第二讲——蓝牙+USART串口通信（步骤详细、原理清晰）


文章目录

  • 第二讲——蓝牙+USART串口通信（步骤详细、原理清晰）
  • 前言
  • 一、什么是USART
  • 1.同步通信和异步通信的区别
  • 2.那经常听到的RS422、RS485、RS232串行通信又是什么呢？
  • 3.但现在双方有一定的距离，又该如何呢?
  • 4.那这三种数据线有什么区别呢？
  • 5.那USART怎么和这些数据线连接呢？
  • 二、使用CubeMX建立工程
  • 三、keil工程代码编写
  • 1.准备工作
  • 2.加入使能
  • 2.中断函数编写
  • 3.mian函数编写
  • 4视频验证
  • 四、工程资料下载链接
  • 五、尾言


前言

接第一讲内容继续学习，这次使用蓝牙模块搭配开发板完成串口通行。通信流程如下：
发送流程：手机APP——>蓝牙——>开发板——>上位机
接收流程：上位机——>开发板——>蓝牙——>手机APP

一、什么是USART

USART是通用同步/异步收发器（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）的缩写。它是一种用于串行通信的接口，可以同时支持同步和异步通信。USART可以用于连接微控制器、传感器、模块和外部设备，实现数据的收发和通信。
USART是通用同步/异步收发器，可以同时支持同步和异步通信；而UART是通用异步收发器，只支持异步通信。USART可以通过硬件配置为同步通信模式，可以通过外部时钟信号进行数据传输；而UART只支持异步通信，数据传输是通过起始位、数据位、校验位和停止位组成的数据帧来实现。可以认为UART是USART的简配版。

1.同步通信和异步通信的区别

在同步通信中，发送方发送数据后需要等待接收方对数据的确认或响应，发送方和接收方需要保持一致的速度和节奏。如果接收方没有及时响应，发送方会一直等待，直到接收到响应。也就是说同步通信双方需要使用同一条时钟线。同步通信通常用于实时性要求高的场景，如音视频通话、实时游戏等。
在异步通信中，发送方发送数据后不需要等待接收方的响应，可以继续执行其他任务。接收方在接收到数据后会立即进行处理，不需要发送方的同步操作。
异步通信通常用于数据量大、延迟要求不高的场景，如文件传输、电子邮件等。

2.那经常听到的RS422、RS485、RS232串行通信又是什么呢？

USART是一种通用的串行通信模块，而RS232、RS422和RS485是特定的串行通信标准。可以理解为USART是一种接口，RS232、RS422和RS485是数据线。
比如说A机和B机都有USART，现在双方需要通信。
如果距离很近，可以直接利用杜邦线对双方USART的RX接TX、TX接RX即可通信。这是因为双方有相同接口

3.但现在双方有一定的距离，又该如何呢?

有同学会说拿一根很长的杜邦线，理论上不存在问题，但是实际中有以下弊端。
1、长距离的传输会导致信号衰减，杜邦线本身并不具备很好的抗干扰和信号传输特性，长距离传输会导致信号失真或丢失。
2、信号干扰：长线路会受到外部环境的电磁干扰，杜邦线的屏蔽性能较差，容易受到干扰影响，导致通信质量下降。
3、传输速率限制：长距离传输会受到传输速率的限制，杜邦线的传输速率有限，长距离传输时可能无法满足通信需求。
所以就需要使用RS232、RS422和RS485这种专业的数据线来通信。

4.那这三种数据线有什么区别呢？

RS232（Recommended Standard 232）用于在较短距离内（通常为50英尺）进行数据传输。RS232使用单端信号传输，一般是单双工和半双工。通常用于连接计算机、调制解调器、打印机等设备。
RS422（Recommended Standard 422）用于在较长距离内（最高可达4000英尺）进行高速数据传输。RS422使用差分信号传输，可以抵抗噪声和干扰，一般是全双工。适用于工业环境中的长距离通信。
RS485（Recommended Standard 485）类似于RS422，也用于在长距离内进行数据传输，也是全双工通信。与RS422不同的是，RS485支持多点通信，可以连接多个设备进行通信。适用于工业控制系统、仪器仪表等领域。
这就是三种数据线的区别，对于上述说的单双工、半双工和全双工不了解的可以上网查阅。

