什么是STM32串口通信協(xié)議？它的基本原理有哪些？

STM32是一款由STMicroelectronics生產的微控制器系列，具有高性能、低功耗和豐富的外設資源。其中，串口通信是一種常用的通信方式，可以實現與其他設備之間的數據傳輸。在本文中，我將詳細介紹STM32的串口通信原理和使用方法，并附上相關的代碼示例。

串口通信是一種利用串行通信協(xié)議進行數據傳輸的方式。它通過單一的數據線來傳輸數據，相比并行通信，串口通信具有線路簡單、傳輸距離遠的優(yōu)勢。STM32的串口通信主要通過USART(通用同步/異步收發(fā)器)外設來實現，每個STM32微控制器都配備了至少一個USART外設。

以下是使用STM32的串口通信的步驟：

第一步：初始化串口外設

首先，需要選擇一個可用的USART外設，并將其與GPIO引腳進行映射。在STM32的寄存器中，我們可以設置波特率、數據位數、停止位數、校驗位等參數。此外，還要使能外設時鐘，并啟用對應的中斷。

串口在嵌入式系統(tǒng)當中是一類重要的數據通信接口，其本質功能是作為 CPU 和串行設備間的編碼轉換器。當數據從 CPU 經過串行端口發(fā)送出去時，字節(jié)數據轉換為串行的位;在接收數據時，串行的位被轉換為字節(jié)數據。應用程序要使用串口進行通信，必須在使用之前向操作系統(tǒng)提出資源申請要求(打開串口)，通信完成后必須釋放資源(關閉串口)。典型地，串口用于 ASCII 碼字符的傳輸。通信使用3根線完成：地線，發(fā)送數據線，接收數據線。串口通信最重要的參數是波特率、數據位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進行通行的端口，這些參數必須匹配：波特率是一個衡量通信速度的參數，它表示每秒鐘傳送的 bit 的個數;數據位是衡量通信中實際數據位的參數，當計算機發(fā)送一個信息包，標準的值是 5，7 和 8 位。如何設置取決于你的需求;停止位用于表示單個包的最后一位，典型的值為 1，1.5和 2 位，停止位不僅僅是表示傳輸的結束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會;奇偶校驗位是串口通信中一種簡單的檢錯方式，有四種檢錯方式——偶、奇、高和低，也可以沒有校驗位。

對于通訊協(xié)議，我們也以分層的方式來理解，最基本的是把它分為物理層和協(xié)議層。

物理層：物理層上我們這里拿出標準的RS232串口和USB轉串口進行分析、講解。在物理層上我們用到最多的還是USB轉串口。

RS232:

在原理圖上我們可以看到右側RS232串口上兩個通訊設備的“DB9 接口”之間通過串口信號線建立起連接，串口信號線中使用“RS-232 標準”傳輸數據信號。由于 RS-232 電平標準的信號不能直接被控制器直接識別，所以這些信號會經過一個“電平轉換芯片(MAX3232CSE)”轉換成控制器能識別的“TTL 校準”的電平信號才能實現通訊。

我們知道常見的電子電路中常使用 TTL 的電平標準，理想狀態(tài)下，使用 5V 表示二進制邏輯 1，使用 0V 表示邏輯 0;而為了增加串口通訊的遠距離傳輸及抗干擾能力，它使用-15V 表示邏輯 1，+15V 表示邏輯 0。由于控制器一般使用 TTL 電平標準，所以常常會使用 MA3232 芯片對 TTL 及 RS-232 電平的信號進行互相轉換。即：

USB轉串口：

這個通訊方式是在單片機中最經常運用到的通訊方式。USB轉串口主要用于設備跟電腦通信。

這里原理圖上用到的電平轉換芯片主要是CH340G。一般我們主要運用的電平轉換芯片有：CH340、PL2303、CP2102、FT232。

協(xié)議層：我們在使用串口的時候主要還是用到“通用異步通訊”——可以參考通訊基本概念基礎。這篇講解了通訊的一些基本原理。所以在協(xié)議層上就不多講解這個概念問題了。

協(xié)議層是指串口通訊的數據包由發(fā)送設備通過自身的 TXD 接口傳輸到接收設備的 RXD 接口。在串口通訊的協(xié)議層中，規(guī)定了數據包的內容，它由啟始位、主體數據、校驗位以及停止位組成，通訊雙方的數據包格式要約定一致才能正常收發(fā)數據。如圖所示：

二、usart功能框圖

在功能框圖上把其劃分為四個部分——GPIO引腳、數據寄存器、控制器、波特率。我們在這里就主要講解前三大功能，波特率一般可以在stm32上自主設置波特率的值(一般常用9600、15200)。

GPIO引腳：在功能框圖上對應的1框圖上我們看到主要有Tx、Rx、SW_RX、nRTS、nCTS、SCLK六個功能引腳，在stm32上這些功能引腳當中最常用的是Tx、Rx引腳。

