01 前言

串口通讯对于任何开发板都是非常重要的，也是必学知识之一，通过串口通信可以实现上位机与下位机之间、开发板之间的通讯，可以让我们实时掌握机器人的各个关机的运动状态和传感器的信息。

现在的通信协议有很多，比如：UART、USART、CAN、SPI等等，它们功能不同，适用于不同的场合，USART作为单片机之间、下位机与上位机之间最常用的通讯方式之一，它对于数据的收发十分方便，应用日益广泛。

(资料图)

02 USART通信原理

USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)中文名叫：全双工通用同步/异步串行收发模块。

先对这个名字的各个部分进行解释：

在平时的工程项目中，我们常用的是全双工串行异步通信方式，虽然串行通信数据是一位一位的发送，但随着近几年科技的高速发展，串行通讯的速度已经逐渐赶超并行通讯了，而且串行通讯方式适用于远距离通讯，比较常用。

USART通讯的数据格式大致是这样：

起始位（0）+串行数据帧（从低位到高位传输）+停止位（1）

串行数据帧可以人为设置为8位或者9位，9位是8位数据加上1位校验位（奇偶校验）。

另外一个比较重要的概念是波特率，在任何通讯开始之前，通讯双方都要约定好波特率，波特率是每秒发送有效数据的位数（bit/s），双方如果没有约定好一致的波特率，在传输过程中则会出现乱码的情况。

在STM32中，有专门的数据寄存器和特定的引脚负责USART通讯，并配合有相应的标志位，用于帮我们判断数据是否发送/接收完毕，并且也有相关的库函数帮助我们对串口进行配置。

相关寄存器有：发送数据寄存器（TDR）、发送移位寄存器、接收数据寄存器（RDR）、接受移位寄存器。

相关标志位有：

TEX标志位：1：数据寄存器无数据；0：数据寄存器有数据TX标志位：1：发送完成；0：发送未完成RXNE标志位：1：数据接收完成，可以读出；0：数据未收到

具体知识在中文参考手册P517，大家可以详细查看

03 STM32与PC通讯

STM32与PC通讯需要进行一些配置，这里实现由PC端向STM32发送一个数据，STM32接收到后再发回到PC端，该实验需要用到串口调试助手。

STM32可以作为串口通讯的引脚大家可以通过数据手册进行查看，比如PA9（TX）和PA10（RX）

串口通讯一般都配合中断进行使用，下面讲解串口配置过程：

1.串口时钟、GPIO时钟使能 RCC_APB2PeriphClockCmd

2.GPIO端口模式配置 GPIO_Init

3.串口参数初始化 USART_Init

4.开启终端并初始化NVIC USART_ITConfig、NVIC_Init

5.使能串口 USART_Cmd 6.编写中断服务函数 USART1_IRQHandler

my_usart.c 代码如下：

void My_Usart1_Init(int bound){  /*1.串口时钟、GPIOA使能*/  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);  /*2.GPIO端口模式设置*/  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;  /*TX*/  GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = Usart1_TX;  GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);  /*RX*/  GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = Usart1_RX;  GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;  //GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);  /*3.串口参数初始化*/  USART_InitTypeDef USART_InitStruct;  USART_InitStruct.USART_BaudRate = bound;//波特率  USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//硬件流控制  USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Rx|USART_Mode_Tx;//USART模式  USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;//校验位  USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//终止位  USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//数据长度,如果有奇偶校验就设置为9位  USART_Init(USART1, &USART_InitStruct);  /*4.开启中断并初始化NVIC*/  USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//开中断，开启接受中断后，接收到数据则会进入中断服务函数  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;  NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;  NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;  NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 3;  NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;  NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);//初始化NVIC  /*5.使能串口*/  USART_Cmd(USART1, ENABLE);  /*6.编写中断服务函数*/}

进行如上配置后，当STM32接收到PC发送的信息就会进入中断服务函数，中断服务函数接收到数据后再进行发送。

中断服务函数代码：

void USART1_IRQHandler(void){  u16 RX_From_PC;  if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_RXNE) != RESET)  {    USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE);//清空中断标志位    RX_From_PC = USART_ReceiveByte(USART1);//接收PC端发来的消息    USART_SendByte(USART1,RX_From_PC);//将数据发回到PC端    //usartReceiveOneData(&TargetVelocity,&TargetVelocity,&RX_Cmd_Form_Ros);//接收ROS发来的消息  }}

