通信协议简介

USART串口

硬件电路

 

通信距离： 

        ·TTL和RS232通信距离只有几十米

        ·RS485电平通信距离可达上千米

应用场景：

        ·TTL用于单片机这种低压小型设备

        ·RS232一般在大型机器上使用，由于环境比较恶劣静电干扰比较大，所以电压电平比较大，允许的波动范围也比较大

        ·RS485是两线压差，也就是差分信号，抗干扰能力较强

串口参数及时序

        串口中，每一个数据都装载在一个数据帧里面，每个数据帧都由 起始位 数据位 和 停止位组成，左边的图数据位有八个，代表一个字节的八位，在右边的图中还可以在最后一位加上一位奇偶校验位，数据位总共就变成了9位。其中有效载荷位是前八位，代表一个字节，校验位跟在有效载荷位后面。

波特率：

        用途：规定串口通信的速率。串口一般是使用异步通信，所以需要双方约定一个通信的速率。比如发送方每隔一秒发送一位，那接收方就得每个一秒接收一位，如果波特率是1000，那么一秒就发送1000位，每一位发送的间隔时间为1ms。如果接收快了就会重复接收某些位，接收慢了就会漏掉某些位。波特率是每秒传输码元的个数，单位是码元/s，或者直接叫波特（Baud），另外还有个速率表示叫比特率，意思是每秒传输的比特数，单位是bit/s，或者叫bps。在二进制调制的情况下，一个码元就是一个bit，此时波特率就等于比特率。单片机串口的通信基本都是比特率调制，高电平表示1，低电平表示0，一位就是1bit。串口的波特率经常会和比特率混用，因为这两个说法的数值相等。注意如果是多进制调制，那么波特率和比特率就不一样。

起始位：

        标志一个数据帧的开始，固定位低电平。串口的空闲状态是高电平，也就是没有数据传输的时候，引脚必须置高电平。要开始传输的时候必须先发送一个起始位，这个起始位必须是低电平来打破空闲时候的高电平，产生一个下降沿。这个下降沿将会告诉接收设备，这一帧数据要开始了。如果没有起始位的话，发送八个1，那么数据线一直是高电平，没有任何数据波动，接收方无法判断是否发送了数据。所以一定要有一个固定为低电平的起始位。

数据位：

        比如发送一个字节是0x0f，先转化为二进制 0000 1111 ，地位先行，所以数据要从地位开始发送，也就是将1111 0000依次放在引脚上。可以按波特率要求，定时翻转电平，产生相应的波形便可以发送该数据。

校验位：

        这里串口使用的是一种叫做奇偶校验的验证方法，用来判断数据传输是否出错。如果数据出错了可以选择丢弃或者要求重传。校验可以选择三种方式，分别是：无校验、奇校验和偶校验。

无校验：

        无校验就是不需要校验位，波形就是左边的图（串口参数及时序下方的图），包含有起始位、数据位和停止位三个部分。

奇偶校验：

        奇校验和偶校验的波形是右边的图（串口参数及时序下方的图），包含起始位、数据位、校验位和停止位四个部分。

奇校验：

        如果使用了奇校验，那么包括校验位在内的9位数据会出现奇数个1，比如传输的是

0000 1111，目前总共是4个1，是偶数个，那么校验位就需要再补一个1，连同校验位一共就是0000 1111 1 一共五个1，保障1为奇数。如果数据是0000 1110一共三个1是奇数个，那么校验位就补一个0，连同校验位一共就是0000 1110 0，总共还是3个1。发送方在发送数据后会补一个校验位，保证1的个数为奇数。接收方在接收数据后会验证数据位和校验位，如果1的个数还是奇数，那就认为数据没有出错。如果在传输过程中，因为干扰有一位由1变为0，或者由0变成1，那么整个数据的奇偶特性就会发生变化，接收方一验证，发现1的个数不是奇数，那就认为传输出错，可以选择丢弃或者重传。

