黃克亞，余 雷，李曉旭

（蘇州大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215131）

通用同步異步收發(fā)器（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，USART），簡稱串口，為與使用工業(yè)標準NRZ 異步串行數(shù)據(jù)格式的外部設(shè)備之間進行全雙工數(shù)據(jù)交換提供了一種靈活的方法。萬物互聯(lián)使世界更加精彩，在有線數(shù)據(jù)通信中，串口無疑是一個理想選擇，其簡單高效、靈活可靠，普遍存在于各主從設(shè)備當(dāng)中。串口通信是嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的重點和難點，需要理解其通信原理，但更重要的是在實踐中掌握其應(yīng)用方法，因此好的教學(xué)實驗設(shè)計尤為重要。串口通信實驗可以是微控制器之間、微控制器與外部設(shè)備、微控制器與上位機之間的數(shù)據(jù)交換。由于嵌入式開發(fā)都需要在PC 機上編譯應(yīng)用程序，所以大部分的串口通信項目實例都是基于微控制器和PC 機的，本設(shè)計也不例外。但是傳統(tǒng)的串口實驗往往較為簡單，不具備工程實踐意義，如PC 機向微控制器發(fā)送單個數(shù)據(jù)，微控制器收到后加1 回傳；只關(guān)注通信一方，即微控制器端，PC 端借助專用調(diào)試軟件，如串口調(diào)試助手，不能幫助學(xué)生很好地理解通信雙方數(shù)據(jù)傳輸要求。為克服上述實驗設(shè)計中的不足，本文設(shè)計STM32 與PC 機USART 串口通信教學(xué)實驗。

1 USART 串口通信原理

實驗設(shè)計微控制器選擇的是STM32F103ZET6 芯片，其為SM32F1 系列大容量產(chǎn)品，外設(shè)資源豐富。實驗電路串口選擇USART1，工作于串行、異步、全雙工制式。如果需要連接2 個具有USART 接口的設(shè)備，則每個設(shè)備至少通過3 個引腳與其他設(shè)備連接在一起，分別為接收數(shù)據(jù)輸入（RxD）、發(fā)送數(shù)據(jù)輸出（TxD）、2 個設(shè)備之間的共地信號（GND），其連接方式如圖1 所示。需要注意的是，2 個USART 設(shè)備的TxD 和RxD 必須是交叉相連的。

圖1 兩個USART 設(shè)備之間的互連

USART 異步通信數(shù)據(jù)傳送按幀傳輸，一幀數(shù)據(jù)包含起始位、數(shù)據(jù)位、校驗位和停止位。最常見的幀格式由1 個起始位、8 個數(shù)據(jù)位、1 個校驗位和1 個停止位組成，幀與幀之間可以有空閑位。起始位約定為0，停止位和空閑位約定為1，典型通信時序如圖2 所示。發(fā)送和接收由一共用的波特率發(fā)生器驅(qū)動，當(dāng)發(fā)送器和接收器的使能位分別置位時，分別為其產(chǎn)生時鐘。

圖2 USART 異步通信時序圖

2 串口通信硬件設(shè)計

USART 采用的電平標準決定了它的通信距離較短，一般僅限于板級通信，早期微型計算機均配有RS 232 串口，其與微控制器的USART 相連需要配一個電平轉(zhuǎn)換芯片，如MAX232。現(xiàn)在無論是筆記本還是臺式計算機均很難找到串口，取而代之的是USB 接口的普遍使用，同時USB 接口還可以提供穩(wěn)定的5 V 電源，所以本實驗設(shè)計的MCU（微控制器）和PC 機串行通信是通過PC 機USB 口轉(zhuǎn)換成串口完成的。

圖3 所示為開發(fā)板串口通信電路，其核心為CH340G 芯片。該芯片為一個USB 總線的轉(zhuǎn)接芯片，實現(xiàn)了USB 轉(zhuǎn)串口或者USB 轉(zhuǎn)打印口。在串口方式下，CH340G 提供常用的MODEM 聯(lián)絡(luò)信號，用于為計算機擴展異步串口，或者將普通的串口設(shè)備直接升級到USB總線。通過該電路即可將PC 機的USB 口轉(zhuǎn)換為串行接口并分配端口號，PC 機通信軟件通過這一虛擬串口即可 實 現(xiàn) 數(shù) 據(jù) 透 明 傳 輸。圖3 中USART1_RxD 和USART1_TxD 分別連接微控制器串口1 的數(shù)據(jù)接收引腳和數(shù)據(jù)發(fā)送引腳。三極管Q和Q可根據(jù)聯(lián)絡(luò)信號實現(xiàn)微控制器在下載、復(fù)位、運行狀態(tài)之間的自由切換，用戶體驗非常好。