在这里我们没有使用官方固件库中提供的收发函数 USART_ReceiveData 和 USART_SendData，而是使用了我自己对他们进行重写的函数，在其中加入了相关标志位的判断，这样可以保证收发过程中不会发生数据覆盖。

重写后的函数：

void USART_SendByte(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data){  /* Check the parameters*/  assert_param(IS_USART_ALL_PERIPH(USARTx));  assert_param(IS_USART_DATA(Data));   /* Transmit Data */  USARTx- >DR = (Data & (uint16_t)0x01FF);  while(USART_GetFlagStatus(USARTx,USART_FLAG_TXE)==RESET);}void USART_SendString(USART_TypeDef* USARTx,char* str){  while((*str) != "\\0")  {    USART_SendByte(USARTx, *str);    str++;  }  while(USART_GetFlagStatus(USARTx,USART_FLAG_TC)==RESET);}uint16_t USART_ReceiveByte(USART_TypeDef* USARTx){  /* Check the parameters */  assert_param(IS_USART_ALL_PERIPH(USARTx));  while(USART_GetFlagStatus(USARTx,USART_FLAG_RXNE)==RESET);  /* Receive Data */  return (uint16_t)(USARTx- >DR & (uint16_t)0x01FF);}

在主函数中进行相应的初始化，我们就可以通过串口助手与STM32进行通讯了。

另外，Keil5是没有终端的，但我们可以通过一些设置也使用printf函数，让数据收发更加方便，我们需要对fputs和fgets这两个函数进行重定向（其实只重定向fputs即可），需要在程序中加入如下代码：

/*重定向这两个函数*/int fputc(int ch,FILE *f){  while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) == RESET);  USART_SendData(USART1,(uint8_t) ch);  return ch;}int fgetc(FILE *f){  while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_RXNE) == RESET);  return (int)USART_ReceiveData(USART1);}

printf函数使用的是半主机工作模式，需要使用微控制器，需要进行如下配置：

这玩意功能少一些，如果不想用，则需要在程序中再加入以下代码，这是printf函数的底层程序：

#pragma import(__use_no_semihosting)struct __FILE{  int handle;};FILE __stdout;_sys_exit(int x){  x = x;}

编译后，我们就可以与PC端进行愉快的通讯了！

04 STM32与HC-06通讯

STM32与HC-06的通讯与PC端的通讯类似，知识接线方式的不同而已，只需要进行如下正确的接线，即可完成顺利地通讯。

这里要注意的是，给HC-06供电时，需要提供3.6V-6V的电压；另外，要注意看一下STM32的引脚输出电压是多少，HC-06的输入输出电压都是3.3V，比如像Arduino的输出电压为5V，这时单片机的TX在接HC-06的RX时需要分压！

05 STM32与ROS通讯

STM32与ROS通讯时，需要定义一个协议，以保证数据传输的可靠性，这个协议是STM32与ROS通讯时最广泛使用的协议，协议格式如下：

数据头55aa + 控制命令 + 数据字节数size + 数据 + 校验crc8 + 数据尾0d0a

在通讯时，我们只要对接收到的信息进行解码，即可获得有效数据信息，比如：设定的速度值、航向角等，保证了数据收发的可靠性。

先定义相关的变量：

//数据接收暂存区unsigned char  receiveBuff[Message_Length-4] = {0};         //通信协议常量const unsigned char header[2]  = {0x55, 0xaa};const unsigned char ender[2]   = {0x0d, 0x0a};//发送数据（左轮速、右轮速、角度）共用体（-32767 - +32768）union sendData{  float d;  char data[4];}leftVelNow,rightVelNow,angleNow;//左右轮速控制速度共用体union receiveData{  float d;  char data[4];}leftVelSet,rightVelSet;

