1-4-1 USART串口协议 | 🐟🐟's blog

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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

STM32芯片中集成了很多功能模块，eg：定时器计数、PWM输出、AD采集……即读写操作芯片内部的寄存器。
很多芯片没有的功能eg：蓝牙无线遥控功能、陀螺仪加速计测量姿态……只能外挂芯片来实现。
外挂的芯片都在STM32外面。STM32如何获得这些数据呢？在设备之间连接一根/多根通信线路发送和接收数据，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

💡

USART:

引脚TX、RX（TXD、RXD）

TX（Transmit Exchange）：数据发送脚。RX（Receive Exchange）：数据接收脚

I2C：

引脚：SCL、SDA

SCL(Serial Clock)：时钟。SDA：（Serial Data）：数据

SPI：

引脚：SCLK、MOSI、MISO、CS

SCLK(Serial Clock)时钟、MOSI(Master Output Slave Input)主机输出数据脚、MISO、CS（Chip Select）片选：指定通信的对象

CAN:

引脚：CAN_H、CAN_L

差分数据脚，用两个引脚代表一个差分数据

USB：

引脚:DP、DM

DP(Data Positive)（D+），DM（Data Minus）（D-）。差分数据脚

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双工

全双工通信：两根通信线，发送线路和接受线路互不影响。

eg：串口：一根TX发送，一根RX接收。SPI:一根MOSI发送，一根MISO接收。

半双工通信：一根通信线。

（I2C\CAN\USB，CAN和USB的两根差分线也是组合成一根数据线的。）

单工通信：数据只能从一个设备到另一个设备，不能反过来。

串口的RX去掉，就变成单工了。

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时钟

eg：当发送方发送一个高低电平，接收方不知道发送的是（1和0）还是（1100）还是……

所以需要时钟信号让接收方知道：什么时候需要采集数据

同步通信：

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

异步通信：

剩下的串口\CAN\USB没有时钟线，需要双方约定一个采样频率。并且需要加一些帧头帧尾等，进行采样位置的对齐。

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电平特性

单端:

引脚的高低电平都是对GND的电压差。单端通信的双方必须要共地（把GND接在一起）。（USART\I2C\SPI引脚里面还需要接一个GND引脚）

差分:

靠两个差分引脚的电压差来传输信号的。通信的时候可以不需要GND。使用差分信号可以极大地提高抗干扰性，所以常被用来实现高速度和远距离通信。

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设备

点对点通信：

双方直接传输数据就好

多设备通信：可以在总线上挂载多个设备

需要寻址以确定通信对象

串口通信

单片机和电脑通信是串口通信的优势，常用于接电脑屏幕，调试打印信息。（I2C和SPI等是芯片之间的通信，不会接在电脑上）

USB转串口模块：芯片CH340,将串口协议转化成USB协议。一口接电脑，一口接支持串口通信的芯片的引脚。

陀螺仪传感器模块，可以测量角速度、加速度等姿态参数。

蓝牙串口模块：下面引脚是串口通信的引脚，上面的芯片和手机互联。

硬件电路

VCC和GND是供电，TX和RX是单端信号，即高低电平是相对于GND

TX\RX\GND必须要接，如果两个设备都有独立供电，VCC可以不接。如果设备1为STM32有独立供电，设备2为蓝牙模块，没有独立供电。那么需要把STM32的VCC和蓝牙模块的VCC接在一起。STM32通过VCC线向设备2供电，注意电压。

如果只需要单向通信eg：设备1到设备2，那么只用接设备1的TX到设备2的RX即可。

一般为TTL电平，不同电平信号需要加电平转换芯片，转接一下。

协议规定：一个设备使用TX发送高低电平，一个设备用RX接受高低电平。3.3vTTL电平，相对GND为逻辑1。0v为逻辑0。

电平标准

电压和数据的对应关系。

逻辑1代表VCC，逻辑0代表GND。

串口参数及时序

时序图：串口发送一个字节的格式。

串口中每一个字节都装载在一个数据帧里面，每一个数据帧都由起始位、数据位、停止位组成。

数据位8位（即一个字节），数据位9位（8位有效载荷（1字节）+1位奇偶校验位）

波特率：串口通信的速率。串口使用异步通信，需要双方约定一个通信速率。eg：我每隔1s发送一位，你每隔1s接收一位。

比特率：每秒传输比特数，bit/s，bps，在二进制调制下：一个码元为一个bit，高电平为1，低电平为0，波特率=比特率
eg：约定波特率为1000bps，1s要发1000位，每一位就是1ms。

