单片机产品设计与调试-基于STM32F1xx机型和HAL库函数 课件 任务9.3 STM32单片机UART与计算机通信系统的设计与调试

单片机产品设计与制作

（stm32机型）石梅香项目9、利用UART实现LED灯控制任务9.3STM32UART与PC机通信系统设计与调试总目录1项目1、利用GPIO和位带操作实现温度报警

2项目2、利用SysTick实现温度报警与控制

3项目3、利用按键查询实现参数设定及显示

4项目4、利用外部中断实现工件计数显示

5项目5、利用定时器实现直流电动机PWM调速6项目6、利用计数器实现工件计数显示和打包控制

7项目7、利用DAC实现LED亮度控制8项目8、利用ADC实现土壤湿度采集

项目总目标项目总目标通过UART与UART通信、UART与PC机通信等工作任务，掌握UART通信电路与程序设计方法。具体包括：1、了解单片机串行通信基本概念，能够说出串行通信特点与分类；2、理解STM32F10x的UART结构组成与工作特性，能够对照结构框图说出其基本工作过程；3、掌握基于STM32F10xUART的电路设计方法，能进行基本独立设计与调试；4、掌握基于HAL库函数的STM32F10xUART编程方法，能独立编程实现；5、会查找相关资料、阅读相关文献。子目录9项目9、利用UART实现LED灯控制9.1任务9.1 认识STM32单片机的USART9.2任务9.2 两台STM32UART通信系统的设计与调试9.3任务9.3 STM32UART与PC机通信系统设计与调试任务9.3STM32UART与PC机通信系统设计与调试一、任务要求（一）总目标1、能完成STM32UART与PC机USB口通信电路的设计；2、能完成STM32UART与PC机COM口通信电路的设计；3、能利用HAL_UART_Transmit（）和HAL_UART_Receive（）函数编程实现STM32与PC机通信；4、能利用HAL_UART_Transmit_IT（）和HAL_UART_Receive_IT（）函数编程实现STM32与PC机通信；5、能利用getchar（）和printf（）函数编程实现STM32与PC机通信；6、能够查找相关资料，看懂数据手册。（二）具体任务描述PC机输入“1”： STM32点亮LED0，并向PC机发送“LED0已点亮”；PC机输入“2”： STM32熄灭LED0，并向PC机发送“LED0已熄灭”；PC机输入“3”： STM32点亮LED0~LED7，并向PC机发送“LED0~LED7已点亮”；PC机输入“4”： STM32熄灭LED0~LED7，并向PC机发送“LED0~LED7已熄灭”分组讨论实现STM32USART与PC机通信需要哪些设备，如何设计电路，并予以记录。在讨论基础上，阅读以下资料，按照指导步骤和相关信息完成系统方案设计和器件选型讨论与发言UART与PC机USB口连接电路设计1、认识USB接口方案设计

STM32

UART与PC机的USB口连接方案电路设计左侧为PC机的USB接口，右侧为STM32及LED电路，中间部分为USB/UART转换电路。电路测试（1）在开发板上找到USB串口模块和USB串口下载接口，如图9.3.5。（2）断电，电源指示灯熄灭。（3）用万用表测量STM32的PA9（Tx），应与CH340的3脚（RXD）相连。PA10（Rx）应与CH340的2脚（TXD）通过DV3相连。（4）用万用表测量CH340的5脚（D+）和6脚（D-），应分别与板上的USB串口下载接口的2号和3号引脚相连。（5）用USB线连接USB串口下载接口到电脑上。（6）按下电源开关，电源指示灯点亮。（7）测量CH340的VCC（16脚）电压应约为5V。UART与PC机COM口连接电路设计（1）认识COM口工控机、智能仪表、触摸屏、I/O板卡、I/O模块以及早期的PC机上常配有COM口即串口连接器，彼此间可通过COM口及连接电缆接在一起，如图9.3.6所示。COM口又分为RS-232、RS-422、RS-485等。这里我们学习RS-232。（2）RS-232通信接口的型式RS-232通信接口连接器有25针和9针两种，目前主要使用9针，也称DB9，如图9.3.7所示。分公头（male）和母头（female）两种，其尺寸、插针的排列位置有明确规定。UART与PC机COM口连接电路设计（3）RS-232接口定义表9.3.2

RS-232接口定义针号名称功能方向针号名称功能方向1DCD数据载波检出输入6DSR数据装置就绪输入2RXD接收数据输入7RTS请求发送输出3TXD发送数据输出8CTS允许发送输入4DTR数据终端就绪输出9RI振铃指示输入5GND信号地-

（4）RS-232信号电平之前学习的UART，采用TTL或CMOS电平，5V表示逻辑“1”，0V表示逻辑“0”。RS-232则不同，RS-232使用－15V表示逻辑“1”，+15V表示逻辑“0”，如表9.3.3所示。通信标准逻辑值标准电平电压范围5VTTL“1”5V2.4V～5V“0”0V0~0.5VRS-232“1”－15V－15V～－3V“0”+15V+3V～+15V表9.3.3

