引言STM32F107微控制器是意法半導(dǎo)體推出的高性能32位以CortexM3為內(nèi)核的面向工業(yè)控制的處理器。該處理器內(nèi)部通過(guò)一個(gè)多層的AHB總線(xiàn)構(gòu)架相連，其內(nèi)部集成了豐富的外設(shè)，如USART、SPI、ADC等等。另外，STM32F107處理器還提供多達(dá)80個(gè)通用I/O接口，如此豐富的資源使STM32系列微控制器能夠很理想地用于工業(yè)控制。本文設(shè)計(jì)出一種基于STM32F107的可靠串口通信設(shè)計(jì)方案，可以完成STM32F107處理器和PC機(jī)以及其他串口之間的可靠通信[1]。1 串口通信的實(shí)現(xiàn)1.1 硬件設(shè)計(jì)STM32F107處理器的通用同步異步通信單元（USART）提供 5個(gè)獨(dú)立的異步串行接口，并且都能工作在中斷和DMA模式下，支持LIN、智能卡協(xié)議和IRDA SIM ENDEC規(guī)范。USART的字符采用一種特殊的結(jié)構(gòu)，它由起始位、數(shù)據(jù)位（8位或者9位）、停止位（1位或者2位）組成。由于STM32F107處理器輸出的是TTL/CMOS電平，而計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置串口輸出為RS232電平，所以在硬件上采用MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。如圖1所示，如果在兩個(gè)處理器之間進(jìn)行串口通信，需要把STM32F107 的UART接口的發(fā)送端與對(duì)端串口的接收端相連，把STM32F107 的UART接口的接收端與對(duì)端串口的發(fā)送端相連[2]。1.2 軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)基于STM32F107 的串口通信，首先需要對(duì)該串口的相關(guān)寄存器進(jìn)行配置，比如串口的波特率、數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度和校驗(yàn)位等信息都是需要配置的。然后使能串口時(shí)鐘，設(shè)置相應(yīng)的I/O模式，最后進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。串口相關(guān)寄存器的配置信息如表1所列。圖1 串口通信硬件電路圖為了實(shí)現(xiàn)高效的串口數(shù)據(jù)收發(fā)，串口通信的程序設(shè)計(jì)一般采用串口的接收中斷、發(fā)送中斷以及FIFO緩存來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)串口有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，其底層的發(fā)送函數(shù)并不是真正的串口發(fā)送，而是將數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩存區(qū)，緩存區(qū)按照FIFO的先入先出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，寫(xiě)入數(shù)據(jù)到FIFO后使能串口發(fā)送中斷后便退出了，這相當(dāng)于RAM的讀寫(xiě)，執(zhí)行速度快，實(shí)際的發(fā)送數(shù)據(jù)在串口發(fā)送中斷服務(wù)程序中完成。表1 串口寄存器的配置表圖2 通信協(xié)議幀當(dāng)串口有數(shù)據(jù)接收時(shí)，在接收中斷中使用FIFO緩存接收到的數(shù)據(jù)。當(dāng)收到串口接收數(shù)據(jù)完成或者接收緩沖區(qū)已滿(mǎn)的信息后，通知主程序數(shù)據(jù)接收完成，在主程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并清理緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，等待下一次數(shù)據(jù)接收。主程序中具體步驟如下：①配置串口中斷向量表，包括配置中斷的搶占優(yōu)先級(jí)，響應(yīng)優(yōu)先級(jí)、編號(hào)和分組等內(nèi)容。調(diào)用庫(kù)函數(shù)NVIC_Init(&NVIC_InitStructure)。②初始化串口，包括串口時(shí)鐘配置、GPIO配置、根據(jù)參數(shù)初始化并使能串口。由于 STM32F107 固件函數(shù)庫(kù)提供了每一步操作的函數(shù)，所以串口的配置非常方便。最后，使能接收和發(fā)送中斷，調(diào)用庫(kù)函數(shù)：STM_EVAL_COMInit(COMx, &USART_InitStructure);③在主程序中等待串口接收數(shù)據(jù)完成或緩存區(qū)溢出，該信息由串口狀態(tài)寄存器提供，代碼為：while (1){//判斷是否接收完成或緩存區(qū)溢出if (USART_Rx_Done==1) {//數(shù)據(jù)接收處理……//清空緩沖區(qū)USART_Rx_Buffer_Clear();}}④中斷服務(wù)函數(shù)編寫(xiě)，通過(guò)判斷狀態(tài)寄存器USART _SR的RXNE、ORE和TXE位的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行接收和發(fā)送數(shù)據(jù)[3]。代碼如下：void USARTx_IRQHandler(void){//判斷是否收到數(shù)據(jù)if (USARTx ->SR&(1<<5)){//接收數(shù)據(jù)USART_ReceiveData(USARTx) ;} //判斷是否溢出if (USARTx ->SR&(1<<3)){//接收數(shù)據(jù)(void)USART_ReceiveData(USARTx);} //如果發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器為空，那么左移7位if(USARTx ->SR&(1<<7)){//發(fā)送數(shù)據(jù)USART_SendBufferData();}}2 串口通信協(xié)議制定串口通信協(xié)議按照HDLC規(guī)程設(shè)計(jì)，其幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。