起始位：表示一个数据帧的开始，固定为低电平。

串口空闲状态，引脚为高电平。需要传输时，必须要发送一个起始位（低电平），产生下降沿，告诉接收设备，这个数据帧要开始了。

停止位：表示数据帧间隔，固定为高电平。同时为下一个起始位做准备。如果没有数据了，空闲状态也是高电平。

如果没有停止位，当我数据的最后一位是0的时候，就无法产生下降沿。

数据位：低位先行。

发送0x0F,转化成二进制为00001111，低位先传输。高高高高低低低低。形成波形如下图。如果需要发送0x0F，就需要设置定时翻转引脚电平，产生这样的波形。

校验位：三种方式：无校验、奇校验、偶校验。判断数据传输是否出错，出错选择丢弃或重传。

波形组成：起始位，数据位，校验位，停止位。
奇校验：包括校验位在内的9位数据会出现奇数个1。

eg：00001111，那么校验位需要再补充一个1，实现奇数个1。
eg：00001110，那么校验位需要补充一个0。
发送方在发送数据后会补充一个校验位，保证1的个数为奇数。接收方会验证数据中1的个数判断传输是否出错。如果在传输过程中，因为干扰，一位1变为0/0变为1，则数据出错，要求丢弃或重传。

偶检验：包括校验位在内的9位数据会出现偶数个1。
准确性更高的校验：CRC校验。

0x55：01010101

波特率：9600，即一秒发送9600位，每一位就是1/9600s，大概是104us

波特率变为4800，波形时长就会变成原来的两倍。

波形解析：

空闲状态为高电平，数据帧开始，先发送起始位产生下降沿，表示数据开始。
数据转化为01010101，低位先行。10101010

8位数据1位停止无校验：8位数据之后引脚置为高电平。表示一个数据帧完成

停止位的位数是可以发生变化的：
连续发生两个0x55,停止位2位比1位数据分隔得更宽。

TX发送数据的两种方式：

在STM32中，根据字节数翻转高低电平，是由USART外设自动翻转。
也可以软件模拟产生波形。定时器定一个104us的时间，根据数据帧要求，调用GPIO_WriteBit设置高低电平，进行高低电平的翻转。

RX接收数据的两种方式：

USART外设自动
软件模拟：定时调用GPIO_ReadInputDataBit来读取每一位。拼接为一个字节。
接收时，需要一个外部中断，在起始位的下降沿触发，进入接收状态，对齐采样时钟，依次采样8次。

💡

总结：

TX定时输出高低电平。

RX定时接收高低电平。

USART外设

USART：通用同步/异步收发器，UART:通用异步收发器。

同步模式多了个时钟输出。只支持时钟输出，不支持时钟输入。同步模式更多是为了兼容其他协议/特殊用途。并不支持两个USART之间同步通信。所以一般看来USART和UART没有区别。

串口主要通过波形来收发信息，USART外设就是串口通信的硬件支持电路。

当我们配置好USART电路，直接读写寄存器，就可以自动发送和接收数据了。

波特率发生器：即一个分频器，eg:APB2总线72MHz的频率。然后波特率发生器进行一个分频，得到我们想要的波特率时钟，在这个时钟下进行收发，即我们指定的通信波特率。

同步模式：多一个CLK时钟线。

硬件流控制：防止B设备因为处理数据慢而导致的数据丢失问题。硬件电路上多出一根线，A设备向B设备高速发送数据。如果B没准备好接收，就置高电平。如果准备好了就置低电平。A接收到B反馈的准备信号，就只会在B准备好的时候才发送数据。