圖3 開發(fā)板串口通信電路

開發(fā)板串口通信電路既構(gòu)建了MCU 和PC 機串行數(shù)據(jù)通道，又可以為開發(fā)板提供系統(tǒng)電源，還可以將嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺生成的目標程序下載到微控制器的運行存儲器當(dāng)中，具有在線編程（ISP）功能。電路集電源供電、串口通信、ISP 下載功能于一身，在開發(fā)板設(shè)計當(dāng)中獲得廣泛的應(yīng)用。

3 串口通信軟件設(shè)計

本實驗軟件設(shè)計包括兩部分程序:微控制器串口收發(fā)程序和上位機串口收發(fā)程序。兩部分程序運行于不同終端，分開設(shè)計；但相互關(guān)聯(lián)，需要綜合設(shè)計，才能協(xié)同工作。首先就需要對通信數(shù)據(jù)格式、內(nèi)容和長度等進行約定，對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)分層的頂層，屬于應(yīng)用層協(xié)議。

3.1 應(yīng)用層通信協(xié)議

實驗實現(xiàn)如下功能：STM32 微控制器通過串口和上位機建立通信連接，上位機獲取本機時間，并通過串口發(fā)送給STM32 微控制器；微控制器在收到上位機發(fā)送過來的一組數(shù)據(jù)后，提取出時、分和秒的數(shù)值，顯示于數(shù)碼管上，并將收到的數(shù)據(jù)個數(shù)發(fā)送至上位機。為了使通信雙方能夠理解收發(fā)數(shù)據(jù)的含義，常見的數(shù)據(jù)通信約定方法有：

1）依數(shù)據(jù)發(fā)送順序確定數(shù)據(jù)性質(zhì)，在本例中上位機將時、分、秒依次向微控制器發(fā)送，微控制器收到的數(shù)據(jù)3個為一組，每組數(shù)中第一個數(shù)據(jù)為小時數(shù)值，第二個數(shù)據(jù)為分數(shù)值，第三個數(shù)據(jù)為秒數(shù)值。該方法簡單易懂、容易實現(xiàn)，無額外開銷，但是發(fā)送和接收數(shù)據(jù)數(shù)量和順序嚴格定義，若由于干擾出現(xiàn)“丟幀”現(xiàn)象，數(shù)據(jù)將會完全混亂。

2）在發(fā)送數(shù)據(jù)前加一個或多個字節(jié)的前導(dǎo)說明符，例如時數(shù)據(jù)前加一個“H”控制符，組成兩個字節(jié)數(shù)據(jù)一起發(fā)送，該方法數(shù)據(jù)發(fā)送和接收無順序限制，“丟幀”不影響數(shù)據(jù)繼續(xù)傳輸，但實現(xiàn)難度有所增加，帶來部分額外數(shù)據(jù)開銷。

考慮到上述兩種數(shù)據(jù)約定方法均存在一定的不足，結(jié)合項目實際情況，即本項目傳輸數(shù)據(jù)時、分、秒的最大數(shù)值范圍為0～59，可以使用6 位二進制表示，傳輸數(shù)據(jù)性質(zhì)共有3 種情況，可以使用2 位二進制表示，將上述兩部分數(shù)據(jù)合在一起正好是一個字節(jié)，作為一幀數(shù)據(jù)在串口通信鏈路上傳輸，每幀數(shù)據(jù)位定義及格式如圖4所示。

圖4 串口通信數(shù)據(jù)幀格式

三種數(shù)據(jù)通信協(xié)議特點及性能對比如表1 所示。由表1 可以看出，本實驗設(shè)計所采用的控制位和數(shù)據(jù)位單字節(jié)組合數(shù)據(jù)幀通信格式具有簡潔、高效、靈活等眾多優(yōu)越性能，是本實驗設(shè)計的創(chuàng)新點之一。

表1 通信協(xié)議特點及性能對比

3.2 MCU 端程序設(shè)計

微控制器端串口通信程序是采用基于中斷的前后臺模式，沒有數(shù)據(jù)通信請求運行主程序，本實驗主程序是數(shù)字電子鐘，當(dāng)有串口數(shù)據(jù)請求時，即串口接收中斷發(fā)生，CPU 進入中斷服務(wù)程序，處理串口中斷。該模式在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域比較普遍，有利于提高CPU 執(zhí)行效率，并可將通信程序集成到其他模塊當(dāng)中。

