串行通信接口 USART

1. USART 概述

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/异步收发器）是一种串行通信接口，用于在微控制器与其他设备之间进行数据传输。
STM32F103 系列微控制器提供了多个 USART 接口，支持全双工通信，可配置为同步模式或异步模式，满足不同的通信需求。
应用领域：
- 与电脑进行串口通信，调试信息输出。
- 与其他 MCU 或外设模块通信，如 GPS 模块、蓝牙模块。

2. USART 配置步骤

使用 USART 接口进行通信时，需要按照以下步骤进行配置：

使能 USART 和 GPIO 时钟：在使用 USART 之前，必须开启 USART 外设和相关 GPIO 端口的时钟。

// 使能 USART1 和 GPIOA 的时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

配置 GPIO 引脚为复用功能：USART 的 TX（发送）和 RX（接收）引脚需要配置为适当的 GPIO 模式。

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

// 配置 USART1 TX (PA9) 引脚为复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

// 配置 USART1 RX (PA10) 引脚为浮空输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

初始化 USART：设置 USART 的波特率、数据位、停止位、校验位等参数。

USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600; // 设置波特率为 9600
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; // 8 位数据位
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; // 1 个停止位
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; // 无校验位
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; // 收发模式
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; // 无硬件流控
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

使能 USART：在完成配置后，需要使能 USART 外设。
```
USART_Cmd(USART1, ENABLE); // 使能 USART1
```

3. 示例：USART1 发送和接收数据

下面的示例代码演示了如何初始化 USART1，并实现发送和接收数据的基本功能。

3.1 初始化 USART1

void USART1_Init(void) {
    // 1. 使能时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 2. 配置 GPIOA 引脚
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    // 配置 PA9 （TX）为复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 配置 PA10 （RX）为浮空输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 3. 初始化 USART1
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600; // 波特率 9600
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; // 8 位数据
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; // 1 个停止位
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; // 无校验位
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; // 收发模式
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; // 无硬件流控
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

    // 4. 使能 USART1
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

3.2 发送和接收数据

发送一个字符

void USART1_SendChar(uint8_t ch) {
    USART_SendData(USART1, ch); // 发送数据
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); // 等待发送完成
}

接收一个字符

uint8_t USART1_ReceiveChar(void) {
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET); // 等待接收完成
    return USART_ReceiveData(USART1); // 返回接收到的数据
}

3.3 示例：发送字符串

为了便于发送字符串，可以编写一个函数，循环发送字符数组。

void USART1_SendString(char *str) {
    while (*str) {
        USART1_SendChar(*str++);
    }
}

3.4 示例：主函数

int main(void) {
    USART1_Init(); // 初始化 USART1

    while (1) {
        USART1_SendString("Hello, USART1!\r\n"); // 发送字符串
        for (int i = 0; i < 1000000; i++); // 简单的延时
    }
}

4. 注意事项

波特率设置：通信双方必须使用相同的波特率，否则会导致数据传输错误。
数据格式：确保数据位、停止位、校验位等参数一致。
引脚复用：USART 的引脚可能与其他外设复用，配置时需注意引脚冲突。
中断方式：对于需要实时通信的场合，可使用 USART 的中断接收和发送，提高效率。
DMA 传输：大量数据传输时，可以考虑使用 DMA，减轻 CPU 负担。

5. 扩展：使用中断方式接收数据

5.1 初始化 USART1 中断

void USART1_NVIC_Config(void) {
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    // 配置 USART1 中断
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; // 抢占优先级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; // 子优先级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    // 使能 USART1 接收中断
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
}

5.2 编写 USART1 中断服务函数

void USART1_IRQHandler(void) {
    if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) {
        uint8_t data = USART_ReceiveData(USART1); // 读取接收到的数据

        // 处理接收到的数据，例如回显
        USART_SendData(USART1, data);

        // 等待发送完成
        while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    }
}

5.3 修改主函数

int main(void) {
    USART1_Init(); // 初始化 USART1
    USART1_NVIC_Config(); // 配置 USART1 中断

    while (1) {
        // 主循环中可以执行其他任务
    }
}

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