手势点灯任务二：利用python串口通信点灯

任务二：串口通信

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一、stm32串⼝通信理论部分

1、通信协议大总结

• 串口通信即为其中一种，其可以实现两个设备间的互相通信
• 串口通信实现了各硬件模块的互相通信

2、串口通信硬件电路连接

其中：

• GND接地（严格意义上讲也是GND数据线，传输数据依靠的是电平差）
• VCC用于供电，若是两个设备均有单独供电，则不需要接这根线； 若需要供电，还要注意子系统的供电需求
• TX与RX要交叉接（很好理解）
• 若只需单工通讯，只接一根数据线即可
• 若电平标准不一致，需要加装电平转换芯片

附：串口常用的电平标准

• TTL电平：+3.3V或+5V表示1，0V表示0（一般用于单片机等小型设备）
  TX对地为3.3V，则为逻辑1；对地为0V，则为逻辑0
• RS232电平：-3 ~ -15V表示1，+3 ~ +15V表示0（用于大型设备，所需电压高）
• RS485电平：两线压差+2 ~ +6V表示1，-2 ~ -6V表示0（差分信号）（抗干扰能力强）

3、串口软件部分（串口时序、参数）

（1）串口参数

• 数据帧：每个字节的存放地，由起始位、数据位和停止位组成
  数据位有8个代表一个字节的8位（还可能在最后有一个奇偶校验位）

• 波特率：串口通信的速率（两个设备协调的统一通信速率）

• 起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平（空闲状态为高电平，起始位产生下降沿，来告诉设备要开始发送数据了）

• 停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平（为下一个起始位做准备，切换到高电平空闲状态）

• 数据位：数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平，低位先行

• 比如：发送一个字节为0x0F，首先转化为二进制0000 1111，再低位先行：依次传入1111 000，可将整个过程理解为蛇进洞

• 校验位：根据数据位计算得来，用于判断数据传输是否出错，出错可选择丢弃或者重传

  • 奇校验：发送方发送数据后，包括校验位在内的9个数据位会出现奇数个1

      原为0000 1111，则校验位补1，使1的个数为奇数
      原为0000 1110，则校验位补0，使1的个数为偶数
    1
    2

    接收方接收数据后，验证数据位和校验位中1的个数

  • 偶校验类似（保证1个数为偶数）

  • CRC校验法（循环冗余校验码）（网上查过，看不懂一点。。。）

（2）串口收发时序

开端位->数据位->校验位->中止位

• 开端位，为一位逻辑0；
• 数据位，可设为5-8位，由低位开端逐位发送；
• 奇偶校验位，为一位，能够省掉；
• 中止位，能够挑选1，1.5或2位，为逻辑1；
• 闲暇时刻为逻辑1
  

二、学习并驱动stm32串口外设，实现串口发送和接受

1、USART简介

• 很少在该串口中使用同步功能，故基本上与UART差不多

  同步功能多了一个时钟输出而已，甚至不支持时钟输入。。（不支持两个USART之间的同步通信）

• 可以看作为两部分：接受和发送

  • 将数据寄存器中的一个字节的数据自动生成数据帧时序，从TX引脚发送出去
  • 自动从RX引脚接收数据帧时序拼接成一个字节数据，存放于数据寄存器

• 自带波特率发生器最高达4.5Mbits/s（最常用：9600,115200）

• 可配置数据位（8，常用/9）和停止位长度（0.5/1，常用/1.5/2）

• 可选校验位（无校验、常用/奇校验/偶校验）

• 持同步模式、硬件流控制（控制数据流量）、DMA、智能卡、IrDA（红外通信）、LIN（后三者属于其他协议）

• stm32F103C8T6上共有3根USART的挂载线

2、USART结构

(1)串口数据的收发过程

• 发送（TDR）/接收（RDR）数据寄存器：只读或只写
• 发送移位寄存器：把字节的数据一位一位地移出去
  在发送移位寄存器中，要先等未发送的字节全部发送完毕，才能继续接入数据寄存器中的字节
• 接收移位寄存器：一位一位接收，全部接收完成后一起进入数据寄存器中（也就是发送的逆过程，比较好理解）