幀結(jié)構(gòu)說(shuō)明如下。（1） 標(biāo)志所有信息傳輸必須以一個(gè)標(biāo)志字符開(kāi)始，且以同一個(gè)字符結(jié)束。從開(kāi)始標(biāo)志到結(jié)束標(biāo)志之間構(gòu)成一個(gè)完整的信息單位，稱(chēng)為一幀。接收端可以通過(guò)搜索標(biāo)志字符來(lái)探知幀的開(kāi)頭和結(jié)束，以此建立幀同步。在兩幀之間只需要一個(gè)這樣的標(biāo)記，兩個(gè)相繼的標(biāo)記構(gòu)成一個(gè)空幀，它被拋棄，而不產(chǎn)生FCS錯(cuò)誤。（2） 地址域在標(biāo)志之后，有一個(gè)地址域。地址域包括接收信息和發(fā)送信息的通信設(shè)備地址，即幀數(shù)據(jù)的接收者和發(fā)送者地址。地址域的寬度為16位，前8位用來(lái)表示接收者的地址，后8位用來(lái)表示發(fā)送者的地址。地址域通常在一對(duì)多或多對(duì)多的串口通信中應(yīng)用。（3） 控制域在地址域之后是控制域，控制域可規(guī)定若干個(gè)命令，控制域占一個(gè)字節(jié)。接收方必須檢查每個(gè)地址，包括二進(jìn)制11111111（十六進(jìn)制0xff），也就是“廣播”地址。不可識(shí)別的地址則被拋棄。（4） 信息域跟在控制域之后的是信息域。信息域包含要傳送的數(shù)據(jù)，并不是每一幀都必須傳送數(shù)據(jù)，即信息域可以為0。當(dāng)它為0時(shí)，這一幀主要是控制命令。（5） CRC校驗(yàn)緊跟在信息域之后的是4字節(jié)的幀校驗(yàn)，幀校驗(yàn)采用32位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC。除了標(biāo)志域以外，所有的信息都參加CRC計(jì)算。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，CRC的高位在前，低位在后。幀校驗(yàn)序列的循環(huán)冗余碼校驗(yàn)簡(jiǎn)稱(chēng)CRC（Cyclic Redundancy Check），它是利用除法及余數(shù)的原理來(lái)作錯(cuò)誤偵測(cè)的。應(yīng)用時(shí)，發(fā)送設(shè)備計(jì)算出CRC值并隨數(shù)據(jù)一同發(fā)送給接收設(shè)備，接收設(shè)備對(duì)收到的數(shù)據(jù)重新計(jì)算，并與收到的CRC相比較。若兩個(gè)CRC值不同，則說(shuō)明數(shù)據(jù)通信出現(xiàn)錯(cuò)誤。這里選用以太網(wǎng)的CRC32碼作為幀校驗(yàn)產(chǎn)生方式。3 硬件CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)由于串口通信中的數(shù)據(jù)在傳輸和存儲(chǔ)過(guò)程中易受到各種信號(hào)的干擾，容易產(chǎn)生信號(hào)碼元的變化，需要采用相關(guān)的校驗(yàn)方式來(lái)保證信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴Ｑh(huán)冗余校驗(yàn)技術(shù)主要應(yīng)用于檢驗(yàn)或核實(shí)數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)的正確性和完整性，具有檢錯(cuò)率高、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，因此在工程中廣泛使用。在STM32F107 中內(nèi)置了CRC計(jì)算單元的硬件組件，所以不需要額外設(shè)計(jì)任何硬件電路，而且計(jì)算速度較快。內(nèi)置CRC計(jì)算單元是根據(jù)固定的生成多項(xiàng)式得到任一32位全字的CRC計(jì)算結(jié)果。CRC計(jì)算單元可以在程序運(yùn)行時(shí)計(jì)算出軟件的標(biāo)識(shí)，之后與在連接時(shí)生成的參考標(biāo)識(shí)比較，然后存放在指定的存儲(chǔ)器空間[4]。STM32F107 內(nèi)置的CRC計(jì)算單元操作方便，首先復(fù)位CRC模塊，即CRC->CR =0x01。然后，把要計(jì)算的數(shù)據(jù)每32位分為一組，寫(xiě)入到CRC_DR寄存器中，寫(xiě)完數(shù)據(jù)后就可以從CRC_DR寄存器讀出數(shù)據(jù)了。雖然數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)都是在CRC_DR寄存器中進(jìn)行，但是實(shí)際上訪(fǎng)問(wèn)的是不同的物理寄存器。STM32F107 內(nèi)置CRC計(jì)算單元框圖如圖3所示。結(jié)語(yǔ)隨著32位以CortexM3為內(nèi)核的STM32F107 微處理器在工業(yè)控制中的廣泛應(yīng)用，串口作為一種微控制器必不可少的通信接口，應(yīng)用也比較廣泛。針對(duì)串口在應(yīng)用過(guò)程中容易出現(xiàn)的誤碼問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)出一種基于STM32F107 的可靠串口通信方案，利用STM32F107 內(nèi)置的CRC計(jì)算單元產(chǎn)生校驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)保證通信的可靠性。該方案可以完成STM32F107 處理器與計(jì)算機(jī)之間以及其他微控制器串口之間的可靠通信。(mbbeetchina)