偶校验：

        保证1 的个数是偶数，校验方法同理奇校验。

缺点：

        当两位数据同时出错时，奇偶特性不变时，那就校验不出，奇偶校验只能保证一定程度上的校验。如果要求更高的检出率，可以使用CRC校验，好用但是复杂

停止位：

        同理，在一个字节数据发送完成之后必须要有一个停止位。这个停止位的左右是，用于数据帧的间隔，固定为高电平。同时这个停止位也是为了下一个起始位做准备。如果没有起始位，当数据的最后一位是0的时候，下次再发送一帧的时候就没办法产生下降沿。如果没有数据了，引脚也恰好为高电平。那么代表引脚处于空闲状态。

串口时序：

示波器捕捉波形操作方法：

        将探头的GND接在负极，探头接在发送设备的TX引脚。在发送数据时就可以捕捉到这些波形。 

（1）发送0x55：

        

         这是发送0x55时TX引脚发送数据时输出的波形。波特率是9600，所以每一位的时间就是1/9600，大概就是104us，如上图所示，比100us略多一点。没发送数据的时候是空闲时态，发送数据的时候数据帧先发送起始位，产生下降沿代表数据帧开始，数据0x55转为2进制，低位先行，发送1010 1010，八位数据，一位停止，无校验位，之后便是停止位（图中的P处），把引脚置回高电平，这样一个数据帧就完成了。

        在stm32中，根据字节数据翻转高低电平是由USART外设自动完成。也可以手动完成，定时器定一个104us的时间，时间到之后，按照数据帧的要求调用GPIO_WriteBit置高低电平，产生一模一样的波形，也是可以完成串口通信的。TX引脚发送就是置高低电平，显然RX引脚就是读高低电平，定时调用GPIO_ReadInputDataBit读取每一位去拼接成一个字节。当然，接收的时候还需要一个外部中断，在起始位的下降沿触发，进入接收状态，并且对齐采样时钟，然后依次采样八次，这就是接收的逻辑。

（2）发送0XAA：

        在起始位下降沿之后的一个数据帧的时间内，图中的高电平都是作为数据1来看的。当数据帧结束之后（大概在图中P的位置），虽然还是1没有变化，但是已经处于空闲状态，需要等待下一个下降沿来开启新的一帧数据。

（3）波特率更改为一半：

        将波特率改为4800，与前面9600相比，变成了一半而已，那相应的波形时长就会变回原来的二倍，每一位的间隔也大概为208us，也就是之前的两倍。虽然波形的时间拉宽，但是波形的趋势是不变的

（4）增加奇偶校验位：

        增加了偶校验位，数据还是0x55，1的个数是4个，已经是偶数了，所以如图输出校验位C是低电平0，此时包括数据校验位在内的数据总共是偶数个1

（5）停止位：

        串口的停止位是可以进行配置的，可以选择1位、1.5位、2位等，上面的波形是1为停止位，连续发送两次0x55，两个数据帧会连接在一起，中间没有空闲状态。下面的是2位停止位，连续发送两个0x55，如图可见，停止位就是两位的宽度，中间也没有空闲状态，不过数据的分隔将会更宽。

STM32的USART外设：

        ·USART，Synchronous是同步的意思，另外还有个串口叫UART，少了个S，就是异步发射器。一般串口很少使用这个功能，所以使用起来USART和UART没有什么区别。对于stm32来说USART只是比UART多了个时钟而已，但是只支持时钟输出不支持时钟输入，这个模式更多的是为了兼容别的协议或特殊用途使用的，并不支持两个USART之间进行同步通信，也就是说学习串口仅是使用异步通信，即USART和UART没区别。

        ·这个波特率发生器就是用来配置波特率的，本质上就是一个分频器，比如给APB2总线给个72MHz，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，最后在这个时钟下进行收发，就是我们指定的通信波特率。

        ·可配置数据位长度8或9，这里的参数就是我们前面“串口参数与时序”中的图，是包含奇偶校验位的长度，一般不需要校验位就选8位，需要校验位就选9位。停止位长度支持多种停止位，也就是在”串口时序“这个图中，进行连续发送时，停止位长度决定了帧的间隔。常用1位的停止位，其他的较为少用。

