[嵌入式]STM32—串口协议、串口外设

STM32—串口协议、串口外设

10.1 串口协议

10.1.1 通信接口

• 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

• 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

以下列出的仅是最常用、最简单的配置

双工特性：

• 全双工：双方能够同时进行双向通信（一般来说全双工的通信都有两个通信线TX发送、RX接收---MOSI发送、MISO接收）

• 半双工：就只有一根通信线。

• 单工：指数据只能从一个设备到另一个设备，而不能反着来

时钟特性：

• 同步：有专门的时钟线，接收方可以在时钟信号的指引下进行采样
• 异步：没有专门的时钟线，双方需要约定好采样频率，并且还需要加一下帧头帧尾，进行采样位置的对齐

电平特性：

• 单端：也就是它们引脚的高低电平都是对GND的电压差，所以单端信号通信的双方必须要共地
• 差分：它是靠两个差分引脚的电压差来传输信号的，尽量共地。使用差分信号可以极大地提高抗干扰特性，所以差分信号一般传输速度和距离都会非常高

设备特性：

• 点对点：只有两个设备，直接传输数据即可。
• 多设备：一对多，需要有一个寻址的过程，以确定特性的对象

10.1.2 串口通信

• 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，可实现两个设备的互相通信

• 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互相通信，极大地扩展了单片机的应用范围，增强了单片机系统的硬件实力

10.1.3 硬件电路

• 简单双向串口通信有两根通信线（发送端TX和接收端RX）

• TX与RX要交叉连接

• 当只需单向的数据传输时，可以只接一根通信线

• 当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片

10.1.4 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如下三种：

• TTL电平：+3.3V或+5V表示1，0V表示0
• RS232电平：-3_{-15V表示1，+3}+15V表示0
• RS485电平：两线压差+2_{+6V表示1，-2}-6V表示0（差分信号）

10.1.5 串口参数及时序

• 波特率：串口通信的速率
• 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，低位先行
• 校验位：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

10.1.6 串口时序

10.2 串口外设

10.2.1 USART简介

• USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）通用同步/异步收发器
• 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
• 自带波特率发生器，最高达4.5Mbits/s
• 可配置数据位长度（8/9）、停止位长度（0.5/1/1.5/2）
• 可选校验位（无校验/奇校验/偶校验）
• 支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN
• STM32F103C8T6 USART资源： USART1、 USART2、 USART3

10.2.2 USART框图

引脚：

• TX RX： 发送和接收

• SW-_RX ：用于智能卡模式（很少用）

• IRDA_OUT IRDA_IN： 红外通信数据的输出和输入

• nRTS nCTS： 硬件流控（了解即可）

  • nRTS是请求发送，是输出引脚（就是告诉别人我当前能不能接收）
  • nCTS是清除发送，是输入引脚（也就是用于接收别人nRTS的信号的）
  • 这里前面加个n，表示低电平有效
  • 找一个也支持流控的串口，它的TX接我的RX,然后我的RTS要输出一个能不能接收数据的反馈信号，接到对方的CTS，当我能接收的时候，RTS就置低电平，请求对方发送，对方的CTS接收到之后，就可以一直发，当我处理不过来的时候，就比如接收寄存器我一直没有读，此时又有新的数据过来了，现在就代表我没有及时处理，那么RTS就会置高电平，对方的CTS接收到之后，就会暂停发送只能这里的接收数据寄存器被读走，RTS置低电平，新的数据才会继续发送（TX和CTS是一对的，RX和RTS是一对，CTS和RTS也要交叉连接）

• SCLK 同步时钟（同步模式下使用）

USART的引脚分配如下表，注意，只有USART1挂载到APB2高速总线上，其他的串口都是在APB1总线。

数据寄存器：USART_DR，是一个对应两个寄存器（USART_TDR和USART_RDR），寄存器的低9位[0:8]位数据有效，由USART_CR1的M位设置，当M = 0时，表示8个数据位（最常用），M = 1时表示9个数据位（很少用）。因为有两个寄存器，所以TX和RX可以同时收发。

接下来是发送和接收的具体流程：

USART_CR1寄存器

USART_CR1:UE USART使能 TE 发送使能 RE 接收使能

发送具体过程：

USART_SR: TXE 发送数据寄存器空，当TDR寄存器中的数据被硬件转移到移位寄存器中时，该位置1；当为0时，表示数据还没有转移到移位寄存器，这时DMA不能再往里传数据了。

USART_CR1:TXEIE 发送缓冲区空中断使能，当为1时，TDR为空（TXE = 1）就会产生中断。

USART_SR: TC 发送完成，此时移位寄存器为空，全部数据已通过移位寄存器发送完成，这里判断的是移位寄存器。

USART_CR1:TCIE 发送完成使能，当发送完成TC = 1时，产生USART1中断。

数据由CPU从内存中读取，或DMA传送，然后放到数据寄存器TDR中（寄存器USART_SR的TXE位置0），然后放到发送移位寄存器中（此时发送数据寄存器为空，TXE = 1），然后当发送移位寄存器把全部数据移位发出去后，

接收具体过程：

USART_SR: RXNE 读寄存器非空

USART_CR1:RXNEIE 接收缓冲区非空中断使能

数据一位一位的从RX转移到移位寄存器，然后移位寄存器八数据传送到接受数据寄存器RDR，此时RXNE标志位置1，如果我们检测到RXNE为1，就可以从RDR中读数据。读取USART_DR数据寄存器，RXNE位会清零。

波特率

BSART_BRR寄存器，分频器分为整数部分+小数部分

波特率如何产生？

计算方式如下：

目标波特率115200，使用USART1（72M），计算过程如下，整数部分很好计算，主要是小数部分。可以想象，小数的最大值为1，用4位二进制描述，则分为16′，每份1/16，我们的 小数部分 / (1 / 16) = 小数部分 * 16，就能知道占据了多少份。

USARTDIV（分频因子） = 72 000 000 / 16 / 115200 = 39.0625

整数部分DIV_Mantissa = 39 = 0X27，小数部分 = 0.0625 * 16 = 0X01，则应设置为0x271

串口空闲检测（非常有用）：

10.2.3 USART基本结构

10.2.4 数据帧

字长

停止位

10.2.5 起始位侦测（了解即可）

10.2.6 数据采样（了解即可）

10.2.7 波特率发生器

• 发送器和接收器的波特率由波特率寄存器BRR里的DIV确定

• 计算公式：波特率 = fPCLK2/1 / (16 * DIV)

例如配置9600的波特率：9600=72M / (16*DIV)，DIV=468.75，转换到二进制为整数部分（000111010100），小数部分（1100）

• 不过库函数会帮我们自己算，我们只需要给9600。

发送接收代码——见STM32—USART串口发送+接收

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