STM32 USART串口

news2024/11/26 17:45:24

什么是串口

串口是串行接口 (Serial Interface)的简称，它是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信（可以直接利用电话线作为传输线），从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是：数据位的传送，按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成；成本低但传送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米；根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。

STM32的USART简介

在STM32的参考手册中，串口被描述成通用同步异步收发器(USART)，它提供了一种灵活的方法与使用工业标准NRZ异步串行数据格式的外部设备之间进行全双工数据交换。有别与USART，还有一个UART，它在USART基础上裁剪掉了同步通信功能，只有异步通信。简单区分同步和异步就是看通信时需不需要对外提供时钟输出，我们平时用的串口通信基本都是 UART。

串口通信一般是以帧格式传输数据，即一帧一帧传输，每帧包含有起始信号、数据信息、停止信息，可能还有校验信息。USART 满足外部设备对工业标准 NRZ 异步串行数据格式的要求，并且使用了小数波特率发生器，可以提供多种波特率，使得它的应用更加广泛。USART 支持同步单向通信和半双工单线通信；还支持局域互连网络 LIN、智能卡(SmartCard)协议与 lrDA(红外线数据协会) SIR ENDEC规范。USART支持使用 DMA，可实现高速数据通信。

硬件连接

USART通过3个引脚与其他设备连接在一起，任何USART双向通信至少需要2个引脚：接受数据输入(RX)和发送数据输出(TX)。

RX: 接受数据串行输入。通过过采样技术来区别数据和噪音，从而恢复数据。

TX: 发送数据输出。当发送器被禁止时，输出引脚恢复到它的I/O端口配置。当发送器被激活，并且不发送数据时，TX引脚处处于高电平。在单线和智能卡模式里，此I/O口被同时用于数据的发送和接收。

USART功能框图剖析

1、功能引脚

TX:发送数据输出引脚。

RX:接收。

SW_RX:数据接收引脚，属于内部引脚。

nRTS:请求以发送，n表示低电平有效。如果使能 RTS 流控制，当USART接收器准备好接收新数据时就会将nRTS变成低电平；当接收寄存器已满时，nRTS将被设置为高电平。该引脚只适用于硬件流控制。

nCTS:清除以发送(Clear To Send)，n表示低电平有效。如果使能 CTS流控制，发送器在发送下一帧数据之前会检测 nCTS 引脚，如果为低电平，表示可以发送数据，如果为高电平则在发送完当前数据帧之后停止发送。该引脚只适用于硬件流控制。

SCLK:发送器时钟输出引脚。这个引脚仅适用于同步模式。

以STM32F103RC系列为例，USART1的时钟来源于APB2总线时钟，最大频率为72MHZ，其他4个时钟来源于APB1总线时钟，最大频率36MHZ。UART只有异步传输功能，没有SCLK、nCTS和nRTS功能引脚。

2.数据寄存器

USART说数据寄存器(USART_DR)只有低 9 位有效，并且第 9 位数据是否有效要取决于USART 控制寄存器 1(USART_CR1)的 M 位设置，当 M 位为 0 时表示 8 位数据字长，当 M位为 1 表示 9 位数据字长，我们一般使用 8位数据字长。

USART_DR包含了已发送的数据或者接收到的数据。USART_DR实际是包含了两个寄存器，一个专门用于发送的可写 TDR，一个专门用于接收的可读 RDR。当进行发送操作时，往 USART_DR写入数据会自动存储在 TDR内；当进行读取操作时，向 USART_DR读取数据会自动提取 RDR 数据。

TDR和RDR都是介于系统总线和移位寄存器之间。串行通信是一个位一个位传输的，发送时把 TDR 内容转移到发送移位寄存器，然后把移位寄存器数据每一位发送出去，接时把接收到的每一位顺序保存在接收移位寄存器内然后才转移到 RDR。

USART 支持 DMA 传输，可以实现高速数据传输。

3.控制器

USART有专门控制发送的发送器、控制接收的接收器，还有唤醒单元、中断控制等。

使用USART之前需要向USART_CR1寄存器的UE位置1使能USART，UE位用于开启供给串口的时钟。发送或者接收数据字长可选8或9位，由USARTT_CR1的M位控制。