STM32F103C8T6一共有三个USART外设资源，USART1是APB2总线上的设备，USART2和USART3是APB1总线上的设备。

USART框图

程序上只表现为一个寄存器，数据寄存器：DR。实际硬件里面有两个寄存器：TDR/RDR（一个用于发送，一个用于接收。TDR只写，RDR只读。）

发送移位寄存器/接收移位寄存器：将数据一位一位发送/接收，正好对应串口协议的波形数据位。

发送移位寄存器

工作原理：如果给TDR写入0x55数据，寄存器里为01010101。硬件检测到数据写入，就会检查当前移位寄存器是否有数据正在移位，如果没有：01010101就会全部移入发送移位寄存器准备发送。当数据从TDR移入发送移位寄存器时，会置一个标志位（TXE:TX Empty）。如果置1，那么就可以在TDR写入下一个数据了。
发送移位寄存器就可以在下面的发生器控制的驱动下，一位一位将数据输入到TX引脚。向右移位和串口协议规定的低位先行一致。
两个寄存器缓存，有利于连续接收。

接收移位寄存器：

在接收器控制的驱动下一位一位接收高低电平，向右移位。当接收8位后，将数据整体传给RDR。转移过程中也设置一个标志位RXNE(RX Not Empty)（接收数据寄存器非空）当我们检测到RXNE置1，就可以把数据读走了。

SCLK控制：配合发送移位寄存器输出。每移一位，同步时钟电平就跳变一个周期。

中断控制：配置中断能不能通向NVIC

中断控制位

波特率发生器

fPCLKx:APB1/APB2

串口引脚（F103）

引脚复用以及重映射

USART基本结构

时钟来源：PCLK2/1,波特率发生器分频，产生必要的时钟（通信速率）发送给发送接收器和接收控制器。

软件层面只有一个DR寄存器供我们读写。

数据帧

字长设置

最好选择9位字长有校验，8位字长无校验（保证一个字节的数据）。

配置停止位

一位停止位时长=一位数据位时长

采样

采样的高电平在每一位的正中间，使得读入的高低电平是稳定的。过前或过后会使得可能高低电平正在翻转导致采样误差。
侦测到一个起始位后，就会以波特率的频率，连续采样一帧数据。起始位开始，采样位置就要对齐到位的正中间，后面就会都对齐正中间了。

一个数据位有16个采样时钟，起始位侦测对齐采样时钟。直接在8，9，10位采样数据（即在该位的正中间采样）连续采样三次，全为1，就为1；全为0，就为0。其他以2：1的标准来执行，同时噪声标志位NE置1.

波特率发生器

DIV分为整数部分和小数部分

/16是因为还有一个16倍波特率的采样时钟，所以输入时钟/DIV=16倍的波特率。计算波特率就得/16

eg：USART1波特率为9600，9600=72M/(16*DIV)，解得DIV=468.75,转化为二进制111010100.11数据写入寄存器。多出部分补0,
库函数只用输入波特率，会自动帮我们转换。

USB转串口原理图

经过CH340转换，输出为TXD和RXD，串口协议。

注意供电图：USB为5V供电，经过稳压电路也有3.3v。都引出。其中5号引脚为CH340VCC，是CH340的电源输入脚。

状态寄存器SR（存放状态）/数据寄存器DR（存放最关键的数据）/配置寄存器CR（存放各自配置参数）

代码1：串口发送

接线图

跳线帽接VCC:3.3V和VCC,两个设备要把GND接在一起，进行共地。

TX和RX交叉连接：TXD接板子的RX即PA10,RXD接板子的TX即PA9

串口模块和STLINK都要插在电脑上，保证两个模块都有独立供电。

保证串口模块的驱动已安装

库函数

（很多事增强功能的函数，需要这个功能再去了解相关的函数）

💡

SendData：写DR寄存器，RecieveData：读DR寄存器

如何发送和接收，软件一律不管。

标志位相关的函数。

代码思路

💡

串口初始化：

第一步：开启时钟，将USART和GPIO的时钟都打开。

第二步：GPIO初始化，将TX配置成复用输出，将RX配置为输入。

第三步：配置USART，直接使用一个结构体。

第四步：如果只需要发送功能，直接开启USART。如果既需要发送又需要接收功能，就还得配置一下中断。

接收数据：调用接收数据的函数

发送数据：调用发送数据的函数

获取发送和接收的状态：调用获取标志位的函数

代码分析

第一步：开启时钟，将USART和GPIO的时钟都打开。

第二步：GPIO初始化，将TX配置成复用输出，将RX配置为输入。

TX引脚是USART外设的数据输出脚，选用复用推挽输出。
RX引脚是USART外设的数据输入脚，选择输入模式。输入模式并不分普通/复用输入。一根线只能有一个输出，但可以有多个输入。所以输入脚外设和GPIO可以同时用。RX配置是浮空输入/上拉输入