5.那USART怎么和这些数据线连接呢？

电路板上一般用RS422/485或RS232芯片生成接口，一段接入USART的RX和TX，另一端引出A、B（互补输出信号）和Y、Z（互补输入信号），将A、B、Y、Z接入通信接口，就可以接入这些数据线了。感兴趣可以找一些这些芯片，看看芯片手册。
相信到这，同学们对串口通行有了一些理解，虽然我的解释不够标准，但应该是通俗易懂的，初学的话呢前后都有大致的了解，流程都清楚我觉得就够了。这要学起来不会懵，知道自己在干嘛。接下来就是正式使用了。我这实例，通信距离很断，可以理解位用杜邦线通信，但是杜邦线连接不牢靠，所以一般用CH340转串口芯片转成了USB，这样就行了。

二、使用CubeMX建立工程

使用CubeMX的注意细节这里不再重复了，不清楚可以去看第一讲。

第一讲——Delay精准延时函数（详细，适合新手） 进入工程页面后，配置好RCC和SYS后进入connectivity

将USART1的模式使能为Asynchronous，使用异步通信（我的开发板引出的USB串口接在USART1上，同学们可以根据实际情况更改）

HarmonyOS串口通信 串口通信步骤_嵌入式硬件


可以看到默认的波特率为115200、8位数据流、不效验、1个停止位。这里很通用的配置，不需要更改，不理解的同学可以看看正点原子的编程手册类书籍，都有很多讲解。

进入NVIC Settings勾选USART1中断

HarmonyOS串口通信 串口通信步骤_单片机_02


用同样方式配置UART5（我的蓝牙模块串口接在UART5引脚上，可根据实际情况更改）。UART5的波特率要和自己蓝牙模块通讯的波特率保持一致，不然传输的是乱码。UART5和USART1的波特率可以不一致，但那样快的就要等慢的，一致最好。

HarmonyOS串口通信 串口通信步骤_单片机_03


我这里还将配置了引脚PF9和PF10，用于控制LED灯的亮灭，可以不操作

HarmonyOS串口通信 串口通信步骤_stm32_04


可以在User Label对引脚进行宏定义，如下

HarmonyOS串口通信 串口通信步骤_HarmonyOS串口通信_05


HarmonyOS串口通信 串口通信步骤_单片机_06


进入NVIC，可以将USART1和UART5抢占式中断设为1，低于系统保留中断就好

HarmonyOS串口通信 串口通信步骤_stm32_07


配置好了，全部选为LL库生成工程（中间不清楚参考第一讲）

HarmonyOS串口通信 串口通信步骤_单片机_08

三、keil工程代码编写

1.准备工作

首先加入delay.h和printf.h文件，delay.h第一讲详细介绍了，printf.h对printf重定义了，可以在工程中使用printf函数不报错。printf.h文件代码参考了正点原子。简单说明以下printf相关知识。

代码中如果直接使用printf会进入半主机模式，这是一种调试模式，下载后代码无法运行，但是用调试器进入Debug可以运行。如果想要下载后独立环境就能运行，需要把printf对字符ch处理后写入文件f，最后使用fputc将文件f输出到显示设备。这里需要做的就是吧fputc函数重新定向输出，同时避免进入半主机模式。

要避免进入半主机模式，主要有两种方式，一是使用MIcroLib（微库），在keil中勾选Use MicroLIB即使用MIcroLib

HarmonyOS串口通信 串口通信步骤_嵌入式硬件_09


但使用MIcroLib有很多弊端和注意事项，如main函数不能声明带参数，也无须返回；不支持stdio，除了无缓冲的stdin、stdout和syderr；微库不支持操作系统函数；微库不支持可选的单或两区存储模式；微库只提供分离的堆和栈两区存储模式等，裁减了很多函数，而且还有很多东西不支持。如果原来工程可以跑，选择MicroLib后却突然不行了，这是很常见的。