TX：發(fā)送數據輸出引腳。

RX：接收數據輸入引腳。

SW_RX：數據接收引腳，只用于單線和智能卡模式，屬于內部引腳，沒有具體外部引腳(很少用到)。

nRTS：請求以發(fā)送 (Request To Send)，n 表示低電平有效。如果使能 RTS 流控制，當 USART 接收器準備好接收新數據時就會將nRTS引腳變成低電平;當接收寄存器已滿時，nRTS 將被設置為高電平。該引腳只適用于硬件流控制。

nCTS：清除以發(fā)送 (Clear To Send)，n 表示低電平有效。如果使能 CTS 流控制，發(fā)送器在發(fā)送下一幀數據之前會檢測nCTS引腳，如果為低電平，表示可以發(fā)送數據，如果為高電平則在發(fā)送完當前數據幀之后停止發(fā)送。該引腳只適用于硬件流控制。

SCLK：發(fā)送器時鐘輸出引腳。這個引腳僅適用于同步模式。

注意：在stm32的UART 只是異步傳輸功能，所以沒有SCLK、nCTS 和nRTS 功能引腳。

數據寄存器：數據寄存器控制usart的讀取還是發(fā)送。在官方的參考手冊上對于數據寄存器(USART_DR)是這樣描述的——包含接收到數據字符或已發(fā)送的數據字符，具體取決于所執(zhí)行的操作是“讀取”操作還是“寫入”操作。

因為數據寄存器包含兩個寄存器，一個用于發(fā)送 (TDR)，一個用于接收 (RDR)，因此它具有 雙重功能(讀和寫)。

設備之間通信的方式

一般情況下，設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、按照數據傳送方向，分為：

單工：數據傳輸只支持數據在一個方向上傳輸;

半雙工：允許數據在兩個方向上傳輸。但是，在某一時刻，只允許數據在一個方向上傳輸，它實際上是一種切換方向的單工通信;它不需要獨立的接收端和發(fā)送端，兩者可以合并一起使用一個端口。

全雙工：允許數據同時在兩個方向上傳輸。因此，全雙工通信是兩個單工通信方式的結合，需要獨立的接收端和發(fā)送端。

2、按照通信方式，分為：

同步通信：帶時鐘同步信號傳輸。比如：SPI，IIC通信接口。

異步通信：不帶時鐘同步信號。比如：UART(通用異步收發(fā)器)，單總線。

在同步通訊中，收發(fā)設備上方會使用一根信號線傳輸信號，在時鐘信號的驅動下雙方進行協(xié)調，同步數據。例如，通訊中通常雙方會統(tǒng)一規(guī)定在時鐘信號的上升沿或者下降沿對數據線進行采樣。

在異步通訊中不使用時鐘信號進行數據同步，它們直接在數據信號中穿插一些用于同步的信號位，或者將主題數據進行打包，以數據幀的格式傳輸數據。通訊中還需要雙方規(guī)約好數據的傳輸速率(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，數據信號所傳輸的內容絕大部分是有效數據，而異步通訊中會則會包含數據幀的各種標識符，所以同步通訊效率高，但是同步通訊雙方的時鐘允許誤差小，稍稍時鐘出錯就可能導致數據錯亂，異步通訊雙方的時鐘允許誤差較大。

常見的串行通信接口

STM32串口通信基礎

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)。而對于大容量STM32F10x系列芯片，分別有3個USART和2個UART。

UART引腳連接方法

RXD：數據輸入引腳，數據接受;

TXD：數據發(fā)送引腳，數據發(fā)送。

對于兩個芯片之間的連接，兩個芯片GND共地，同時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，兩個芯片之間就可以進行TTL電平通信了。STM32與51單片機串口通信相關實例，請移步此處:STM32與51單片機串口通信實例。

若是芯片與PC機(或上位機)相連，除了共地之外，就不能這樣直接交叉連接了。盡管PC機和芯片都有TXD和RXD引腳，但是通常PC機(或上位機)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經過電平轉換得到的。故，要想使得芯片與PC機的RS232接口直接通信，需要也將芯片的輸入輸出端口也電平轉換成RS232類型，再交叉連接。

經過電平轉換后，芯片串口和RS232的電平標準是不一樣的：

單片機的電平標準(TTL電平)：+5V表示1，0V表示0;

RS232的電平標準：+15/+13 V表示0，-15/-13表示1。

RS-232通訊協(xié)議標準串口的設備間通訊結構圖如下：

所以單片機串口與PC串口通信就應該遵循下面的連接方式：在單片機串口與上位機給出的RS232口之間，通過電平轉換電路(如下面圖中的Max232芯片) 實現TTL電平與RS232電平之間的轉換。STM32與PC之間通信實例，請移步此處:STM32實例-用按鍵控制串口發(fā)送數據，文末附代碼。

RS232串口簡介

臺式機電腦后面的9針接口就是com口(串口) 在工業(yè)控制 數據采集上應用廣泛上圖中，最右邊的是串口接口統(tǒng)稱為RS232接口，是常見的DB9封裝。