3.2.1 主程序設(shè)計

主程序設(shè)計包括串口初始化和數(shù)碼管動態(tài)顯示程序兩部分。本實驗串口選用的是USART1，其操作步驟如下：

1）打開GPIOA 和USART1 的時鐘使能。

2）設(shè)置串口的I/O 口模式，要使用STM32 的USART1 必需要將其TxD（PA9）初始化為復(fù)用推挽輸出，將其RxD（PA10）初始化為浮空輸入。

3）初始化USART，通信雙方約定采用“96 N 8 1”，無硬件流控制格式，其參考程序如下：

4）開串口接收中斷，并設(shè)置NVIC 參數(shù)。

3.2.2 中斷服務(wù)程序設(shè)計

完成串口初始化程序之后，主程序即進入數(shù)碼管動態(tài)顯示時間的無限循環(huán)程序當(dāng)中。在主程序執(zhí)行過程中，若串口接收到數(shù)據(jù)，CPU 響應(yīng)串口接收中斷，運行中斷服務(wù)程序，接收上位機傳來的時間數(shù)據(jù)，完成全局變量更新，并返回數(shù)碼管顯示，完成一次數(shù)據(jù)通信。

中斷服務(wù)參考程序如下：

為了實現(xiàn)數(shù)字電子鐘計時和設(shè)定功能，定時器秒中斷和按鍵外部中斷正常執(zhí)行，在此不再贅述。

3.3 PC 端程序設(shè)計

因為是串口通信程序設(shè)計，所以除了編寫微控制器端程序外，還需要編寫上位機控制程序。上位機程序是在個人計算機上編寫的，其開發(fā)方法和使用平臺形式各異，本文采用Visual Basic 6.0 進行串口程序設(shè)計，其他開發(fā)平臺也是類似的。

首先在VB6.0 軟件中新建一個窗體，并添加相應(yīng)控件，創(chuàng)建完成界面如圖5 所示。

圖5 串口通信窗體創(chuàng)建界面

與本項目有關(guān)的控件主要有：窗體Form1，文本框數(shù)組Text1（0）～Text1（4），狀態(tài)指示圖標shpCOM，組合列表框cboPort，串口狀態(tài)標簽cmdOpenCom，當(dāng)前時間標簽Label13，退出按鈕Command2，發(fā)送時間按鈕Command3，定時器Timer1，串口通信控件MSComm1 等。

上位機通信程序主要包括窗體載入、定時器中斷、發(fā)送時間、串口接收等。

1）窗體載入程序。窗體載入程序主要是尋找可用串口，并對有效串口進行初始化。尋找有效串口的方法是試圖打開一個串口，若成功則有效，否則尋找下一個串口。串口初始化包括設(shè)置通信格式、數(shù)據(jù)位數(shù)、事件產(chǎn)生方法等。特別注意的是，需要將串口控件DTREnable 和RTSEnable 兩個屬性值設(shè)為False，否則系統(tǒng)會強制復(fù)位。

2）定時器中斷程序。定時器設(shè)置為每秒中斷一次，每次中斷都將系統(tǒng)當(dāng)前時間更新到時間顯示標簽上。

3）發(fā)送時間程序。串口通信以二進制格式進行時，發(fā)送數(shù)據(jù)必須為數(shù)組形式，所以串口發(fā)送時間首先需要將時間的時、分、秒數(shù)值分別發(fā)送到數(shù)組的三個元素當(dāng)中，然后調(diào)用串口發(fā)送方法發(fā)送即可。

4）串口接收程序。串口接收程序首先判斷事件類型，如果是一個串口接收事件，則接收一個數(shù)據(jù)數(shù)組，然后將數(shù)據(jù)數(shù)組轉(zhuǎn)換成字符串，并顯示在相應(yīng)的文本框中。

4 串口通信調(diào)試

本實驗的目標為將PC 機時間與網(wǎng)絡(luò)同步，利用串口將本機時間發(fā)送至微控制器，微控制器將接收到的時間動態(tài)顯示于數(shù)碼管上。本文實驗可提供一種精確、快捷的時間設(shè)定方法，具有較強的工程實踐意義，而且實驗中使用的USART1 是微控制器下載程序通信接口，沒有增加任何硬件成本。

4.1 PC 機時間網(wǎng)絡(luò)同步

單擊Windows 桌面任務(wù)欄日期時間顯示區(qū)域，選擇更改日期和時間設(shè)置選項，打開日期和時間對話框，在對話框中單擊Internet 時間選項框，并進一步單擊更改設(shè)置按鈕，打開Internet 時間設(shè)置對話框，勾選“與Internet 時間服務(wù)器同步”復(fù)選框，并單擊確定。至此，PC 機系統(tǒng)時間網(wǎng)絡(luò)同步已經(jīng)完成。當(dāng)然，如果不選擇網(wǎng)絡(luò)時間同步也是可以的，只是此時個人計算機的系統(tǒng)時間設(shè)置可能不精確。

