STM32串口通信的原理

通信接口背景知識(shí)

設(shè)備之間通信的方式

一般情況下，設(shè)備之間的通信方式可以分成并行通信和串行通信兩種。并行與串行通信的區(qū)別如下表所示。

串行通信的分類

1、按照數(shù)據(jù)傳送方向，分為：

• 單工：數(shù)據(jù)傳輸只支持?jǐn)?shù)據(jù)在一個(gè)方向上傳輸；
• 半雙工：允許數(shù)據(jù)在兩個(gè)方向上傳輸。但是，在某一時(shí)刻，只允許數(shù)據(jù)在一個(gè)方向上傳輸，它實(shí)際上是一種切換方向的單工通信；它不需要獨(dú)立的接收端和發(fā)送端，兩者可以合并一起使用一個(gè)端口。
• 全雙工：允許數(shù)據(jù)同時(shí)在兩個(gè)方向上傳輸。因此，全雙工通信是兩個(gè)單工通信方式的結(jié)合，需要獨(dú)立的接收端和發(fā)送端。

2、按照通信方式，分為：

• 同步通信：帶時(shí)鐘同步信號(hào)傳輸。比如：SPI，IIC通信接口。
• 異步通信：不帶時(shí)鐘同步信號(hào)。比如：UART(通用異步收發(fā)器)，單總線。

在同步通訊中，收發(fā)設(shè)備上方會(huì)使用一根信號(hào)線傳輸信號(hào)，在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下雙方進(jìn)行協(xié)調(diào)，同步數(shù)據(jù)。例如，通訊中通常雙方會(huì)統(tǒng)一規(guī)定在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿或者下降沿對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣。

在異步通訊中不使用時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，它們直接在數(shù)據(jù)信號(hào)中穿插一些用于同步的信號(hào)位，或者將主題數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，以數(shù)據(jù)幀的格式傳輸數(shù)據(jù)。通訊中還需要雙方規(guī)約好數(shù)據(jù)的傳輸速率（也就是波特率）等，以便更好地同步。常用的波特率有4800bps、9600bps、115200bps等。

在同步通訊中，數(shù)據(jù)信號(hào)所傳輸?shù)膬?nèi)容絕大部分是有效數(shù)據(jù)，而異步通訊中會(huì)則會(huì)包含數(shù)據(jù)幀的各種標(biāo)識(shí)符，所以同步通訊效率高，但是同步通訊雙方的時(shí)鐘允許誤差小，稍稍時(shí)鐘出錯(cuò)就可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)亂，異步通訊雙方的時(shí)鐘允許誤差較大。

常見(jiàn)的串行通信接口

STM32串口通信基礎(chǔ)

STM32的串口通信接口有兩種，分別是：UART（通用異步收發(fā)器）、USART（通用同步異步收發(fā)器）。而對(duì)于大容量STM32F10x系列芯片，分別有3個(gè)USART和2個(gè)UART。

UART引腳連接方法

• RXD：數(shù)據(jù)輸入引腳，數(shù)據(jù)接受；
• TXD：數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，數(shù)據(jù)發(fā)送。

對(duì)于兩個(gè)芯片之間的連接，兩個(gè)芯片GND共地，同時(shí)TXD和RXD交叉連接。這里的交叉連接的意思就是，芯片1的RxD連接芯片2的TXD，芯片2的RXD連接芯片1的TXD。這樣，兩個(gè)芯片之間就可以進(jìn)行TTL電平通信了。

若是芯片與PC機(jī)（或上位機(jī)）相連，除了共地之外，就不能這樣直接交叉連接了。盡管PC機(jī)和芯片都有TXD和RXD引腳，但是通常PC機(jī)（或上位機(jī)）通常使用的都是RS232接口（通常為DB9封裝），因此不能直接交叉連接。RS232接口是9針（或引腳），通常是TxD和RxD經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換得到的。故，要想使得芯片與PC機(jī)的RS232接口直接通信，需要也將芯片的輸入輸出端口也電平轉(zhuǎn)換成rs232類型，再交叉連接。

經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后，芯片串口和rs232的電平標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的：

• 單片機(jī)的電平標(biāo)準(zhǔn)（TTL電平）：+5V表示1，0V表示0；
• Rs232的電平標(biāo)準(zhǔn)：+15/+13 V表示0，-15/-13表示1。
  RS-232通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)串口的設(shè)備間通訊結(jié)構(gòu)圖如下：

所以單片機(jī)串口與PC串口通信就應(yīng)該遵循下面的連接方式：在單片機(jī)串口與上位機(jī)給出的rs232口之間，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路(如下面圖中的Max232芯片) 實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS232電平之間的轉(zhuǎn)換。

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RS232串口簡(jiǎn)介**

臺(tái)式機(jī)電腦后面的9針接口就是com口(串口) 在工業(yè)控制 數(shù)據(jù)采集上應(yīng)用廣泛上圖中，最右邊的是串口接口統(tǒng)稱為RS232接口，是常見(jiàn)的DB9封裝。

通信過(guò)程中只有兩個(gè)腳參與通信。

• 2腳：電腦的輸入RXD
• 3腳：電腦的輸出TXD 通過(guò)2 ，3 腳就可以實(shí)現(xiàn)全雙工(可同時(shí)收發(fā))的串行異步 通信
• 5腳：接地

單片機(jī)的P3口是有兩個(gè)復(fù)用接口RXD 和TXD。這是單片機(jī)進(jìn)行串行通信的收發(fā)口，連接應(yīng)該錯(cuò)位的對(duì)應(yīng)到電腦的TDX RDX上。注意：?jiǎn)纹瑱C(jī)和RS232的電平標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的。