接收信息函数：

int usartReceiveOneData(float *p_leftSpeedSet,float *p_rightSpeedSet,unsigned char *p_crtlFlag){  unsigned char USART_Receiver              = 0;          //接收数据  static unsigned char checkSum             = 0;  static unsigned char USARTBufferIndex     = 0;  static short j=0,k=0;  static unsigned char USARTReceiverFront   = 0;  static unsigned char Start_Flag           = START;      //一帧数据传送开始标志位  static short dataLength                   = 0;  USART_Receiver = USART_ReceiveByte(USART1);  //接收消息头  if(Start_Flag == START)  {    if(USART_Receiver == 0xaa)                             //buf[1]    {        if(USARTReceiverFront == 0x55)        //数据头两位 //buf[0]      {        Start_Flag = !START;              //收到数据头，开始接收数据        //printf("header ok\\n");        receiveBuff[0]=header[0];         //buf[0]        receiveBuff[1]=header[1];         //buf[1]        USARTBufferIndex = 0;             //缓冲区初始化        checkSum = 0x00;          //校验和初始化      }    }    else     {      USARTReceiverFront = USART_Receiver;      }  }  else    {     switch(USARTBufferIndex)    {      case 0://接收控制指令        receiveBuff[2] = USART_Receiver;        *p_crtlFlag = receiveBuff[2];        //buf[2]        USARTBufferIndex++;      case 1://接收左右轮速度数据的长度        receiveBuff[3] = USART_Receiver;        dataLength     = receiveBuff[3];            //buf[3]        USARTBufferIndex++;        break;              case 2://接收所有数据，并赋值处理         receiveBuff[j + 4] = USART_Receiver;        //buf[4] - buf[11]                  j++;        if(j >= dataLength)                                 {          j = 0;          USARTBufferIndex++;        }        break;      case 3://接收校验值信息        receiveBuff[4 + dataLength] = USART_Receiver;        checkSum = getCrc8(receiveBuff, 4 + dataLength);          // 检查信息校验值        if (checkSum != receiveBuff[4 + dataLength]) //buf[12]        {          printf("Received data check sum error!");          return 0;        }        USARTBufferIndex++;        break;      case 4://接收信息尾        if(k==0)        {          //数据0d     buf[13]  无需判断          k++;        }        else if (k==1)        {          //数据0a     buf[14] 无需判断          //进行速度赋值操作                     for(k = 0; k < 4; k++)          {            leftVelSet.data[k]  = receiveBuff[k + 4]; //buf[4] - buf[7]            rightVelSet.data[k] = receiveBuff[k + 8]; //buf[8] - buf[11]          }                  //速度赋值操作          sscanf(leftVelSet.data,"%f",&(*p_leftSpeedSet));          sscanf(leftVelSet.data,"%f",&(*p_rightSpeedSet));          //-----------------------------------------------------------------          //完成一个数据包的接收，相关变量清零，等待下一字节数据          USARTBufferIndex   = 0;          USARTReceiverFront = 0;          Start_Flag         = START;          checkSum           = 0;          dataLength         = 0;          j = 0;          k = 0;          //-----------------------------------------------------------------                  }        break;       default:break;    }      }  return 0;}

发送信息函数：

void usartSendData(float leftVel, float rightVel,float angle,unsigned char ctrlFlag){  // 协议数据缓存数组  unsigned char buf[Message_Length] = {0};  int i, length = 0;  // 计算左右轮期望速度  leftVelNow.d  = leftVel;  rightVelNow.d = rightVel;  angleNow.d    = angle;  // 设置消息头  for(i = 0; i < 2; i++)    buf[i] = header[i];                      // buf[0] buf[1]  //设置命令位  buf[2] = ctrlFlag;               // buf[2]  //设置数据长度  length = 3 * sizeof(float);  buf[3] = length;               // buf[3]  // 设置机器人左右轮速度、角度  for(i = 0; i < 4; i++)  {    buf[i + 4] = leftVelNow.data[i];         // buf[4] buf[5] buf[6] buf[7]    buf[i + 8] = rightVelNow.data[i];        // buf[8] buf[9] buf[10] buf[11]    buf[i + 12] = angleNow.data[i];           // buf[12] buf[13] buf[14] buf[15]  }  // 设置校验值、消息尾  buf[Message_Length - 3] = getCrc8(buf, 4 + length);  // buf[16]  buf[Message_Length - 2] = ender[0];              // buf[17]  buf[Message_Length - 1] = ender[1];              // buf[18]  //发送字符串数据  USART_Send_String(buf,sizeof(buf));}

循环冗余校验：

unsigned char getCrc8(unsigned char *ptr, unsigned short len){  unsigned char crc;  unsigned char i;  crc = 0;  while(len--)  {    crc ^= *ptr++;    for(i = 0; i < 8; i++)    {      if(crc&0x01)                crc=(crc >>1)^0x8C;      else                 crc > >= 1;    }  }  return crc;}

然后我们只要在中断服务函数中调用收发信息函数，即可实现与ROS的通讯。

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