        ·硬件流控制：比如A设备有个TX向B设备的RX发送数据，A设备一直在发，发的太快了，B设备处理不过来，如果没有硬件流控制，那B设备只能抛弃新数据或覆盖原数据。如果有硬件流的话，在硬件电路上就会多出一根线，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接收到了B反馈的信号，就只会在B准备好的时候才会发送数据，如果B没准备好那么数据就不会发送出去。硬件流控制可以较好的防止设备B因处理慢而导致数据丢失的问题。

        ·DMA：如果有大量的数据进行收发，可以使用DMA转运数据，减轻CPU的负担

        ·USART1是APB2总线上的设备，USART2和USART3都是APB1总线上的设备，开启时钟的时候需要注意，使用的时候挂载哪个总线影响并不是很大。

USART框图

 

串口数据寄存器：

        右上角这一块，是串口的数据寄存器，发送或接收的字节数据就寄存在这个地方。这里有两个寄存器，一个数TDR（Transmit DR）发送数据寄存器，另一个是RDR（Receive）接收数据寄存器。这两个寄存器占用同一个地址，在程序上只表现为一个寄存器，就是数据寄存器DR（Data Register），但是在实际硬件中分成了两个寄存器。其中TDR是只写的，RDR是只读的。当进行写操作时，数据就写入了TDR，当进行读操作时，数据就从RDR读出来。

数据移位寄存器：

        数据寄存器下边是两个移位寄存器

发送移位寄存器：

        作用：把一个字节的数据一位一位的移出去，正好对应串口协议波形的数据位。关于移位寄存器的工作状态，举个例子，比如某时刻给TDR写入了0x55，，在寄存器里就是二进制存储0101 0101，此时硬件检测到你写入数据了，他就会检查当前移位寄存器是否有数据在进行移位，如果没有则0101 0101会立刻移动到移位寄存器准备发送。当数据从TDR移动到移位寄存器时，会置一个标志位叫TXE（TX Empty），发送寄存器空。检查标志位如果置1了就可以在TDR写入下一个数据了。但TXE置1时其实数据还没有发送出去，只要数据从TDR移动到发送寄存器了，TXE就会置1，我们就可以写入新数据。下一步发送移位寄存器就会在发送器控制的驱动下向右移位，按箭头方向向右一位一位把数据移动到TX引脚，此处也和串口协议规定的低位先行是一致的。当数据移位完成之后，新的数据将会自动从TDR寄存器转移到发送移位寄存器中，如果当前移位寄存器移位还没有完成，TDR的数据就会进行等待，一旦移位完成，就会立即转移进发送移位寄存器。
    优点：有了TDR和移位寄存器的双重缓存，可以保证发送数据的时候数据帧之间不会有空闲，提高了工作效率。

接收移位寄存器：

        作用：数据从RX引脚通向接收移位寄存器，在接收器控制的驱动下，一位一位的读取RX的高低电平，按箭头先放在最高位，然后向右移，移位8次之后就可以接收一个字节了。因为串口协议定义低位先行，所以接收移位寄存器时从高位往低位这个方向移动的，当一个字节移位完成之后，这一个字节的数据就会整体地一下子移动到数据接收寄存器RDR里边去。在转移的过程中依然会置一个标志位RXNE（RX Not Empty），接收寄存器非空，如果发送设备发送过快，接收设备来不及处理，就会出现丢弃或覆盖数据的现象。有了流控就可以避免这个问题，流控的两个引脚nRTS和nCTS。

硬件数据流控：（了解即可，一般不用）

        nRTS（Request To Send）：是请求发送，是输出脚，也就是告诉别人我当前能不能接收
        nCTS（Clear      To Send）：是清除发送，是输入脚，也就是用于接收别人nRTS的信号的，前面加个n就是低电平有效。

