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(chǎn)的微控制器系列，具有高性能、低功耗和豐富的外設(shè)資源。其中，串口通信是一種常用的通信方式，可以實現(xiàn)與其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。在本文中，我將詳細(xì)介紹STM32的串口通信原理和使用方法，并附上相關(guān)的代碼示例。

串口通信是一種利用串行通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。它通過單一的數(shù)據(jù)線來傳輸數(shù)據(jù)，相比并行通信，串口通信具有線路簡單、傳輸距離遠(yuǎn)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(shè)來實現(xiàn)，每個STM32微控制器都配備了至少一個USART外設(shè)。

以下是使用STM32的串口通信的步驟：

第一步：初始化串口外設(shè)

首先，需要選擇一個可用的USART外設(shè)，并將其與GPIO引腳進(jìn)行映射。在STM32的寄存器中，我們可以設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)、校驗位等參數(shù)。此外，還要使能外設(shè)時鐘，并啟用對應(yīng)的中斷。

串口在嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中是一類重要的數(shù)據(jù)通信接口，其本質(zhì)功能是作為 CPU 和串行設(shè)備間的編碼轉(zhuǎn)換器。當(dāng)數(shù)據(jù)從 CPU 經(jīng)過串行端口發(fā)送出去時，字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的位;在接收數(shù)據(jù)時，串行的位被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序要使用串口進(jìn)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(guān)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(shù)據(jù)線，接收數(shù)據(jù)線。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進(jìn)行通行的端口，這些參數(shù)必須匹配：波特率是一個衡量通信速度的參數(shù)，它表示每秒鐘傳送的 bit 的個數(shù);數(shù)據(jù)位是衡量通信中實際數(shù)據(jù)位的參數(shù)，當(dāng)計算機(jī)發(fā)送一個信息包，標(biāo)準(zhǔn)的值是 5，7 和 8 位。如何設(shè)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?shù)慕Y(jié)束，并且提供計算機(jī)校正時鐘同步的機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的RS232串口和USB轉(zhuǎn)串口進(jìn)行分析、講解。在物理層上我們用到最多的還是USB轉(zhuǎn)串口。

RS232:

在原理圖上我們可以看到右側(cè)RS232串口上兩個通訊設(shè)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(biāo)準(zhǔn)”傳輸數(shù)據(jù)信號。由于 RS-232 電平標(biāo)準(zhǔn)的信號不能直接被控制器直接識別，所以這些信號會經(jīng)過一個“電平轉(zhuǎn)換芯片(MAX3232CSE)”轉(zhuǎn)換成控制器能識別的“TTL 校準(zhǔn)”的電平信號才能實現(xiàn)通訊。

我們知道常見的電子電路中常使用 TTL 的電平標(biāo)準(zhǔn)，理想狀態(tài)下，使用 5V 表示二進(jìn)制邏輯 1，使用 0V 表示邏輯 0;而為了增加串口通訊的遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)，所以常常會使用 MA3232 芯片對 TTL 及 RS-232 電平的信號進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換。即：

USB轉(zhuǎn)串口：

這個通訊方式是在單片機(jī)中最經(jīng)常運用到的通訊方式。USB轉(zhuǎn)串口主要用于設(shè)備跟電腦通信。

這里原理圖上用到的電平轉(zhuǎn)換芯片主要是CH340G。一般我們主要運用的電平轉(zhuǎn)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(chǔ)。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(shù)據(jù)包由發(fā)送設(shè)備通過自身的 TXD 接口傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備的 RXD 接口。在串口通訊的協(xié)議層中，規(guī)定了數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，它由啟始位、主體數(shù)據(jù)、校驗位以及停止位組成，通訊雙方的數(shù)據(jù)包格式要約定一致才能正常收發(fā)數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)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(shè)置波特率的值(一般常用9600、15200)。

GPIO引腳：在功能框圖上對應(yīng)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(dāng)中最常用的是Tx、Rx引腳。

TX：發(fā)送數(shù)據(jù)輸出引腳。

RX：接收數(shù)據(jù)輸入引腳。

SW_RX：數(shù)據(jù)接收引腳，只用于單線和智能卡模式，屬于內(nèi)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(dāng) USART 接收器準(zhǔn)備好接收新數(shù)據(jù)時就會將nRTS引腳變成低電平;當(dāng)接收寄存器已滿時，nRTS 將被設(shè)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(shù)據(jù)之前會檢測nCTS引腳，如果為低電平，表示可以發(fā)送數(shù)據(jù)，如果為高電平則在發(fā)送完當(dāng)前數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)寄存器：數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)寄存器(USART_DR)是這樣描述的——包含接收到數(shù)據(jù)字符或已發(fā)送的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(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)在一個方向上傳輸;

半雙工：允許數(shù)據(jù)在兩個方向上傳輸。但是，在某一時刻，只允許數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jié)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(shè)備上方會使用一根信號線傳輸信號，在時鐘信號的驅(qū)動下雙方進(jìn)行協(xié)調(diào)，同步數(shù)據(jù)。例如，通訊中通常雙方會統(tǒng)一規(guī)定在時鐘信號的上升沿或者下降沿對數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣。

在異步通訊中不使用時鐘信號進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，它們直接在數(shù)據(jù)信號中穿插一些用于同步的信號位，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)，而異步通訊中會則會包含數(shù)據(jù)幀的各種標(biāo)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(dǎo)致數(shù)據(jù)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(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(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(jìn)行TTL電平通信了。STM32與51單片機(jī)串口通信相關(guān)實例，請移步此處:STM32與51單片機(jī)串口通信實例。

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，通過電平轉(zhuǎn)換電路(如下面圖中的Max232芯片) 實現(xiàn)TTL電平與RS232電平之間的轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，文末附代碼。

RS232串口簡介

臺式機(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，是常見的DB9封裝。