引言
STM32F107微控制器是意法半导体推出的高性能32位以CortexM3为内核的面向工业控制的处理器。该处理器内部通过一个多层的AHB总线构架相连，其内部集成了丰富的外设，如USART、SPI、ADC等等。另外，STM32F107处理器还提供多达80个通用I/O接口，如此丰富的资源使STM32系列微控制器能够很理想地用于工业控制。本文设计出一种基于STM32F107的可靠串口通信设计方案，可以完成STM32F107处理器和PC机以及其他串口之间的可靠通信[1]。
1 串口通信的实现
1.1 硬件设计
STM32F107处理器的通用同步异步通信单元（USART）提供 5个独立的异步串行接口，并且都能工作在中断和DMA模式下，支持LIN、智能卡协议和IRDA SIM ENDEC规范。USART的字符采用一种特殊的结构，它由起始位、数据位（8位或者9位）、停止位（1位或者2位）组成。由于STM32F107处理器输出的是TTL/CMOS电平，而计算机的标准配置串口输出为RS232电平，所以在硬件上采用MAX232进行电平转换，电路设计比较简单。
如图1所示，如果在两个处理器之间进行串口通信，需要把STM32F107 的UART接口的发送端与对端串口的接收端相连，把STM32F107 的UART接口的接收端与对端串口的发送端相连[2]。
1.2 软件设计和实现
要实现基于STM32F107 的串口通信，首先需要对该串口的相关寄存器进行配置，比如串口的波特率、数据位长度和校验位等信息都是需要配置的。然后使能串口时钟，设置相应的I/O模式，最后进行程序设计。串口相关寄存器的配置信息如表1所列。
图1 串口通信硬件电路图
为了实现高效的串口数据收发，串口通信的程序设计一般采用串口的接收中断、发送中断以及FIFO缓存来实现。当串口有数据发送时，其底层的发送函数并不是真正的串口发送，而是将数据写入缓存区，缓存区按照FIFO的先入先出的结构进行组织，写入数据到FIFO后使能串口发送中断后便退出了，这相当于RAM的读写，执行速度快，实际的发送数据在串口发送中断服务程序中完成。
表1 串口寄存器的配置表
图2 通信协议帧
当串口有数据接收时，在接收中断中使用FIFO缓存接收到的数据。当收到串口接收数据完成或者接收缓冲区已满的信息后，通知主程序数据接收完成，在主程序中进行数据处理并清理缓冲区数据，等待下一次数据接收。
主程序中具体步骤如下：
①配置串口中断向量表，包括配置中断的抢占优先级，响应优先级、编号和分组等内容。调用库函数NVIC_Init(&NVIC_InitStructure)。
②初始化串口，包括串口时钟配置、GPIO配置、根据参数初始化并使能串口。由于 STM32F107 固件函数库提供了每一步操作的函数，所以串口的配置非常方便。最后，使能接收和发送中断，调用库函数：
STM_EVAL_COMInit(COMx, &USART_InitStructure);
③在主程序中等待串口接收数据完成或缓存区溢出，该信息由串口状态寄存器提供，代码为：
while (1){//判断是否接收完成或缓存区溢出
if (USART_Rx_Done==1) {//数据接收处理
……//清空缓冲区
USART_Rx_Buffer_Clear();
}
}
④中断服务函数编写，通过判断状态寄存器USART _SR的RXNE、ORE和TXE位的状态来进行接收和发送数据[3]。代码如下：
void USARTx_IRQHandler(void){//判断是否收到数据
if (USARTx ->SR&(1<<5)){//接收数据
USART_ReceiveData(USARTx) ;
} //判断是否溢出
if (USARTx ->SR&(1<<3)){//接收数据
(void)USART_ReceiveData(USARTx);
} //如果发送数据寄存器为空，那么左移7位
if(USARTx ->SR&(1<<7)){//发送数据
USART_SendBufferData();
}
}
2 串口通信协议制定
串口通信协议按照HDLC规程设计，其帧结构如图2所示。
帧结构说明如下。
（1） 标志
所有信息传输必须以一个标志字符开始，且以同一个字符结束。从开始标志到结束标志之间构成一个完整的信息单位，称为一帧。接收端可以通过搜索标志字符来探知帧的开头和结束，以此建立帧同步。在两帧之间只需要一个这样的标记，两个相继的标记构成一个空帧，它被抛弃，而不产生FCS错误。
（2） 地址域
在标志之后，有一个地址域。地址域包括接收信息和发送信息的通信设备地址，即帧数据的接收者和发送者地址。地址域的宽度为16位，前8位用来表示接收者的地址，后8位用来表示发送者的地址。地址域通常在一对多或多对多的串口通信中应用。
（3） 控制域
在地址域之后是控制域，控制域可规定若干个命令，控制域占一个字节。接收方必须检查每个地址，包括二进制11111111（十六进制0xff），也就是“广播”地址。不可识别的地址则被抛弃。
（4） 信息域
跟在控制域之后的是信息域。信息域包含要传送的数据，并不是每一帧都必须传送数据，即信息域可以为0。当它为0时，这一帧主要是控制命令。
（5） CRC校验
紧跟在信息域之后的是4字节的帧校验，帧校验采用32位循环冗余校验码CRC。除了标志域以外，所有的信息都参加CRC计算。当数据传输时，CRC的高位在前，低位在后。
帧校验序列的循环冗余码校验简称CRC（Cyclic Redundancy Check），它是利用除法及余数的原理来作错误侦测的。应用时，发送设备计算出CRC值并随数据一同发送给接收设备，接收设备对收到的数据重新计算，并与收到的CRC相比较。若两个CRC值不同，则说明数据通信出现错误。这里选用以太网的CRC32码作为帧校验产生方式。
3 硬件CRC循环冗余校验
由于串口通信中的数据在传输和存储过程中易受到各种信号的干扰，容易产生信号码元的变化，需要采用相关的校验方式来保证信号传输的可靠性。循环冗余校验技术主要应用于检验或核实数据传输、存储的正确性和完整性，具有检错率高、易于实现的特点，因此在工程中广泛使用。
在STM32F107 中内置了CRC计算单元的硬件组件，所以不需要额外设计任何硬件电路，而且计算速度较快。内置CRC计算单元是根据固定的生成多项式得到任一32位全字的CRC计算结果。CRC计算单元可以在程序运行时计算出软件的标识，之后与在连接时生成的参考标识比较，然后存放在指定的存储器空间[4]。
STM32F107 内置的CRC计算单元操作方便，首先复位CRC模块，即CRC->CR =0x01。然后，把要计算的数据每32位分为一组，写入到CRC_DR寄存器中，写完数据后就可以从CRC_DR寄存器读出数据了。虽然数据的读写都是在CRC_DR寄存器中进行，但是实际上访问的是不同的物理寄存器。STM32F107 内置CRC计算单元框图如图3所示。
结语
随着32位以CortexM3为内核的STM32F107 微处理器在工业控制中的广泛应用，串口作为一种微控制器必不可少的通信接口，应用也比较广泛。针对串口在应用过程中容易出现的误码问题，本文设计出一种基于STM32F107 的可靠串口通信方案，利用STM32F107 内置的CRC计算单元产生校验数据来保证通信的可靠性。该方案可以完成STM32F107 处理器与计算机之间以及其他微控制器串口之间的可靠通信。