4.2 MCU 與PC 機通信

上位機開發(fā)的通信程序可以生成可執(zhí)行文件“單片機與PC 機通信.exe”，具體的文件名和工程名有關(guān)，并且可以修改，生成的可執(zhí)行文件可以獨立運行。

打開開發(fā)板電源，下載串口通信程序，并復(fù)位運行。在PC 機上雙擊運行“單片機與PC 機通信.exe”程序，并單擊“發(fā)送時間”按鈕，上位機系統(tǒng)時間數(shù)值就會發(fā)送到單片機，并顯示于數(shù)碼管上，單片機同時將收到數(shù)據(jù)的個數(shù)回傳至PC 機，并顯示于軟件窗體的文本框當(dāng)中。其操作界面如圖6 所示。

圖6 串口通信測試圖

4.3 串口通信控件注冊

在很多串口通信軟件中都會用到串口通信控件mscomm32.ocx，本文編寫的上位機通信軟件也不例外，該控件在有些WIN7 或WIN10 系統(tǒng)中沒有注冊，運行時會提示找不到控件、錯誤，此時需要對控件進行注冊。具體步驟如下：

1）百度搜索或到微軟官網(wǎng)下載mscomm32.ocx。

2）將控件放到相應(yīng)文件夾內(nèi)，32 位系統(tǒng)路徑為“C：Windows System32”；64 位 系 統(tǒng) 路 徑 為“C：WindowsSyswow64”。

3）然后在對應(yīng)目錄下找到cmd.exe 文件，單擊鼠標右鍵，以管理員身份運行（關(guān)鍵），在命令窗口輸入regsvr32 mscomm32.ocx。

經(jīng)過以上3 步即可完成控件注冊。

4.4 串口助手調(diào)試

對于很多同學(xué)來說，可能沒有掌握一門可視化編程語言，則解決這一問題較好的方法是使用串口調(diào)試助手。需要說明的是各種版本串口調(diào)試助手略有差別，但大同小異，可以舉一反三。

具體調(diào)試步驟如下：

1）打開開發(fā)板電源，運行微控制器程序。

2）運行串口調(diào)試助手，并打開串口通信設(shè)置對話框，將其設(shè)置為“96 N 8 1”，無硬件流控制格式，默認即為該選項。

3）串口調(diào)試選項設(shè)置，設(shè)置結(jié)果如圖7 所示，其中重要選項如紅色框線所示。

圖7 串口設(shè)置及收發(fā)數(shù)據(jù)界面

4）串口收發(fā)通信，采用兩種方式進行實驗，第一種方式為時、分、秒三個數(shù)值分開發(fā)送，第二種方式為時、分、秒一起發(fā)送（用空格分隔），操作過程如圖7 所示。設(shè)要設(shè)定的時間為“10：18：30”，加上控制位，則需要發(fā)送十六進制數(shù)據(jù)“0A 52 9E”，此處要注意發(fā)送和接收數(shù)據(jù)均為十六進制，且輸入和顯示均沒有“0x”或“H”等附加格式。

串口調(diào)試助手在沒有顯示屏的單片機應(yīng)用系統(tǒng)中有著十分廣泛的應(yīng)用，可以利用函數(shù)重定向功能，調(diào)用printf（）函數(shù)，將開發(fā)板獲取數(shù)據(jù)，通過串口輸出到PC機，為程序調(diào)試和串口通信提供極大方便。

5 結(jié)語

本文設(shè)計一個綜合性PC 與微控制器串口通信教學(xué)實驗，實驗設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。硬件設(shè)計采用CH340G 芯片實現(xiàn)USB 接口轉(zhuǎn)串口功能，有效地解決了目前PC 機普遍不具備串口的問題，并實現(xiàn)了供電、下載、通信三者功能，是一個很好的創(chuàng)新。軟件設(shè)計獨立完成微控制器程序設(shè)計和上位機軟件開發(fā)兩部分工作，提出一種串口通信應(yīng)用層協(xié)議，合并2 位控制位和6 位數(shù)據(jù)位形成單字節(jié)數(shù)據(jù)幀，突破單次發(fā)送數(shù)據(jù)順序和大小的限制，具有簡潔、高效、靈活等優(yōu)點。項目在上位機與單片機之間建立雙向串行通信鏈接，上位機獲取網(wǎng)絡(luò)時間數(shù)值，將其發(fā)送給單片機，單片機接收并提取時間數(shù)值，送入數(shù)碼管顯示，并回傳接收到的數(shù)據(jù)個數(shù)。通過該實驗的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，學(xué)生基本可以掌握STM32 串行接口USART 的原理和使用方法。