（2）串口的控制系统

• 发送器控制、接收器控制（顾名思义，很好理解）

• 硬件流控管脚：控制数据流流入速率（一般不用）

  • nRTS：请求发送，为输出脚，接到对面的nCTS（告诉别人我能不能收）
  • nCTS：清除发送，是输入脚，接到外部设备的RTS用于接收别人nRTS的信号（查看别人是否可以接收）

• 时钟引脚SCLK：产生同步的时钟信号，配合发送移位寄存器（一般不用）
  发送寄存器每移位一次，同步时钟电平就跳变一个周期

• 唤醒单元：实现串口挂载多设备（一般不用）
  在USART地址处给串口分配一个地址
  当发送指定地址时此设备唤醒开始工作；
  当发送别的设备地址时别的设备工作，没收到地址的设备不唤醒保持沉默

• 中断（输出）控制：TXE（发送寄存器空）和RXNE（接收寄存器非空）较重要
  用于判断发送、接收状态的必要标志位

（3）波特率发生器

• 波特率发生器其实就是分频器

• USART1挂载在APB2上（72MHz），其他的USART都挂载在APB1上（36MHz）

3、USART对应引脚

4、一些细节问题

（1）数据帧

• 8位字长也可以设置有无校验位，一般为了发送完整字节都选择无校验。9位字长常选择有校验
• 可配置停止位长度为0.5，1，1.5，2四种，本质是时长不同，一般选择1位

（2）输入数据策略

• 起始位侦测：
  输入电路对采样时钟进行了细分，会以波特率的16倍频率进行采样，即在1位的时间里进行16次采样
• 数据采样
  
  由于起始位侦测已经对齐了采样时钟，所以这里就直接在第8、9、10次采样数据位(为了保证数据可靠性连续采样3次)

5、串口的发送

（1）初始化流程

• 开启时钟：将USART和GPIO的时钟打开
• GPIO初始化：TX配置为复用输出，RX配置为输入
• 配置USART：直接使用一个结构体，即可配置所有参数
• 只发送：开启USART即可
  还要接收的话：可能还要配置中断，需要在开启USART之前，再加上ITConfig和NVIC的代码

（2）认识库函数

USART使用函数

USART_DeInit(USARTx);
//将USART寄存器重置为默认值
    
USART_Init(USARTx,&USART_InitStruct);
//根据结构体的参数配置来对USARTx外设进行初始化

USART_StructInit(USART_InitStruct);
//将USART_InitStructure结构体初始化

USART_ClockInit(USARTx, USART_ClockInitStruct)
void USART_ClockStructInit(USART_ClockInitStruct)
//用于时钟输出(不常用)
    
USART_Cmd(USARTx, NewState)
//使能或者失能USART外设
//eg:USART_Cmd(USART1 , ENABLE)

USART_ITConfig(USARTx,USART_IT,NewState)
//配置指定的USART中断
//eg:USART_ITConfig(USART1 , USART_IT_RXNE , ENABLE)

USART_DMACmd(USARTx,USART_DMAReq, NewState)
//使能或者失能USART的DMA请求
//eg:USART_DMACmd(USART1 , USART_DMAReq_Tx , ENABLE)

USART_SendData(USARTx, uint16_t Data)
//通过USARTx外设传输单个字节数据
uint16_t USART_ReceiveData(USARTx)
//返回由USARTx外设接收的最新数据
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USART结构体初始化函数

USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;//波特率
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//流控
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;//串口模式
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//校验位（ODD奇校验，EVEN偶校验）
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//停止位
USART_InitStructure.USART_WordLength=USART_WordLength_8b;//字长
	    