TTL电平和RS-232电平标准UART与PC机COM口连接电路设计（4）RS-232数据传送规则RS-232接口的数据传送规则与UART相同，如图9.3.8所示，二者只是电平标准有差异。方案设计STM32UART与PC机的COM（RS-232）口连接方案RS-232/UART转换芯片SP3232表9.3.4

SP3232引脚定义引脚名称功能引脚名称功能11T1IN第1路T（Transmit，发送）输入，TTL14TIOUT第1路T（Transmit，发送）输出，RS-23213R1IN第1路R（Receive，接收）输入，RS-23212R1OUT第1路R（Receive，接收）输出，TTL10T2IN第2路T（Transmit，发送）输入，TTL7T2OUT第2路T（Transmit，发送）输出，RS-2328R2IN第2路R（Receive，接收）输入，RS-2329R2OUT第2路R（Receive，接收）输出，TTL2V+电荷泵生成的+5.5V6V-电荷泵生成的-5.5V1C1+倍增电荷泵电容正极3C1-倍增电荷泵电容负极4C2+反相电荷泵电容正极5C2-反相电荷泵电容负极16VCC供电电源正极15GND供电电源负极电路设计电路设计（STM32UART3与PC机COM口连接）电路测试（1）如图9.3.12，在开发板上找到COM3模块和芯片SP3232。（2）用短路插将P232上的PB10和TX、PB11和RX连接在一起（朝向COM3F位置）。（3）给开发板上电，测量SP3232的VCC（16脚）电压应与板上3.3V供电电压相同。经过电荷泵的增压作用，V+（2脚）和V-（6脚）应分别得到+5.5V和-5.5V左右的电压。（4）将PB10接至电源引脚3.3，给PB10送TTL的“1”，应该在母头的TIOUT（2脚）得到RS-232电平的“1”，电压约为-5.5V。（5）将PB10接至电源引脚GND，给它送TTL的“0”，应该在母头的TIOUT（2脚）得到RS-232电平的“0”，电压约为+5.5V。（6）将母头3号引脚即RS-232的RX接至电源引脚3.3，给它送RS-232电平的“0”，应该在PB11引脚得到TTL电平“0”，电压约为0V。（7）将母头3号引脚即RS-232的RX接至电源引脚GND，给它送RS-232电平的“1”，应该在PB11引脚得到TTL的“1”，电压约3.3V。程序设计与调试1、程序文件布局与框架搭建（1）复制文件夹：09-01-两台STM32-UART-receive。（2）修改副本文件夹名为：09-02-PC-UART-LED-transmit和receive。

（3）打开文件夹，修改工程名为：PC-UART-LED，双击打开工程。程序设计与调试2、程序流程图程序设计与调试3、程序主程序（1）第8～16行：定义了9个字符串数组，用于存储STM32准备发给PC机的信息。（2）第25～29行：用库函数HAL_UART_Transmit（）向PC机发送信息。待发送字符分别在数组TX_str1～TX_str5里。由于数组名即代表数组所在存储区首地址，因此第2个参数TX_str1～TX_str5前可以不加地址操作符“&”（加了也不会错）。（3）第33行：用库函数HAL_UART_Receive（）接收PC机送入的命令。（4）第34～54行，根据输入命令控制LED，并向PC机回送信息。程序设计与调试5、STM32UART程序设计不变。注意必须将UART设置为收发模式。6、STM32LED程序设计不变。程序设计与调试7、调试程序（1）用ARM仿真器将开发板和计算机连到一起，以便进行程序下载与调试，（2）对以上程序进行编译生成无误后，将程序下载到开发板。（3）将开发板的“USB串口下载”接口和计算机连接在一起，以便使USART1能够与PC机进行通信。（4）打开计算机上的串口调试助手，找到串口，设置好参数，打开串口，如图9.3.15。（5）串口调试助手中应有命令提示信息显示。（6）如果显示字符不正确，可设置字符编码为：GB2312_GBK，即可支持中文。（7）输入命令例如“1”。（8）串口调试助手会报告“LED1已点亮”，观察开发板上LED1应点亮。（9）输入其它命令，串口调试助手显示内容以及开发板上LED状态，应与命令一致。程序设计与调试如何进行多字节数据发送/接收进一步认识UART查询库函数（1）查询方式查询方式是在数据发送/接收过程中，查询表9.1.4中的状态位。根据这些状态位的值决定下一步的操作。在进行数据发送时，可查询TXE位或TC位。（2）库函数HAL_UART_Transmit（）和HAL_UART_Receive（）的工作过程进一步认识UART查询库函数中断方式中断方式是在进行数据发送或接收时，允许表9.1.4所示的某个或某几个中断请求，例如允许RXNE中断。只要RXNE=1，无需查询，CPU会停止当前操作，自动进入UART中断程序，在UART中断服务程序中将RDR内的数据取走存到接收缓冲区对应单元，之后返回。在RXNE=0期间，CPU无需等待，可进行自己的事务处理。采用中断方式进行数据发送与接收使用的库函数是HAL_UART_Transmit_IT（）和HAL_UART_Receive_IT（）。我们先看一下如何利用它们实现本任务。最后再对这种方式加以总结。用库函数编程实现利用HAL_UART_Transmit_IT（）和HAL_UART_Receive_IT（）编程实现1、程序文件布局和框架搭建（1）复制文件夹：09-02-PC-UART-LED-transmit和receive。（2）修改副本文件夹名为：09-03-PC-UART-LED-transmit_IT和receive_IT，其他不变。（3）打开工程。2、PC机程序设计不编程。程序设计与调试stm32主程序（1）将所有的HAL_UART_Transmit（）替换为HAL_UART_Transmit_IT（），即将原来的查询方式发送改为中断方式发送。（2）将所有的HAL_UART_Receive（）替换为HAL_UART_Receive_IT（），即将原来的查询方式接收改为中断方式接收。注意HAL_UART_Transmit_IT（）和HAL_UART_Receive_IT（）的参数只有3个，没有超时时间。前三个参数分别指出用哪个UART，待发送/接收数据在哪里，长度是多少。HAL_UART_Transmit_IT（）和HAL_UART_Receive（）函数的功能解释如表9.3.5和9.3.6。每次发送后插入了100ms的延时，确保前一次发送结束再开始新的发送。（3）第7行：将变量RX_char定义为1个数组变量，长度=1。定义为数组变量的好处是可存储多个字节的数据，方便将来进行程序功能的扩展。当然本程序只需1个字节，因此也可以不修改，仍像以前一样将其定义为1个char型变量。（4）第33行：由于RX_char被定义为数组变量，数组的名字即代表了其首地址，因此库函数HAL_UART_Receive_IT（）的第二个参数RX_char前面的地址操作符“&”可以不写（5）第35行：对应第7行的变化，应修改为switch（RX_char[0]），对数组内的第0个元素的值进行判断。如果写成switch（RX_char），是对数组RX_char的地址进行判断，这显然不对。程序设计与调试uart程序UART中断库函数解读表9.3.5