工作模式：

        首先找一另一个支持流控的串口（B），B的 TX 接到stm32（A）的 RX  ，然后A的RTX要输出一个能不能接收数据的反馈信号，接到B的CTS,当A能接受的时候，RTS就发置低电平请求对方发送，B的CTS接收到之后就可以一直发，当A处理不过来时，比如接收寄存器一直没有读，又有新数据过来了，代表A没有及时处理，那么RTS就会置高电平，B的CTS接收到就会暂停发送，直到A的数据被读走，RTS被置低电平，B才会继续发送。

        反过来，当A用TX给B发送数据时，A的CTS就要接收到B的RTS，用于判断对方能不能接收。TX和CTS是一对的，RX和RTS是一对的。CTS和RTS要交叉连接

时钟功能：（了解即可，一般不用）

        在图的最右边SCLK，用于产生同步的时钟信号，用于配合发送移位寄存器进行输出，发送移位寄存器每移位一次，同步时钟电平就跳变一个周期。也就是说，有了时钟兼容的输出串口就可以兼容SPI，另外这个时钟也可以做自适应波特率，比如接收设备不确定发送设备给的是什么波特率，便可以通过测量这个时钟的周期，计算得到波特率。

唤醒单元：（了解即可，一般不用）

        作用：实现串口挂载多设备

        串口一般是点对点的通信，一般只支持两个设备互相通信，想发数据的话直接发送就行。而多设备可以在一条总线上挂载多个从设备，每个设备分配一个地址，通信时先进行寻址确定通信对象，再进行数据收发。在 唤醒单元 上方有一个 USART地址 ，先给串口分配一个地址，当发送指定地址时，此设备唤醒开始工作。当发送别的设备地址时，别的设备唤醒开始工作。当设备没收到地址时就会保持沉默，以此来实现多设备的串口通信。

中断控制：

        中断申请位就是右边状态寄存器里的各种标志位。TXE（发送寄存器空）和RXNE（接收寄存器非空）这两个是比较重要的标志位，这两个是用于判断发送状态和接收状态的必要标志位。中断控制就是控制中断能不能通向NVIC。

波特率发生器：

        在图的最下面部分。波特率发生器其实就是分频器。APB时钟进行分频，得到发送和接收移位的时钟。时钟输入时  ，x = 1 或 2，USART挂载在APB2，一般是PCLK2的时钟72MHz。其他的USART都挂载在APB1，一般是PCLK1的时钟36MHz。之后时钟进行分频，除以一个USARTDIV的分频系数，这个系数包含了整数部分和小数部分。有些波特率用72M除以一个整数可能除不尽会有小数，带有误差，这里的分频系数支持小数点后4位，分频更加精准。分频完之后要除以16，得到发送器时钟和接收器时钟通向控制部分。

        在这个板块右边的TE为1，就是发送器使能，发送部分的波特率就有效，如果是RE为1，那就是接收器使能，接收部分的波特率有效。

引脚功能复用表：

        使用USART必须严格按照表里面的引脚来，对应哪一个不得修改

        如这张图，有USART1的重映射，所以有机会换引脚，其他的引脚都没有办法作为USART的引脚。

USART基本结构：

数据帧：

        这个图是在程序中配置8位字长和9位字长的波形对比，这里的字长就是我们前面说过的数据位长度，包含校验位。

9位字长：

        第一条时序明显是TX发送或RX接收的数据帧格式，空闲高电平，起始位低电平，然后根据写入的数据置0或1，依次发送位0至位8，共计9位，最后停止位置1，数据帧结束。其中位8是可能的校验位，通过配置寄存器可配置成奇校验、偶校验或无校验位。这里可配置成八位有效载荷+一位校验位或者9位有效载荷位。一般选择9位字长都是加上校验位的，因为8位有效载荷刚好对应一个字节。

        第二条时序就是前面提及的同步时钟输出功能。在每个数据位之间都有一个时钟的上升沿。时钟的频率和数据速率都是一样的，接收端可以在时钟上升沿进行采样，以便于精准定位每一位数据。时钟的最后一位（图中的虚线部分），可以通过LBCL位控制是否要输出，时钟的极性和相位也可以通过配置寄存器进行配置。