第三步：配置USART，直接使用一个结构体。

当写入波特率后，该函数会自动帮我们算好分频系数等，写入BRR寄存器
定义一个结构体，将所有参数引出，将结构体的地址传入初始化。

复制名称，crtl+alt+空格选择

选择模式，如果即想要发送又需要接收，那就USART_Mode_RX|USART_Mode_TX（或符号连接），和GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_1用法相同

选择校验位

选择停止位

选择字长（8位/9位）

第四步：如果只需要发送功能，直接开启USART。

接收数据：调用接收数据的函数

发送到TXD后，等待TXE置1（即数据移动到移位寄存器后），才又写入数据（否则会发生数据覆盖）

条件循环等待：TXE==RESET，等待。TXE=SET,循环结束，结束等待。

标志位自动清0(标志位置1后不需要手动清0）

HEX模式：以原始数据的形式显示

文本模式：显示字符串，41数据解析成A

数据模式

HEX模式：只能显示一个个十六进制的数据，不能显示文本/符号

显示文本，需要对一个个数据进行编码，查找字符集，。

空字符：对应原始数据是0x00，保留位，不映射任何字符。一般作为字符串的结束位，字符串遇到数据0x00后，就代表字符串结束了。

想显示和存储汉字，也得制定汉字的字符集（GB2312\GBK\GB18030）

将全球的字符收录到一个统一的字符集Unicode字符集，最常用的传输形式是UTF8

字符和数据在发送和接收的转换关系。线路中传输的必须是十六进制数，0x41。

Serial_SendArray

注意：

第一个参数为数组的首地址，传递一个指针。第二个参数为length，可以根据长度定义为uint16_t,uint32_t。

遍历数组（循环length次）。不断调用Serial_SendByte(Array[i])。

main.c

一般使用HEX模式

Serial_SendString

注意：

char * == uint8_t *

字符串自带一个结束标志位，所以就不需要传递长度参数了。这里的数据0，对应刚刚所说的空字符，是字符串结束的标志位。也可以写成字符的形式’\0’(空字符的转义字符)

头文件声明

main.c

注意：

字符串用双引号，写完这个字符串之后，编译器会自动补上结束标志位。所以字符串的存储空间=字符串长度+1；

一般用文本模式

想要换行：转义字符\r\n

Serial_SendNumber

注意：

在函数内我们需要把Number的位数按十进制分开。

eg：12345

取万位：12345/10000%10=1%10=1
取千位：12345/1000%10=12%10=2
取百位：12345/100%10=123%10=3
取十位：12345/10%10=1234%10=4
取个位：12345/1%10=12345%10=5
总结：取x位，即数字/10^x%10(/10^x即将右边x-1位去掉，%10将左边去掉，保留目标位)

优先级位图法：prio/8去掉低三位。

次方函数

Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10,i) % 10); i=0,即第一次取出来的是个位

第一次取出来最高位，即Length-i-1；

因为10000=10^4(即4个0)
注意临界情况：第五次循环，i=4，Length-i-1=0，10^0=1,取到个位。
修改代码为：Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10,Length - i - 1) % 10);

最终以字符的形式显示，则需要对照ASCII表加上偏移量：

字符0对应的数据是0x30，所以+0x30/+’0’
Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - i -1) % 10 + 0x30);

printf

MicroLIB:Keil精简库

将printf进行重定向，将printf函数打印的东西输出到串口。（printf默认将输出到屏幕，单片机没有屏幕）

在Serial.c里面加入#include <stdio.h> ,重写printf函数(fputc为printf的底层函数)

int ch：这个参数是你需要输出的字符，它是一个整数类型，但只占用 1 字节存储。字符是以 ASCII 码的形式传递给 fputc，比如字符 'A' 对应的 ASCII 值是 65，字符 'a' 对应的是 97。

FILE *f：这个参数是指向 FILE 类型的指针。FILE 是标准 I/O 库用来表示文件或设备的结构。在嵌入式开发中，我们不关心它的具体内容，通常传递的是一个 NULL 或者一个已经打开的文件句柄（如果你有文件输出的需求）。在重定向 printf 的输出时，这个参数实际上不会被用到，但它是标准 fputc 函数的一部分。