STM32单片机多串口通信仿真测试技术研究

引言

STM32单片机是基于高性能CortexM3内核的32位单片机，其外设功能强大，最大工作频率为72 MHz。本文选用的STM32103VET6芯片，有5个USART、3个SPI口、2个I2C接口，便于产品与上位机的通信。采用基于库函数的编程方法，能很快地进行产品开发。

本文采用基于RealView、VSPD(虚拟串口)和串口调试软件的联合仿真调试技术，可以在没有硬件平台的情况下，完成多串口收发通信软件的开发和测试。

1多串口通信的软件设计原理

使用STM32的USART1~USART3。在不进行引脚重映射的情况下，USART1_Tx引脚为PA9，USART1_Rx引脚为PA10，USART2_Tx引脚为PA2，USART2_Rx引脚为PA3，USART3_Tx引脚为PB10，USART3_Rx引脚为PB11。

软件的设计采用模块化，包括RCC时钟配置模块、NVIC中断向量配置模块、USART1~USART3引脚配置模块、USART1~USART3初始化模块，USART1~USART3通信模块等。软件流程图如图1所示。

1.1RCC时钟设置模块

采用8 MHz外部晶振作为PLL时钟，再倍频到72 MHz。该时钟作为系统时钟，待系统时钟稳定后，再进行各模块时钟的分配。时钟初始化函数为void RCC_Configuration(void)，代码如下：

void RCC_Configuration(void){

RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);//设置外部高速晶振(HSE)

HSEStartUpStatus=RCC_WaitForHSEStartUp();//等待HSE起振

if(HSEStartUpStatus == SUCCESS){

FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable);//预取指缓存使能

FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2);//设置代码延时值，2个延时周期

//设置AHB时钟(HCLK)，分频系数为1，AHB时钟=系统时钟

RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1);

//设置高速AHB时钟(PCLK2)，分频系数为1，

//APB2时钟=HCLK*/

RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1);

/*设置低速AHB时钟(PCLK1)，分频系数为2，

//APB1时钟 = HCLK/2*/

RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2);

//PLLCLK = 8MHz*9=72 MHz ，

//设置PLL时钟源及倍频系数

RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_9);RCC_PLLCmd(ENABLE); //使能PLL

//等待PLL初始化成功

while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET){

}

//设置系统时钟(SYSCLK)，设置PLL为系统时钟源

RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);

//等待PLL成功用作系统时钟的时钟源，

//0x08：PLL作为系统时钟

while(RCC_GetSYSCLKSource() !=0x08){

}

}

//使能串口1时钟，及引脚GPIOA的时钟

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2, ENABLE); //使能串口2时钟

//使能串口3引脚GPIOB的时钟

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART3, ENABLE); //使能串口3 时钟

}

1.2UASRT通信引脚配置模块

采用全双工通信，STM32单片机功能引脚由GPIO引脚进行映射，仅给出USART1_Tx和USART1_Rx引脚配置的软件代码，USART2和USART3的引脚配置类似。代码如下：

//USART1所用输入/输出引脚的定义

//定义USART1_Tx (PA9) 脚为复用推挽输出

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9;//I/O口的第9脚

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; //I/O口的速度

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;//I/O口复用推挽输出

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化USART1的TX口

//定义USART1_Rx (PA10) 脚为悬空输入

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;

//I/O口的第10脚

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode =GPIO_Mode_IN_FLOATING;

//I/O口悬空输入

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化USART1的RX口

1.3NVIC中断向量配置模块

NVIC是向量中断控制器，用来控制多个中断向量的优先级，在NVIC中设置USART1中断为最高优先级，USART2次之，USART3中断优先级最低。本文设置发送为顺序发送，接收为中断响应接收。代码如下：

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

NVIC_DeInit();

NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH, 0x0);

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);

//使能USART1中断

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=USART1_IRQChannel;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

//使能USART2中断

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=USART2_IRQChannel;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;

//使能USART3中断

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=USART3_IRQChannel;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=2;

USART1~USART3的抢占优先级相同，USART1的从优先级值最小，所以USART1的优先级别最高。

1.4USART的通信配置模块

采用全双工通信，对USART1进行配置， USART1的波特率为115 200 b/s，数据位为8位，停止位1位，无校验位，无流量控制，接收、发送使能，采用接收中断方式，USART2和USART3的配置类似。

USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

USART_InitStructure.USART_BaudRate=115200; //设定传输速率

USART_InitStructure.USART_WordLength=USART_WordLength_8b; //设定8位数据位

USART_InitStructure.USART_StopBits=USART_StopBits_1;

//设定1个停止位

USART_InitStructure.USART_Parity=USART_Parity_No ;

//无校验位

//不用流量控制

USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None;

//使用发送和接收功能

USART_InitStructure.USART_Mode=USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;

USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

//初始化USART1

USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//使能USART1接收中断

USART_Cmd(USART1, ENABLE);//使能USART1

1.5USART的中断接收模块

在该中断响应函数中，当USART1接收事件完成时，产生中断信号，通知微处理器进行串口通信的接收处理。

void USART1_IRQHandler(void){

static unsigned char rx1_num;

unsigned char temp_rx;

if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET){// 如果是接收中断

temp_rx = USART_ReceiveData(USART1);

uart1_rx[rx1_num] = temp_rx;

}

rx1_num++; //静态变量，记录USART1接收数据的个数

}

当USART2和USART3产生接收中断时，进入相应的中断函数进行处理。

2虚拟串口和仿真串口的绑定

传统的USART调试必须有相应的开发板，连接开发板的串口和上位机的串口，开发软件RealView MDK在调试时，有3个串口的仿真输出窗口（UART#1、UART#2、UART #3）,但这3个窗口只能仿真串口输出，不能仿真串口的接收通信。采用虚拟串口软件VSPD(Virtual Serial Port Driver )，可以虚拟出多对串口，如图2所示。分别把每一对虚拟串口中的一个与STM32单片机的每个串口进行绑定，就可以进行串口的通信仿真测试。

用VSPD软件虚拟了3对串口，分别是COM4和COM5，COM6和COM7，COM8和COM9。COM4发送数据时，COM5接收数据，反之亦然。为了仿真STM32单片机3个串口的收发通信，把UART1和COM4绑定在一起，把UART2和COM6绑定在一起，把UART3和COM8绑定在一起。因为虚拟串口COM4和COM5互相通信，所以用COM5发数据，可以模拟串口COM4的中断接收数据。配置文件为COM4_OUT．txt，把后缀名改为.ini。内容如下：

MODE COM4 115200, 0, 8, 1

ASSIGN COM4 S1OUT

MODE COM6115200, 0, 8, 1

ASSIGN COM6 S2OUT

MODE COM8115200, 0, 8, 1

ASSIGN COM8 S3OUT

ASSIGN

文件的作用是配置COM4的波特率为115 200 b/s，8个数据位，1个停止位，无校验位。把COM4和STM32的第一个串口绑定在一起，配置COM6的波特率与COM4一样，绑定COM6和STM32的第二个串口在一起，依次类推。把COM4_OUT.ini文件放在工程文件中，编译后，就可以利用RealView MDK软件和串口调试软件进行串口的通信仿真测试。

3USART通信发送、接收数据测试

3.1发送数据测试

设置3个发送数组：uart1_tx[64]、uart2_tx[64]、uart3_tx[64]。因为COM4和COM5相连接，当COM4发送数据时，COM5接收数据，由图3可知，当COM4发送数组uart1_tx[64]的数据时，COM5的接收区正确显示数组uart1_tx[64]的数据。

COM8和COM9相连，由图4可知，COM9的接收区能够正确显示数组uart3_tx[64]的数据。

uart1_tx[64]= {0x11, 0x1a, 0x1b, 0x1c, 0x1d, 0x1e, 0x1f, 0x1f,0x3a, 0x5b, 0x2c, 0x2d, 0x3e, 0x4f, 0x4c, 0x2d,……,

0xaa, 0xab, 0xac, 0xad, 0xae, 0xaf, 0xaf, 0xaf};

uart3_tx[64]= {0x31, 0x3a, 0x3b, 0x3c, 0x3d, 0x3e, 0x3f, 0x3f, ……,0x8a, 0x8b, 0x6c, 0x6d, 0xe7, 0xf7, 0xa3, 0xb5,

0xca, 0xcb, 0xcc, 0xcd, 0xce, 0xcf, 0xcf, 0xcf};

3.2接收数据测试

用uart1_rx[64]、uart2_rx[64]、uart3_rx[64]分别模拟COM4、COM6和COM8中断接收数据，这时COM5、COM7和COM9分别发出数据。该实验用于测试多串口中断接收通信的准确率。

图5 COM5发送数据测试

COM5发送数据测试略——编者注。uart1_rx[64]正确接收到COM5发出的64个数据，表明COM4中断接收数据正确。

uart2_rx[64]正确接收到COM7发送的64个数据，表明COM6和COM7串口通信正确COM7发送数据测试略——编者注。

图6 COM7发送数据测试

结语

针对目前广泛使用的STM32单片机，提出了一种使用VSPD(虚拟串口)结合串口调试软件进行多串口收发通信的仿真测试方法。本文详细介绍了虚拟串口和仿真串口的绑定方法，给出了各模块的软件代码，并给出了实验结果。

该方法可以在没有硬件平台的条件下，精确地进行多个串口发送和接收通信的测试。测试结果表明，采用该方法可以很好地完成STM32多串口通信的测试。