空闲帧：从头到尾都是1
断开帧：从头到尾都是0
    这两个数据帧通常用于局域网协议，串口用不着，了解即可

8位字长的：

        从位0一直到位7，共八位，比上边的少位八。同样最后一个位7也可能是校验位，同样如果选择了八位字长最好选择无校验，否则有效载荷位只剩7位。下面的时钟部分同上。

数据帧停止位：

        可配置为0.5、1、1.5、2共四种，这四种参数的区别就是停止位的长度不一样，第一行是一个停止位，停止位的时长和数据位一位的时长一样，第二行是1.5个停止位，此时停止位就是数据位时长的1.5倍，同理两个停止位就是时长的2倍，0.5倍同上。停止位就是用于控制停止时长的。一般使用1位停止位

起始位侦测：（细节）

        TX定时翻转电平即可，输入较为麻烦，不仅需要保证采样频率和波特率一致，还要保证每次输入采样的位置正好处在每一位的正中间。只有在正中间采样读进来的数据才是最可靠的。如果采样点过于靠前或靠后，可能高低电平正在翻转，电平不稳定，稍有误差就采样错误。另外输入最好对噪声有一定的判断能力，如果是噪声最好置一个标志位进行提醒。
    
    当输入电路侦测到一个数据帧的起始位之后，就会以波特率的频率，连续采样一帧数据。从起始位开始，采集位就要对其位的正中间，只要第一位对其后边必定对齐。在输入部分对采样时钟进行了细分，将会以波特率的16倍进行采样，换句话说就是在一位的时间里进行16次采样。最开始空闲状态置高电平，那采样就一直是1，在某个位置突然采样到0，说明在两次采样之间出现了一次下降沿，如果没有任何噪声，那之后就应该是起始位。在起始位会进行连续16次采样，没有噪声的话16次采样必定都是0，但是实际电路必定有噪声，所以即使出现了下降沿仍需多采样几次以防万一。该电路会在下降沿的第3、5、7次进行一批采样，在8、9、10再进行一批采样，这两批采样中都要求每三位里面至少要有2个0，如果没有噪声那么全是0满足情况，如果有轻微噪声，导致里面2位是0一位是1，哪页算是监测到了起始位，但在状态标志位里会置一个标志位NE（noise error）噪声标志位，作用是提醒数据收到了但是有噪声，谨慎使用。如果三位里只检测到1个0那就不算检测到起始位，可能前面的下降沿是噪声导致的，电路就会忽略前面的数据重新开始捕捉下降沿。如果通过了起始位侦测，那么状态就会由空闲变为接收起始位，同时第8、9、10次的采样位置正好是起始位的正中间，之后的数据位接收都将会在第8、9、10位进行采样，用于保证采样都在位的正中间，这就是起始位侦测和采样位置对其的策略。

数据采样的流程：

从1-16是一个数据位的时间长度，在一个数据位有16个采样时钟，由于起始位侦测已经对齐了采样时钟，所以将会直接在第8、9、10位进行采样，为了保证数据的可靠性，将会连续采样3次，没有噪声的情况下全为1或全为0，全为1就认为收到了1，全为0同理。如果有噪声导致三次采样不全为1或0，那就按照2:1的规则进行，两次为1就认为收到1,0同理。在这种情况下NE也会置1

波特率发生器：

        波特率发生器就是分频器，发生器和接收器的波特率由波特率寄存器BRR里面的DIV确定，DIV分为整数部分和小数部分，可以实现更细腻的分频。波特率 = f_pclk1(或2) / （16 * DIV），这里的16是因为内部还有个16倍波特率的采样时钟，所以这里的 输入时钟 除以 DIV 会等于16倍的波特率。举个例子，要配置USART1为9600的波特率，带入公式为： 9600 = 72 000 000  /（16 * DIV），所以DIV = 468.75，转化成2进制就是 11101 0100.11，写到寄存器中前后剩下的部分补0，就是0001 1101 0100.1100。如果用库函数配置的话直接写即可，库函数会自动帮我们计算。