#include "string.h"

int main(void)
{
	OLED_Init();
	LED_Init();
	Serial_Init();
	
	OLED_ShowString(1, 1, "TxPacket");
	OLED_ShowString(3, 1, "RxPacket");
	
	while (1)
	{
		//判断是否接收到数据包
		if (Serial_RxFlag == 1)
		{
			OLED_ShowString(4, 1, "                ");  //相当于擦除
			OLED_ShowString(4, 1, Serial_RxPacket);
			
			//判断两个字符串是否相等
			if (strcmp(Serial_RxPacket, "LED_ON") == 0)
			{
				//点亮LED
				LED1_ON();
				//向串口助手回传字符串，电脑显示
				Serial_SendString("LED_ON_OK\r\n");
				//OLED显示
				OLED_ShowString(2, 1, "                ");
				OLED_ShowString(2, 1, "LED_ON_OK");
			}
			//接收到的数据于LED_OFF相同
			else if (strcmp(Serial_RxPacket, "LED_OFF") == 0)
			{
				LED1_OFF();
				Serial_SendString("LED_OFF_OK\r\n");
				OLED_ShowString(2, 1, "                ");
				OLED_ShowString(2, 1, "LED_OFF_OK");
			}
			//错误指令
			else
			{
				Serial_SendString("ERROR_COMMAND-com\r\n");
				OLED_ShowString(2, 1, "                ");
				OLED_ShowString(2, 1, "ERROR_COMMAND-oled");
			}
			
			Serial_RxFlag = 0;
		}
	}
}

6-3-2 Serial.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>

//接收的数据类型定义为char，用于接收字符，100个字符（单条置零最长不能超过100个字符），防止溢出
char Serial_RxPacket[100];				//"@MSG\r\n"
uint8_t Serial_RxFlag;

void Serial_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
	
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
	
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
	
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendData(USART1, Byte);
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length)
{
	uint16_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Array[i]);
	}
}

void Serial_SendString(char *String)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; String[i] != '\0'; i ++)
	{
		Serial_SendByte(String[i]);
	}
}

uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{
	uint32_t Result = 1;
	while (Y --)
	{
		Result *= X;
	}
	return Result;
}

void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < Length; i ++)
	{
		Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');
	}
}

int fputc(int ch, FILE *f)
{
	Serial_SendByte(ch);
	return ch;
}

void Serial_Printf(char *format, ...)
{
	char String[100];
	va_list arg;
	va_start(arg, format);
	vsprintf(String, format, arg);
	va_end(arg);
	Serial_SendString(String);
}

//文本数据包的中断接收状态机
void USART1_IRQHandler(void)
{
	static uint8_t RxState = 0;
	static uint8_t pRxPacket = 0;
	if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)
	{
		uint8_t RxData = USART_ReceiveData(USART1);
		//状态0，等待包头  
		if (RxState == 0)
		{
			//等待包头的时候，满足以下条件才执行接收，否则你发太快，我还没处理完，就跳过这个数据包，导致错位
			//只有RxFlag为0，才会继续接收下一个数据包
			if (RxData == '@' && Serial_RxFlag == 0)
			{
				//转移到状态1
				RxState = 1;
				//计数器清零
				pRxPacket = 0;
			}
		}
		//状态1，因为载荷字符数量并不确定，所以每次接收之前，我们必须先判断是不是包尾
		else if (RxState == 1)
		{
			if (RxData == '\r')
			{
				//转到状态2
				RxState = 2;
			}
			//如果不是，仍然需要接收数据
			else
			{
				Serial_RxPacket[pRxPacket] = RxData;
				pRxPacket ++;
			}
		}
		//状态2，需要检测RxData是不是'\n'，等待第二个包尾
		else if (RxState == 2)
		{
			//如果是的话，状态置0，接收标志位置1
			if (RxData == '\n')
			{
				RxState = 0;
				//需要给这个字符数组的最后加一个字符串结束标志位'\0',方便后续对字符串进行处理
				Serial_RxPacket[pRxPacket] = '\0';
				Serial_RxFlag = 1;
			}
		}
		
		USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);
	}
}

6-3-3 Serial.h

#ifndef __SERIAL_H
#define __SERIAL_H

#include <stdio.h>

extern char Serial_RxPacket[];
extern uint8_t Serial_RxFlag;

void Serial_Init(void);
void Serial_SendByte(uint8_t Byte);
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length);
void Serial_SendString(char *String);
void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length);
void Serial_Printf(char *format, ...);

#endif

补充