USART_Init(USART1,&USART_InitStructure);
USART_Cmd(USART1,ENABLE);
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发送函数的书写

void Serial_SendByte(uint8_t Byte){
	USART_SendData(USART1, Byte);
    //将Byte变量写入TDR
        
    //需要等待数据进入移位寄存器，所以需要等待一下标志位置1
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
	//即等待发送数据寄存器空标志位变为SET（置1后）
	//此时也不需要手动清零标志位，下一次SendData时会自动清零
    }
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（3）代码书写注意

• USART1是APB2的外设，其他都是APB1的(APB2性能高于APB1)
• TX引脚是USART外设控制的输出脚，应选用复用推挽输出模式
  RX引脚是USART外设数据输入脚，应选择输入模式（一般浮空或上拉）

（4）不同数据模式

• HEX模式/十六进制模式/二进制模式：以原始数据形式显示（显示一个个十六进制数）
• 文本模式/字符模式：显示数据编码后的形式
  eg：发送0x41，HEX模式显示41，文本模式显示为A（ASCII码）

先实现下发送吧。。。

（这里的发送案例是发送单个字节）

• serial.c
  
• main.c
  
  接上（库函数认识）

（5）发送数组

void Serial_SendArray(uint8_t Array[], uint16_t Length){
	uint16_t i;
	for (i = 0; i < Length ; i ++){
		Serial_SendByte(Array[i]);
	}
}
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（6）发送字符串

void Serial_SendString(char String[]){
	uint8_t i;
	for (i = 0; String[i] != 0;i++){
		Serial_SendByte(String[i]);
	}
}
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（7）发送一个数字

void Serial_SendNumber(uint32_t Number,uint8_t Length){
	uint8_t i;
	for (i = 0 ; i < Length ; i++){
		Serial_SendByte(Number / SerialPow(10,Length - i - 1) % 10 + '0');
	}
}
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（8）对printf()函数重定向

int fputc(int ch, FILE *f){
	Serial_SendByte(ch);
	return ch;
}
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（9）对sprintf()函数的封装

void Serial_Printf(char *format, ...){
	char String[100];
	va_list arg;//定义一个参数列表变量
	va_start(arg, format);//从format位置开始接受参数表，放在arg中
	vsprintf(String, format, arg);//打印位置String，格式化字符串format，参数列表arg
	va_end(arg);//释放参数表
	Serial_SendString(String);//把String发送出去
}
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6、串口的接收

（1）利用查询接收数据

• 流程：主函数中不断查询标志位（若置1，则说明收到数据）->调用recievedata读取DR即可
• 这里我还是将函数进行了封装

void Serial_RecieveByte(uint8_t Byte){	
	if (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == SET){
		Byte = USART_ReceiveData(USART1);
		OLED_ShowHexNum(1, 1, Byte, 2);
	}
}
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（2）利用中断接收数据

（这里博主还没学，因为这个小项目暂时用不到）

三、学习python串口通信，⽤python实现串口发送和接受

1、为了使程序更简洁，我写了一个PC13.c和PC13.h方便函数调用

• 这里参照的是LED.c和LED.h进行的书写，通过书写可进一步熟悉相关函数的调用
  

2、主函数的书写及遇到的问题

• 关于不用中断读取DR中的值：使用输入寄存器标志位判断
• 由USART_RecieveData()函数读取的值是ASK码，因此判断时应当使用0/1/2对应的ASK码作为依据
• 注意OLED相关函数输出的进制数
  

3、利用python作为串口助手进行收发

• 关于python的串口通信可以参照 Python应用开发——串口通信

• 链接里有源码哦

• 串口发送
  

• 串口接收
  

• 剩下的就很简单啦，于是乎就有了：
  

芜湖！！任务二也完成辣！是不是很开心呢┗( ▔, ▔ )┛

接下来登场的是手势识别数字，期待与你的再次相遇！

特别声明：以上的图片部分来自于网络，感谢CSDN、知乎等平台上各位博主的分享，本文用作交流学习予以引用，在此一并表示感谢！