所以一般使用第二种方式：通过代码取消ARM的半主机工作模式，就是需要重新补充定义fputc，代码如下（再次声明，代码来自正点原子），这也是printf.c文件代码

#include "printf.h"	  
//加入以下代码,支持printf函数,而不需要选择use MicroLIB	  
#if 1
#pragma import(__use_no_semihosting)             
//标准库需要的支持函数                 
struct __FILE 
{ 
	int handle; 
	/* Whatever you require here. If the only file you are using is */ 
	/* standard output using printf() for debugging, no file handling */ 
	/* is required. */ 
}; 
/* FILE is typedef’ d in stdio.h. */ 
FILE __stdout;       
//定义_sys_exit()以避免使用半主机模式    
void _sys_exit(int x) 
{ 
	x = x; 
} 
//重定义fputc函数 
int fputc(int ch, FILE *f)
{      
	while((USART1->SR&0X40)==0);//循环发送,直到发送完毕   
	USART1->DR = (uint8_t) ch;      
	return ch;
}
#endif

printf.h如下

#ifndef __PRINTF_H
#define __PRINTF_H 
#include "stdio.h"
#include "stm32f407xx.h"
#endif

不需要把fputc函数引用出，工程内其他.c文件引用头文件#include "printf.h" 就可以使用printf()函数了，函数使用说明和C语言的printf一致。
注意：要正确把.c文件加入工程和说明.h头文件行，不了解的同学可以看我工程配置，末尾会免费提供下载地址

2.加入使能

首先进入usart.c文件，找到函数void MX_UART5_Init(void)和void MX_USART1_UART_Init(void)在末尾加入函数

void LL_USART_EnableIT_RXNE(USART_TypeDef *USARTx) 如图

HarmonyOS串口通信 串口通信步骤_数据_10


HarmonyOS串口通信 串口通信步骤_嵌入式硬件_11


可以进入这个函数看到函数定义（启用RX非空中断）

HarmonyOS串口通信 串口通信步骤_HarmonyOS串口通信_12


STM32F4 的发送与接收是通过数据寄存器 USART_DR 来实现的，这是一个双寄存器，包含了 TDR 和 RDR。当向 DR 寄存器写数据的时候，实际是写入 TDR，串口就会自动发送数据；当收到数据，读 DR 寄存器的时候，实际读取的是 RDR。TDR 和 RDR

对外是不可见的，所以我们操作的就只有 DR 寄存器，该寄存器的描述如图所示：

HarmonyOS串口通信 串口通信步骤_单片机_13


可以看出，虽然是一个 32 位寄存器，但是只用了低 9 位（DR[8:0]），其他都是保留。DR[8:0]为串口数据，包含了发送或接收的数据。由于它是由两个寄存器(TDR 和 RDR)组成的，一个给发送用(TDR)，一个给接收用(RDR)，该寄存器兼具读和写的功能。TDR 寄存器提供了内部总线和输出移位寄存器之间的并行接口。RDR 寄存器提供了输入移位寄存器和内部总线之间的并行接口。

所以我们需要使能DR非空中断，当有数据进入DR就会进入中断，告诉我们有数据进来了，我们可以在中断将数据提取出来，从而完成数据接收；同样我们将数据写入DR寄存器，USART就可以自动将数据发送出去。

2.中断函数编写

在工程文件Application/User/Core中双击stm32f4xx_it.c文件，进入中断函数文件，里面都是中断处理函数，前面的都是系统默认中断，翻到最后找到void USARTx_IRQHandler(void)这是我们开启的串口中断

HarmonyOS串口通信 串口通信步骤_嵌入式硬件_14


写入函数如下

void USART1_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 0 */
	if(LL_USART_IsActiveFlag_RXNE(USART1) == SET)
	{
		LL_GPIO_TogglePin(LED0_GPIO_Port,LED0_Pin);
		uart1_read = LL_USART_ReceiveData8(USART1);
		LL_USART_TransmitData8(UART5,uart1_read);
	}
	