1）发送器

当USART_CR1寄存器的发送使能位TE置1时，启动数据发送，发送移位寄存器的数据会在TX引脚输出，低位在前，高位在后。如果是同步模式SCLK也输出时钟信号。

一个字符帧发送需要3部分：起始位、数据帧、停止位。起始位是一个位周期的低电平，位周期就是每一位占用的时间；数据帧就是我们要发送的8或9位数据，数据是最低位开始传输的；停止位是一定时间周期的高电平。

停止位的时间长短可以通过USART控制寄存器2（USART_CR2）的STOP[1:0]位控制，可选0.5个、1个、1.5个、2个停止位。默认使用1个停止位。2个停止位适用于正常USART模式、单线模式和调制解调器模式。0.5和1.5个停止位用于智能卡模式。

当发使能位TE置1之后，发送器开始会发送一个空闲帧（一个数据帧长度的高电平），接下来就可以往USART_DR寄存器写入要发送的数据。在写入最后一个数据后，需等待USART状态寄存器（USART_SR）的TC位为1，表示数据传输完成。USART_CR1寄存器的TCIE位置1，则产生中断。

发送数据时，几个重要的标志位如下：

TE:发送使能。

TXE:发送寄存器为空，发送单个字节时使用。

TC:发送完成，发送多个字节数据时候使用。

TXIE:发送完成中断使能。

2）接收器

将CR1寄存器的RE位置1，使能USART接收，使得接收器在RX线开始搜索起始位。在确定起始位后，就根据RX线电平状态把数据存放在接收移位寄存器内。接收完成后就把接收移位寄存器的数据移到PDR内，并把USART_SR寄存器的RXNE位置。如果USART_CR2寄存器的RXNEIE置1可以产生中断。

接收数据时，几个重要的标志位如下：

RE: 接收使能。

RXNE:读数据寄存器非空。

RXNEIE:发送完成中断使能。

4.小数波特率生成

USART 的发送器和接收器使用相同的波特率。计算公式如下：

其中，f PLCK 为 USART 时钟， USARTp 是一个存放在波特率寄存器(USART_BRR)的一个无符号定点数。其中 p_Mantissa[11:0]位定义 USARTp 的整数部分，p_Fraction[3:0]位定义 USARTp 的小数部分。

例如：p_Mantissa=24(0x18)，p_Fraction=10(0x0A)，此时 USART_BRR 值为0x18A；那么USARTp的小数位10/16=0.625；整数位24，最终USARTp的值为24.625。

如果知道 USARTp 值为 27.68，那么 p_Fraction=16*0.68=10.88，最接近的正整数为 11，所以 p_Fraction[3:0]为 0xB；p_Mantissa=整数(27.68)=27，即为 0x1B。

波特率的常用值有 2400、9600、19200、115200。下面以实例讲解如何设定寄存器值得到波特率的值。

我们知道 USART1 使用 APB2 总线时钟，最高可达 72MHz，其他 USART 的最高频率为 36MHz。我们选取 USART1 作为实例讲解，即 f PLCK =72MHz。为得到 115200bps 的波特率，此时：

115200 =72000000/(16 ∗ USARTp)

解得 USARTp=39.0625，可算得 p_Fraction=0.0625*16=1=0x01 ，p_Mantissa=39=0x27，即应该设置 USART_BRR 的值为 0x171。

5.校验控制

STM32F103系列控制器USART支持奇偶校验。使用校验位时，串口传输的长度将在8位数据帧上加上1位的校验位，总共9位，此时USART_CR1寄存器的M位需要设置位1，即9数据位。将USART_CR1寄存器的PCE位置1就可以启动奇偶校验控制，奇偶校验由硬件自动完成。启动了奇偶校验控制之后，发送数据帧时会自动添加校验位，接收数据自动验证校验位。接收数据时如果出现奇偶校验位验证失败，会将USART_SR寄存器的PE置1，并可以产生奇偶校验中断。

使用了奇偶校验控制位后，每个字符帧的格式变成了：起始位+数据帧+校验位+停止位。

根据M位定义的帧长度，可能的USART帧格式列在下表中。