STM32 - USART串口通讯

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步 / 异步收发器）是一种串行通信接口，用于实现设备之间的双向数据传输。它支持异步通信（无需时钟信号）和同步通信（需要时钟信号）两种模式，广泛应用于单片机、嵌入式系统、工业控制等领域

并行通信和串行通讯：

  • 串行通信：数据逐位（bit-by-bit）依次通过单一通信线路传输。例如：UART、SPI、$$I^2C$$ 等协议均采用串行方式。

  • 并行通信：多个数据位（如8位）同时通过多条并行的物理线路传输。例如：51和STM32单片机通过GPIO端口连接外部存储器时，使用8根或16根数据线并行传输数据。

    串并行

单工，半双工，全双工通讯：

  • **单工通信：**只允许数据在一个方向上传输，即数据只能从发送端传输到接收端，接收端无法向发送端传输数据。简单来说，就是一种“单向”通信模式，可以类比电视广播。
  • 双工通信：允许数据在两个方向上传输，其下又分为两种类型：半双工和全双工。
  • *半双工***通信：**允许数据在两个方向上传输，但不能同时进行。在同一时刻，数据只能在一个方向上传输。这意味着通信的两端可以轮流发送和接收数据，但不能同时进行。可以类比对讲机。
  • 全双工通信**：**允许数据同时在两个方向上传输。这种通信方式最为高效，因为它允许通信双方同时发送和接收数据，可以类比电话。

同步和异步通讯：

  1. 同步通讯：
    • 通信双方使用同一个时钟信号来同步数据的发送和接收。
    • 发送方和接收方必须在时钟信号的驱动下严格同步，确保数据在正确的时刻被采样。
  2. 异步通讯：
    • 通信双方没有共享的时钟信号，而是通过起始位和停止位来同步数据传输。
    • 发送方和接收方使用各自的时钟（波特率）进行通信，但需要预先约定相同的波特率。

串口介绍：

  • 串口通讯（Serial Communication）是一种异步、全双工的串行通信接口，常用于微控制器与计算机、其他微控制器或外部设备之间的数据交换，下图是UART通信所需的信号线，其中Tx用于发送数据，Rx用于接受数据。

    串口

串口通讯协议：

  1. 数据格式：

    1. 在串口通信中，数据是逐帧（Frame）发送的，每个数据帧通常包括起始位、数据位、校验位（可选）和停止位，具体结构如下图所示。

      串口协议

    • 空闲状态
      • 串口协议规定，当总线处于空闲状态下，也就是没有数据传输时，应为高电平。
    • 起始位
      • 起始位表示一个数据帧的开始，起始位为低电平（区别于空闲状态）。
    • 数据位
      • 传输的主体内容，位于起始位之后，有效数据的长度可以是5到8位，一般都是8位，正好表示一个字节。先发送最低位，最后发送最高位，低电平表示0，高电平表示1。
    • 校验位（可选）
      • 用于校验当前帧的正确性，校验算法可以是奇校验或偶校验。
      • 奇校验（odd parity）：如果数据位中1的数目是偶数，则校验位为1，如果1的数目是奇数，校验位为0，目的是保证数据位+校验位中的1的总个数是奇数。
      • 偶校验（even parity）：如果数据位中1的数目是偶数，则校验位为0，如果1的数目为奇数，校验位为1，目的是保证数据位+校验位中的1的个数是偶数。
    • 停止位
      • 停止位表示数据帧的结束，通常为1位或2位，停止位为高电平。

  2. 发送方和接收方的约定：

    1. 波特率
      1. 波特率（Baud Rate），他表示每秒钟传输多少个码元，用于表示数据的传输速率。
      2. 因为STM32提供了串口异步通讯，异步通讯中由于没有时钟信号，所以两个通讯设备之间需要约定好波特率，即每个码元的长度，以便对信号进行解码。常见的波特率为 4800、9600、115200等。
      3. 需要注意波特率（Baud Rate）和比特率（Bit Rate）的区别，比特率表示每秒传输的位（bit）数，而波特率表示每秒传输的符号（symbol）数（码元）。但是串口通信中，二进制的世界码元和位是等价的，只有0和1这两个符号（位），因此1个符号用1位就能表示，所以此处的波特率和比特率是等价的。
      4. 解释：二进制符号只有0和1，所以符号和位数一样，四进制中符号有0、1、2、3，但是符号0转化为位数是00，符号1转化为位数是01，符号2转化为位数是10，符号3转化为位数是11，所以说比特率=波特率×log2(M)M 是调制方式中每个符号可以表示的比特数，也可以理解成是进制数，如果是四进制，M就等于4
    2. 数据位
      1. 发送方和接收方需要明确数据位的位数。
    3. 校验位
      1. 发送方和接收方需要明确是否有校验位，如果有，需要明确校验算法是奇校验还是偶校验。
    4. 停止位
      1. 发送方和接收方需要明确停止位的位数。

参考链接：