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STM32-USART串口通信（9）

news 来源：原创 2025/7/3 14:37:14

一、通信接口介绍

通信的目的：将一个设备的数据传送到另一个设备，扩展硬件系统。

当STM32想要实现一些功能，但是需要外挂一些其他模块才能实现，这就需要在两个设备之间连接上一根或多跟通信线，通过通信线路发送或者接收数据，完成数据交换，从而实现控制外挂模块和读取外挂模块数据的目的。

通信协议：制定通信的规则，通信双方按照协议规则进行数据收发。

单工：只允许数据单向传输；
双工：指通信双方能够进行双向通信；
半双工：发送数据和接收数据不能同时传输；
全双工：可以同时进行发送数据和接受数据，一般有两根通信线，一根发送数据，一根接收数据，发送线路和接收线路互不影响。

时钟特性分为同步和异步。
同步：一般有时钟线连接，接收设备可以在时钟信号的指引下进行采样；
异步：没有时钟线，需要通信双方约定一个采样频率，并且还需要加一些帧头帧尾等，进行采样位置的对齐。

电平信号
单端：引脚的高低电平都是对GND的电压差，单端信号通信的双方必须要共地，就是把GND连接在一起；
差分：靠两个差分引脚的电压差来传输信号，差分信号可以极大地提高抗干扰特性。
USB协议中有一些地方也需要用到单端信号，因此USB协议也需要共地。

设备特性
点对点：同一时间只能在两个设备之间进行通信；
多设备：可以在总线上挂载多个设备。

二、串口通信介绍

1、定义和功能

定义：串口是一种应用十分广泛的通讯接口，串口成本低，容易使用、通信线路简单，可实现两个设备的相互通信。

功能：单片机的串口可以使单片机与单片机、单片机与电脑、单片机与各式各样的模块相互通信，极大的扩展了单片机的应用范围，增强了单片机系统的硬件实力。

51单片机内部自带UART（通用异步收发器），可实现单片机的串口通信。

2、硬件电路

简单双向串口通信有两根通信线（发送端TXD和接收端RXD）；

TXD与RXD要交叉连接；

当只需单向的数据传输时，可以直接一根通信线；

当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片。

3、电平标准

电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系，串口常用的电平标准有下面三种：

（1）TTL电平：+5V表示1，0V表示0；

（2）RS232电平：-3V ~ -15V表示1，+3V ~ +15V表示0；

（3）RS485电平：两线电压差+2V ~ +6V表示1，-2V ~ -6V表示0（差分信号）。

4、串口参数及时序图

波特率：串口通信的速率（发送和接收各数据位的间隔时间）,单位；码元/s或波特（Baud），
比特率：每秒传输的比特数，单位bit/s或bps，在二进制调制的情况下，一个码元就是一个bit，此时波特率就等于比特率，单片机的串口通信，基本都是二进制调制。
二进制调制：高电平表示1，低电平表示0，一位就是1bit。
例如波特率为1000bps，即1s发送1000位数据，每一位的发送时间就是1ms，接收方也是每隔1ms接收一位。

空闲时：引脚默认为高电平；
起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平；
数据位：数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平，从低位到高位发送数据；
检验位：用于数据验证，根据数据位计算得来；
停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平。

校验有三种方式，分别是无校验、奇校验和偶校验。
如果使用奇校验，则数据位8位＋校验位会出现奇数个1，如传输数据是0000 1111，则校验位会补1。
如果使用偶校验，则数据位8位＋校验位会出现偶数个1，如传输数据是0000 1111，则校验位会补0。

三、USART串口外设

通用同步/异步收发器，简称USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter），在51单片机中还会叫UART，也就是通用异步收发器。STM32中这个同步功能用的很少，所以两者区别不大。

USART是STM32内部集成的硬件外设，可根据数据寄存器的一个字节数据自动生成数据帧时序，从TX引脚发送出去，也可自动接收RX引脚的数据帧时序，拼接为一个字节数据，存放在数据寄存器里。

USART自带波特率发生器，最高达4.5Mbits/s，它本质上就是一个分频器，通过APB2总线给的72MHz的频率，对其进行分频，得到想要的波特率时钟，最后在这个时钟下，进行收发数据。
波特率一般采用9600bits/s、115200bits/s。

STM32中的串口通信可配置数据位长度（8/9），数据位不需要校验位就是8位，加上校验位就是9位。可选校验位（无校验/奇校验/偶校验）。
停止位长度（0.5/1/1.5/2），决定了数据帧的间隔，一般都是采用1位。

支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN。
同步模式：相比正常的串口通信，多了一个时钟CLK的输出；
硬件流控制：如A设备TX向B设备的RX发送数据，A设备发送的数据太快，B处理过不来，B就只能选择抛弃新数据或者覆盖原数据；如果有硬件流控制，两者之间的硬件电路上还会多出一根线，如果B没有准备好，就置高电平，如果准备好了，就置低电平，A接收到了B反馈的准备信号，就只有在B准备好了以后，才会发送数据。硬件流控制就是为了防止B处理数据太慢导致数据丢失的问题。
DMA：串口通信支持DMA数据转运；
智能卡：跟学校饭卡或者公交卡有关；
IrDA：用于红外通信的，一个为红外发光管，一个为红外接收管，靠闪烁红外光通信；
LIN：局域网的通信协议。

STM32F103C8T6 USART资源： USART1、 USART2、 USART3。

四、USART框图

发送数据：首先将要发送的数据，写入TDR发送数据寄存器，然后会检测发送移位寄存器中是否有数据正在移位，如果没有，就会将数据从TDR转入到移位寄存器中，这时会使标志位TXE置1，TDR为空，这时就可以写入下一个数据了，移位寄存器中的数据就会向右（低位先行）一位一位地把数据输出到TX引脚，发送完成后，新的数据就会自动的从TDR转移到移位寄存器中。
接收数据过程跟上面类似，其中标志位为RXNE，接收数据寄存器非空，标志位置1时，就可以将数据读走了。

TDR和RDR是在同一个数据寄存器DR中的。

五、USART基本结构

时钟来源是PCLK2/1，经过波特率分频后，产生的时钟通向发送控制器和接收器，它们两个用来控制移位；

写入数据通过两个寄存器移出，然后通过GPIO的复用输出，输出到TX引脚，产生串口协议规定的波形。
读取数据类似。

USART初始化步骤：
（1）RCC开启时钟，包括USART和GPIO的时钟；
（2）GPIO初始化，把TX配置成复用输出，RX配置成输入；
（3）配置USART；
（4）如果有接收数据，还需要配置中断，加上ITconfig和NVIC；
（5）开启USART。