串口通信的基本原理

隨風(fēng)入夜1qkk89 2021-08-03

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串口是單片機(jī)中非常重要的概念，單片機(jī)的通訊功能就是由串口實(shí)現(xiàn)的，在串口的基礎(chǔ)上可以擴(kuò)展出RS232、RS485、LIN等，因此掌握串口通信，非常重要。下面和大家分享正文。

按照數(shù)據(jù)傳送方向分類

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(shí)際上是一種切換方向的單工通信；它不需要獨(dú)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(dú)立的接收端和發(fā)送端

分別如下圖中的a、b、c所示。

按照通信方式分類

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。

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)接收
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。

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)是TTL電平：+5V表示1，0V表示0
RS232是負(fù)邏輯電平，-3~-15V為1，+3~+15V為0

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(shí)現(xiàn)TTL電平與RS232電平之間的轉(zhuǎn)換。下圖中的P10，也就是上文中提到的DB9。

STM32的UART特點(diǎn)

全雙工異步通信；
分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器系統(tǒng)，提供精確的波特率。發(fā)送和接受共用的可編程波特率，最高可達(dá)4.5Mbits/s；
可編程的數(shù)據(jù)字長度（8位或者9位）；
可配置的停止位（支持1或者2位停止位）；
可配置的使用DMA多緩沖器通信；
單獨(dú)的發(fā)送器和接收器使能位；
檢測標(biāo)志：① 接受緩沖器 ②發(fā)送緩沖器空 ③傳輸結(jié)束標(biāo)志；
多個帶標(biāo)志的中斷源，觸發(fā)中斷；
其他：校驗(yàn)控制，四個錯誤檢測標(biāo)志。

串口通信過程

STM32中UART參數(shù)

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，通訊雙方的數(shù)據(jù)包格式要規(guī)約一致才能正常收發(fā)數(shù)據(jù)。STM32中串口異步通信需要定義的參數(shù)：起始位、數(shù)據(jù)位（8位或者9位）、奇偶校驗(yàn)位（第9位）、停止位（1,15,2位）、波特率設(shè)置。

UART串口通信的數(shù)據(jù)包以幀為單位，常用的幀結(jié)構(gòu)為：1位起始位+8位數(shù)據(jù)位+1位奇偶校驗(yàn)位（可選）+1位停止位。如下圖所示：

奇偶校驗(yàn)位分為奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)兩種，是一種簡單的數(shù)據(jù)誤碼校驗(yàn)方法。奇校驗(yàn)是指每幀數(shù)據(jù)中，包括數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位的全部9個位中1的個數(shù)必須為奇數(shù)；偶校驗(yàn)是指每幀數(shù)據(jù)中，包括數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位的全部9個位中1的個數(shù)必須為偶數(shù)。

校驗(yàn)方法除了奇校驗(yàn)(odd)、偶校驗(yàn)(even)之外，還可以有：0 校驗(yàn)(space)、1 校驗(yàn)(mark)以及無校驗(yàn)(noparity)。0/1校驗(yàn)：不管有效數(shù)據(jù)中的內(nèi)容是什么，校驗(yàn)位總為0或者1。

UART框圖

這個框圖分成上、中、下三個部分，具體的可以看《STM32中文參考手冊》中的描述。

框圖的上部分，數(shù)據(jù)從RX進(jìn)入到接收移位寄存器，后進(jìn)入到接收數(shù)據(jù)寄存器，最終供CPU或者DMA來進(jìn)行讀取；數(shù)據(jù)從CPU或者DMA傳遞過來，進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，后進(jìn)入發(fā)送移位寄存器，最終通過TX發(fā)送出去。

然而，UART的發(fā)送和接收都需要波特率來進(jìn)行控制的，波特率是怎樣控制的呢？

這就到了框圖的下部分，在接收移位寄存器、發(fā)送移位寄存器都還有一個進(jìn)入的箭頭，分別連接到接收器控制、發(fā)送器控制。而這兩者連接的又是接收器時鐘、發(fā)送器時鐘。也就是說，異步通信盡管沒有時鐘同步信號，但是在串口內(nèi)部，是提供了時鐘信號來進(jìn)行控制的。而接收器時鐘和發(fā)送器時鐘又是由什么控制的呢？

可以看到，接收器時鐘和發(fā)送器時鐘又被連接到同一個控制單元，也就是說它們共用一個波特率發(fā)生器。同時也可以看到接收器時鐘（發(fā)生器時鐘）的計(jì)算方法、USRRTDIV的計(jì)算方法。

— END —

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