UART发送中断开启库函数中断发送函数：

HAL_UART_Transmit_IT（&UART操作变量，&数据首地址，数据个数）函数原型：HAL_StatusTypeDef

HAL_UART_Transmit_IT（UART_HandleTypeDef

*huart，，uint8_t

*pData，

uint16_t

Size）功能：按照huart的设置，开启UART的TXE中断。指出发送数据的首地址pData，指出数据串长度Size。入口参数1：huart，是UART操作变量，数据类型为UART_HandleTypeDef，结构体变量。指出用哪个USART/UART发送。入口参数2：pData，发送数据缓冲区首地址，指针变量。入口参数3：size，发送缓冲区长度。返回值：HAL_StatusTypeDef，有四个取值：HAL_OK=0x00；

HAL_ERROR=0x01；

HAL_BUSY=0x02；

HAL_TIMEOUT=0x03表9.3.6

UART接收中断开启库函数中断接收函数：

HAL_UART_Receive_IT（&UART操作变量，&数据首地址，数据个数）函数原型：HAL_StatusTypeDef

HAL_UART_Receive_IT（UART_HandleTypeDef

*huart，，uint8_t

*pData，

uint16_t

Size）功能：按照huart的设置，开启UART的RXNE中断。指出接收数据的首地址pData，指出数据串长度Size。入口参数1：huart，是UART操作变量，数据类型为UART_HandleTypeDef，结构体变量。指出用哪个USART/UART接收。入口参数2：pData，接收数据缓冲区首地址，指针变量。入口参数3：size，接收缓冲区长度。返回值：HAL_StatusTypeDef，有四个取值：HAL_OK=0x00；

HAL_ERROR=0x01；

HAL_BUSY=0x02；

HAL_TIMEOUT=0x03UART中断库函数解读表9.3.7

UART中断处理函数中断入口函数名void

USART1_IRQHandler（void）、void

USART2_IRQHandler（void）、void

USART3_IRQHandler（void）、void

UART4_IRQHandler（void）、

void

UART5_IRQHandler（void）UART中断一般性处理函数：

HAL_UART_IRQHandler（&UART操作变量）函数原型：void

HAL_UART_IRQHandler（UART_HandleTypeDef

*huart）功能：判断是哪种类型的中断，根据中断类型的不同进行不同处理。1.

是TXE中断且TXE中断允许，则从数据区取1个数据送入TDR，并修改地址指针。如果最后一个数据已送入TDR，则禁止TXE中断，允许TC中断。2.

.是TC中断且TC中断允许，则隐性调用HAL_UART_TxCpltCallback（）。3.是RXNE中断且RXNE中断允许，则将RDR中的数据取走送数据区，并修改地址指针。如果数据全部接收完，则禁止接收中断，并隐性调用HAL_UART_RxCpltCallback（）.3.是错误中断，则判断是哪种错误、设置相应的错误代码，并隐性调用错误处理库函数HAL_UART_ErrorCpltCallback（）。例如是奇偶校验错误，则错误代码ErrorCode=HAL_UART_ERROR_PE。入口参数：huart，是U