【STM32】USART串口协议

news2024/9/20 20:30:08

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

USRT：TX是数据发送引脚，RX是数据接受引脚；

I2C：SCL是（Serial clock）时钟，SDA（Serial Data）是数据；

SPI：SCLK是时钟（Serial Clock），MOSI（Master output Slave Input）主机输出数据脚，MISO（Master intput Slave output）主机输入数据脚，CS（chip select）片选：用于指定通信对象；

CAN通信：引脚CAN_H、CAN_L，用两个引脚表示差分数据；

USP通信：引脚是DP（Data positive）和DM（Data Minus）(D+/D-)，也是差分数据脚。

全双工：同时双向通信，一般有两根通信线（一根发，一根收）；

I2C和SPI有单独时钟线，所以它们是同步的，接收方可以在时钟信号的指引下进行采样。

USART、I2C、SPI都是单端电平，即它们引脚的高低电平都是对GND的电压差，还需要GND

CAN和USB是差分信号，它是靠两个差分引脚的电压差来传输信号的，不需要GND。提高抗干扰特性

1.1 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

USB转串口模块：把串口协议转换成USB协议

陀螺仪传感器模块、蓝牙串口模块

1.2 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

1.3 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）

1.4 串口参数及时序

波特率：串口通信的速率（Band、比特率）

波特率是1000bps，表示1m发送1000位，每一位的时间就是1ms

起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平

串口的空闲状态是高电平，打破高电平

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（奇偶校验）

停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平

发送0xf的电平

串口中，每一行字节都装在一个数据帧里，每个数据帧由起始位、数据位、停止位组成的；第二张图多了校验位。

1.5 串口时序

发送0x55，无校验，波特率是9600，一位的时间是1/9600 = 104us

低位先行（0101 0101）-》（1010 1010）

发送0xAA，无校验，波特率是9600，一位的时间是1/9600 = 104us

低位先行（1010 1010）-》（0101 0101）

下面同理

发送0x55，无校验，波特率是4800，一位的时间是1/4800 = 208us

低位先行（0101 0101）-》（1010 1010）

发送0x55，加了偶校验，波特率是4800，一位的时间是1/4800 = 208us

低位先行（0101 0101）-》（1010 1010），不用增加1

停止位也是可以设置的

上图的停止位是一位，下图的停止位是两位。

2 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（APB2）、 USART2（APB1）、 USART3（APB1）

2.1 USART框图

先忽略寄存器，看引脚部分。左上角有TX和RX，就是发送和接收引脚，后面几个暂时不用管。

右上角是发送数据寄存器和接收数据寄存器，这两个寄存器占用同一个地址。

TDR是只写的，数据写到TDR中；RDR是只读的，数据从RDR读出。

发送移位寄存器的作用是：把一个字节的数据一位一位地移出去，正好对应串口协议的波形数据位。

工作方式：例如某时刻给TDR写入0x55这个数据，在寄存器里存储是0101 0101，此时硬件检测写入了数据，就会检查当前移位寄存器是不是有数据正在移位，如果没有，这个0101 0101就会立刻全部移动到发送移位寄存器，准备发送；当数据从TDR移动到移位寄存器时，会置一个标志位TXE，发送寄存器空，检查这个标志位如果置1了，就可以在TDR写入下一个数据了。当TXE置1时，数据其实没有发送出去，只要数据从TDR转移到发送移位寄存器了，TXE就会置1，就可以重新写入数据了。

然后发送移位寄存器就会在下面这里的发生控制器的驱动下，向右移位，然后一位一位的把数据输出到TX引脚，这里实现向右移位的，所以正好和串口通信规定的低位先行是一致的。当数据移位完成后，新的数据就会再次自动的从TDR转移到发送移位寄存器里来；如果当前移位还没有完成，TDR的数据就会进行等待，一旦移位完成，就会立刻转移过来。有了TDR和移位寄存器的双重缓存，可以保证连续发送数据的时候，数据帧之间不会有空闲。简单来说，数据一旦从TDR转移到移位寄存器了，不管有没有完成，就立刻把下一个数据放在TDR等着，一旦移完了，新的数据就会立刻跟上。

接收端类似的。数据从RX引脚通向接收移位寄存器，在接收器控制驱动下，一位一位的读取RX电平，先放在最高位，然后向右移，移位8次之后，就能接收一个字节了，低位先行，所以接收移位寄存器是从高位往低位这个方向移动的，之后当一个字节移位完成后，这一个字节的数据就会整体的一下子转移到接收数据移位寄存器RDR里，在转移的过程中也会置一个标志位RXNE（TX Not Empty，接收数据寄存器非空），当检测到RXNE置1后，就可以把数据读走了，同样，这里也是两个寄存器进行缓存，当数据从移位寄存器转移到RDR时，就可以直接接收下一位帧数据了，这就是USART的整个工作流程。