  /* USER CODE END USART1_IRQn 0 */
  /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 1 */

  /* USER CODE END USART1_IRQn 1 */
}

/**
  * @brief This function handles UART5 global interrupt.
  */
void UART5_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN UART5_IRQn 0 */
	if(LL_USART_IsActiveFlag_RXNE(UART5) == SET)
	{
		LL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port,LED1_Pin);
		BLE_read = LL_USART_ReceiveData8(UART5);
		LL_USART_TransmitData8(USART1,BLE_read);
	}
  /* USER CODE END UART5_IRQn 0 */
  /* USER CODE BEGIN UART5_IRQn 1 */
  /* USER CODE END UART5_IRQn 1 */
}

以void USART1_IRQHandler(void)中断函数为例说明
if(LL_USART_IsActiveFlag_RXNE(USART1) == SET) 判断中断是否是非空中断，虽然在这里判不判断无所谓，因为只使能了这一个中断。但是使能了USART多种中断，都会进入该中断服务函数，所以多中断使能是一定要判断的。
LL_GPIO_TogglePin(LED0_GPIO_Port,LED0_Pin); 对IO口电平取反，就是每运行一个PF9电平就会变成对应状态，这里的宏都是cubemx配置时自己写的，具体说明在main.h中
uart1_read = LL_USART_ReceiveData8(USART1); 读取USART1的DR寄存器，也就是将收到的数据（该数据由上位机发送）读出来存到全局变量uart1_read中，读DR寄存器会自动清除该中断标志位，所以不用手动清除
LL_USART_TransmitData8(UART5,uart1_read); 将uart1_read的数据发送到UART5的DR寄存器，也就是将数据发送蓝牙，通过手机连接蓝牙接口就可以接收了。
在stm32f4xx_it.c起始处定义全局变量

/* USER CODE BEGIN Includes */
unsigned char uart1_read,BLE_read;
unsigned char uart1_NC = 0;
unsigned char BLE_NC = 0;
/* USER CODE END Includes */

注意：函数最后写到USER CODE BEGIN xx和USER CODE END xx之间，这样可以避免cubemx重新生成时被清除

3.mian函数编写

在while循环前加入下列函数

/* USER CODE BEGIN 2 */
	printf("启动蓝牙\r\n");
	LL_GPIO_SetOutputPin(LED0_GPIO_Port,LED0_Pin);
	LL_GPIO_SetOutputPin(LED1_GPIO_Port,LED1_Pin);
  /* USER CODE END 2 */

printf("启动蓝牙\r\n");重定义后，printf会发送字符到上位机
LL_GPIO_SetOutputPin(LED0_GPIO_Port,LED0_Pin);对PF9置高电平，灯低电平亮，这里“关灯”
while循环可以什么都不放，这样工程就好了，将工程下载到开发板，LL库是不是即操作便捷又逻辑清晰

4视频验证


蓝牙+串口通信验证


四、工程资料下载链接

链接：https://pan.baidu.com/s/1OYPmlCq3WiSYb1uonn8OIg?pwd=1234
提取码：1234

五、尾言

有几点这里要说明以下
1、中断服务函数尽量不要耗时过多，最好进去就出来。因为当有多个中断，中断之间互相抢断，如果在中断服务函数中处理数据，容易造成数据丢失，其次可以看出我这工程main中的while循环是一个空循环，浪费了CPU资源，最好是在中断服务函数里只写标志位，然后再while循环里if判断该标志位，再进行数据处理。这里之所以没这么写，担心操作过多，难以理解。
2、仔细的同学会发现每次发送数据是8bit，也就是一个字节，每发送一个字节就要进入中断一次。而一个汉字就占有两个字节，那么发送一句话就要频繁进入中断，这对CPU的消耗是很大的，不利于大工程运行。stm32提供了一种解决方式，那就是有DMA进行数据转移，关于DMA后面再讲。
最后，希望这篇文章对同学们能有所帮助，有错误纰漏之处，还请见谅（应该有些错别字，不影响阅读就好）。