STM32的USART技术介绍

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/异步收发传输器）是STM32微控制器中常用的串行通信接口之一。它支持同步和异步通信模式，广泛应用于各种数据传输场景，如串口通信、GPS模块连接、蓝牙通信等。本文将详细介绍STM32的USART技术，包括其基本概念、工作原理、配置方法及实际应用。

一、USART简介

1.1 什么是USART

USART是一种能够实现串行数据通信的外设，支持同步和异步两种通信模式：

异步模式：无需共享时钟信号，通过预设的波特率实现数据同步。常用于PC与微控制器之间的通信。
同步模式：需要共享时钟信号，数据同步传输速度更高，适用于高速数据传输场景。

1.2 USART与UART的区别

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）仅支持异步通信模式，而USART除了支持异步模式外，还支持同步模式。因此，USART功能更为强大和灵活。

二、STM32的USART外设

STM32系列微控制器中集成了多个USART外设，具体型号和数量根据不同的STM32系列有所不同。常见的STM32系列如F0、F1、F4、H7等，都配备了多个USART/USARTx外设，用户可以根据应用需求选择合适的USART端口。

2.1 主要功能

全双工通信：支持同时发送和接收数据。
多种数据格式：支持不同的数据位、停止位、奇偶校验配置。
硬件流控制：支持RTS/CTS硬件流控制，确保数据传输的可靠性。
多种工作模式：包括异步、同步、LIN、IrDA、SmartCard等模式。
中断与DMA支持：支持中断驱动和DMA传输，提升数据处理效率。

三、USART的工作原理

3.1 异步通信模式

在异步模式下，数据以帧的形式进行传输，每一帧通常包含：

起始位（Start Bit）：标志数据帧的开始，通常为1位低电平。
数据位（Data Bits）：通常为8位，但可以配置为7位、9位等。
奇偶校验位（Parity Bit）（可选）：用于检测数据传输错误。
停止位（Stop Bit）：标志数据帧的结束，通常为1位或2位高电平。

数据通过TX（发送）引脚发送，通过RX（接收）引脚接收。

3.2 同步通信模式

在同步模式下，除了TX和RX引脚外，还需要一个时钟引脚（CK）。发送和接收双方共享时钟信号，确保数据的同步传输。

四、配置与使用

4.1 硬件连接

TX/RX连接：将STM32的USART TX引脚连接到目标设备的RX引脚，STM32的RX引脚连接到目标设备的TX引脚。
电平匹配：确保STM32和目标设备的通信电平匹配，必要时使用电平转换器。
流控制（可选）：如果需要硬件流控制，连接CTS和RTS引脚。

4.2 软件配置

可以通过STM32的固件库（如STM32CubeMX、HAL库、LL库）进行USART配置。以下以STM32CubeMX为例简要介绍配置步骤：

打开STM32CubeMX，创建新工程并选择目标STM32型号。
启用USART外设：在"Peripherals"中选择"USARTx"并启用。
配置引脚：自动或手动分配TX、RX等引脚，确保与硬件连接一致。
设置参数 ：
- 波特率（Baud Rate）：如9600、115200等。
- 数据位（Data Bits）：通常为8位。
- 停止位（Stop Bits）：通常为1位。
- 奇偶校验（Parity）：无校验、偶校验或奇校验。
- 硬件流控制（Flow Control）：None、RTS/CTS等。
中断/DMA配置（可选）：根据需求启用中断或DMA支持。
生成代码：点击"Generate Code"生成初始化代码。

4.3 使用HAL库进行USART通信

以下是一个使用HAL库进行USART初始化和基本发送/接收的示例代码：

/* USART初始化 */
UART_HandleTypeDef huart1;

void MX_USART1_UART_Init(void)
{
    huart1.Instance = USART1;
    huart1.Init.BaudRate = 115200;
    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
    {
        // 初始化错误处理
        Error_Handler();
    }
}

/* 发送数据 */
uint8_t txData[] = "Hello, USART!";
HAL_UART_Transmit(&huart1, txData, sizeof(txData)-1, HAL_MAX_DELAY);

/* 接收数据 */
uint8_t rxData[100];
HAL_UART_Receive(&huart1, rxData, sizeof(rxData), HAL_MAX_DELAY);

4.4 使用中断进行USART通信

启用中断：在STM32CubeMX中启用USART中断，并在NVIC中配置优先级。
实现中断回调：

void USART1_IRQHandler(void)
{
HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
}

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
if (huart->Instance == USART1)
{
// 处理接收到的数据
}
}
启动接收中断：

HAL_UART_Receive_IT(&huart1, rxData, sizeof(rxData));

五、编程示例

以下是一个简单的USART回显（Echo）示例，接收到的数据会被原样发送回发送端。

#include "main.h"

UART_HandleTypeDef huart1;
uint8_t rxBuffer[1];
uint8_t txBuffer[1];

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_USART1_UART_Init();

    // 启动接收中断
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, rxBuffer, 1);

    while (1)
    {
        // 主循环中可以执行其他任务
    }
}

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1)
    {
        txBuffer[0] = rxBuffer[0]; // 将接收到的数据存入发送缓冲区
        HAL_UART_Transmit(&huart1, txBuffer, 1, HAL_MAX_DELAY); // 发送数据
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, rxBuffer, 1); // 继续接收
    }
}

六、常见应用

串口调试：通过USART与PC通信，实现数据调试和日志输出。
GPS模块连接：接收GPS模块发送的位置信息。
蓝牙通信：与蓝牙模块进行数据交换，实现无线通信。
与其他微控制器通信：在多片STM32系统中实现数据共享与控制。

七、相关注意事项

波特率匹配：确保STM32和通信设备的波特率一致，否则会导致通信失败。
电平兼容：不同设备的通信电平可能不同，如STM32通常使用3.3V逻辑电平，需根据设备需求调整。
抗干扰设计：长距离通信时，考虑使用屏蔽线缆或差分信号（如RS-485）以提高抗干扰能力。
缓冲区管理：合理设置接收和发送缓冲区，避免数据溢出或丢失。
中断优先级：合理配置USART中断优先级，确保实时性和系统稳定性。

八、结论

STM32的USART外设功能强大，配置灵活，适用于多种串行通信应用。通过合理配置和编程，开发者可以实现稳定、高效的数据传输。掌握USART的基本原理和使用方法，是开发STM32应用的关键技能之一。