單片機(jī)的電平標(biāo)準(zhǔn) TTL電平 ：+5V表示1 0V表示0。

RS232的電平標(biāo)準(zhǔn) +15/+13 V表示1 -15/-13 表示0。

所以 單片機(jī)與電腦串口通信就應(yīng)該遵循下面的連接方式：

在單片機(jī)與上位機(jī)給出的rs232口之間 通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路(最上面圖中的Max232芯片) 實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS232電平之間的轉(zhuǎn)換，PC串口與單片機(jī)串口連接方式圖：

注意這兩個(gè)DB9：DB91是在電腦上的 DB92是在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板上焊接著的。

這里的交叉連接的意思是 DB91的RXD連著DB92的TXD。

DB92的RXD連著DB91的TXD這樣交叉著連接，如果電腦沒(méi)有RS232口 只有USB口，可以用串口轉(zhuǎn)接線轉(zhuǎn)出串口。

這個(gè)時(shí)候在電腦上位機(jī)上需要安裝串口驅(qū)動(dòng)程序。

注意，這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)的是PL2303芯片(在上圖的大頭里面) 使得RS232信息轉(zhuǎn)換成USB信息。

下圖為上圖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

用串口通信比USB簡(jiǎn)單，因?yàn)榇谕ㄐ艣](méi)有協(xié)議，使用方便簡(jiǎn)單。

STM32的UART特點(diǎn)

• 全雙工異步通信；
• 分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器系統(tǒng)，提供精確的波特率。發(fā)送和接受共用的可編程波特率，最高可達(dá)4.5Mbits/s；
• 可編程的數(shù)據(jù)字長(zhǎng)度（8位或者9位）；
• 可配置的停止位（支持1或者2位停止位）；
• 可配置的使用DMA多緩沖器通信；
• 單獨(dú)的發(fā)送器和接收器使能位；
• 檢測(cè)標(biāo)志：
  ① 接受緩沖器
  ②發(fā)送緩沖器空
  ③傳輸結(jié)束標(biāo)志；
• 多個(gè)帶標(biāo)志的中斷源，觸發(fā)中斷；
• 其他：校驗(yàn)控制，四個(gè)錯(cuò)誤檢測(cè)標(biāo)志。

串口通信過(guò)程

STM32中UART參數(shù)

串口通訊的數(shù)據(jù)包由發(fā)送設(shè)備通過(guò)自身的TXD接口傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備的RXD接口，通訊雙方的數(shù)據(jù)包格式要規(guī)約一致才能正常收發(fā)數(shù)據(jù)。

STM32中串口異步通信需要定義的參數(shù)：起始位、數(shù)據(jù)位（8位或者9位）、奇偶校驗(yàn)位（第9位）、停止位（1,15,2位）、波特率設(shè)置。

UART串口通信的數(shù)據(jù)包以幀為單位，常用的幀結(jié)構(gòu)為：1位起始位+8位數(shù)據(jù)位+1位奇偶校驗(yàn)位（可選）+1位停止位。如下圖所示：

奇偶校驗(yàn)位分為奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)兩種，是一種簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)誤碼校驗(yàn)方法。奇校驗(yàn)是指每幀數(shù)據(jù)中，包括數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位的全部9個(gè)位中1的個(gè)數(shù)必須為奇數(shù)；偶校驗(yàn)是指每幀數(shù)據(jù)中，包括數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位的全部9個(gè)位中1的個(gè)數(shù)必須為偶數(shù)。

校驗(yàn)方法除了奇校驗(yàn)(odd)、偶校驗(yàn)(even)之外，還可以有：0 校驗(yàn)(space)、1 校驗(yàn)(mark)以及無(wú)校驗(yàn)(noparity)。 0/1校驗(yàn)：不管有效數(shù)據(jù)中的內(nèi)容是什么，校驗(yàn)位總為0或者1。

UART（USART）框圖

這個(gè)框圖分成上、中、下三個(gè)部分。

框圖的上部分，數(shù)據(jù)從RX進(jìn)入到接收移位寄存器，后進(jìn)入到接收數(shù)據(jù)寄存器，最終供CPU或者DMA來(lái)進(jìn)行讀?。粩?shù)據(jù)從CPU或者DMA傳遞過(guò)來(lái)，進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，后進(jìn)入發(fā)送移位寄存器，最終通過(guò)TX發(fā)送出去。

然而，UART的發(fā)送和接收都需要波特率來(lái)進(jìn)行控制的，波特率是怎樣控制的呢？

這就到了框圖的下部分，在接收移位寄存器、發(fā)送移位寄存器都還有一個(gè)進(jìn)入的箭頭，分別連接到接收器控制、發(fā)送器控制。而這兩者連接的又是接收器時(shí)鐘、發(fā)送器時(shí)鐘。也就是說(shuō)，異步通信盡管沒(méi)有時(shí)鐘同步信號(hào)，但是在串口內(nèi)部，是提供了時(shí)鐘信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的。而接收器時(shí)鐘和發(fā)送器時(shí)鐘有是由什么控制的呢？

可以看到，接收器時(shí)鐘和發(fā)送器時(shí)鐘又被連接到同一個(gè)控制單元，也就是說(shuō)它們共用一個(gè)波特率發(fā)生器。同時(shí)也可以看到接收器時(shí)鐘（發(fā)生器時(shí)鐘）的計(jì)算方法、USRRTDIV的計(jì)算方法。