【STM32实践篇】：串口通信

文章目录

[1. 串行通信与并行通信](#1. 串行通信与并行通信)
[2. 异步通信与同步通信](#2. 异步通信与同步通信)
[3. 单工，半双工和全双工通信](#3. 单工，半双工和全双工通信)
[4. 通信速率和接口标准](#4. 通信速率和接口标准)
[5. USART 结构框图](#5. USART 结构框图)
[6. 串口电路](#6. 串口电路)
- [6.1 串口之间的连接](#6.1 串口之间的连接)
- [6.2 串口与 RS232 的转换和连接](#6.2 串口与 RS232 的转换和连接)
- [6.3 串口与 RS485 的转换和连接](#6.3 串口与 RS485 的转换和连接)
- [6.4 串口与 USB 的转换和连接](#6.4 串口与 USB 的转换和连接)
[7. USART 字符说明](#7. USART 字符说明)

1. 串行通信与并行通信

串行通信 是一种数据逐位顺序传输的通信方式，发送设备把 8 位数据（D0~D7）通过单条线路"顺次传送"，接收设备逐位接收后再还原成完整数据。
并行通信 是一种多位二进制数据通过多条独立线路同时传输的通信方式，下图中：发送端先发 "询问"，接收端回复 "应答"，发送设备与接收设备间有 8 条数据线，8 位数据通过这 8 条线同时发送，接收端在同一时刻采样所有数据线的电平，直接还原出完整的 8 位数据。

2. 异步通信与同步通信

异步通信 是一种 "以字符为单位、无需全局时钟同步" 的串行通信方式，数据按 "字符 / 字节" 独立封装传输，字符与字符之间的时间间隔完全任意，发送端可随时发送下一个字符，但每个字符中的各位是以固定的时间传送的，收发双方通过"起始位 + 停止位"实现字符级局部同步。
- 字符帧 是异步串行通信中传输单个字符（或字节）的 "标准化数据包"：
  - 空闲状态：通信线路在无数据传输时的默认状态；
  - 起始位：标志一个字符帧的开始，固定为 1 位低电平；
  - 数据位：实际传输的有效字符数据，位数可灵活配置（5/6/7/8 位常见）；
  - 校验位：用于简单错误检测（奇校验 / 偶校验 / 无校验）；
  - 停止位：标志一个字符帧的结束，固定为 1 位，1.5 位或 2 位高电平；
同步通信 是一种 "依赖全局时钟信号，实现连续数据流同步传输" 的通信方式，收发双方通过 "统一时钟节奏" 采样数据。
- 外同步使用独立时钟线，发送方同时传输 "数据信号"（如01101）和 "时钟信号"，接收方通过时钟信号的边沿（上升 / 下降沿）采样数据位。
- 自同步无独立时钟线，发送方将 "时钟信息嵌入数据信号"，接收方通过解码数据信号的跳变提取时钟。

3. 单工，半双工和全双工通信

单工通信 是一种 "数据只能沿单一固定方向传输，无法反向反馈" 的通信方式。
半双工通信 是一种 "数据可双向传输，但同一时刻只能单向进行" 的通信方式。
全双工通信 是一种 "通信双方可同时双向传输数据，发送与接收完全独立、互不干扰" 的通信方式。

4. 通信速率和接口标准

比特率表示每秒传输的二进制位数，bps（bits per second，比特 / 秒）。
波特率 表示每秒传输的码元数量，一个码元可表示多个二进制位；比特率与波特率的关系由每个码元携带的比特数决定，公式为：比特率=波特率×每个码元的比特数。
RS--232C 接口 ：25针 -- DB25，9针 -- DB9。
- 9针公头和母头
- 9针和25针管脚功能：
- RS--232C 电平标准：逻辑1：-3V ~ -15V（负电压），逻辑0：+3V ~ +15V（正电压）。
常用通信格式 ：96-N-8-1。
- 96：波特率9600 bps；
- N：无校验；
- 8：数据位8位；
- 1：停止位1位；

5. USART 结构框图

功能引脚
- RX：接收数据输入引脚。
- TX：发送数据输出引脚。
- 同步模式下需要 SCLK：发送器时钟输出。
- 硬件流控制模式下需要：
  - nRTS （Request To Send，低有效）：
    - 若接收缓冲区有空间 ，nRTS 输出低电平（请求发送方 "可以发数据"）。
    - 若接收缓冲区已满，nRTS 输出高电平（告诉发送方 "暂停发送，避免溢出"）。
  - nCTS （Clear To Send，低有效）：
    - 若外部设备 nRTS 为低电平 ，USART 的 CTS 检测到后，启动发送。
    - 若外部设备 nRTS 为高电平 ，USART 的发送自动挂起，直到 CTS 变低。
数据寄存器
- 发送流程 CPU → 外部设备：CPU/DMA 写并行数据 → 存入 TDR 发送数据寄存器 → 转移到发送移位寄存器进行并行→串行拆分 → 按帧格式逐位输出到 TX 引脚，串行信号输出。
- 接收流程 外部设备 → CPU：RX 引脚输入串行信号 → 送入接收移位寄存器进行串行→并行拼接 → 拼接为完整数据存入 RDR 接收数据寄存器 → CPU/DMA 读并行数据。
控制器
- 发送控制：
  - CR1 寄存器 → TE：
    - 置 1 → 激活发送移位寄存器，允许从 TDR 取数据并串行输出。
    - 置 0 → 关闭发送，TX 引脚回到空闲状态（高电平）。
- 接收器控制：
  - CR1 寄存器 → RE：
    - 置 1 → 激活接收移位寄存器，允许从 RX 引脚采样串行信号。
    - 置 0 → 关闭接收，RX 引脚输入被忽略。
- USART 中断：
波特率发生器
- 波特率 = f PCLK 8 × ( 2 − OVER8 ) × USARTDIV \text{波特率} = \frac{f_{\text{PCLK}}}{8 \times (2 - \text{OVER8}) \times \text{USARTDIV}} 波特率=8×(2−OVER8)×USARTDIVfPCLK
  - fPCLK：系统总线时钟。
  - OVER8=0：采用 16 倍过采样；OVER8=1：采用 8 倍过采样。
  - USARTDIV = DIV_Mantissa + DIV_Fraction 16 \text{USARTDIV} = \text{DIV\_Mantissa} + \frac{\text{DIV\_Fraction}}{16} USARTDIV=DIV_Mantissa+16DIV_Fraction

6. 串口电路

6.1 串口之间的连接

串口数据收发线交叉连接，并且共GND。

带硬件控制流：
无硬件控制流：

6.2 串口与 RS232 的转换和连接

SP3232 是一款双通道 RS-232 电平转换芯片，核心功能是实现 TTL/CMOS 电平与 RS-232 电平的双向转换，解决不同电平标准的设备间通信问题。
引脚功能：
- 电源与接地引脚：VCC -- 接系统电源；GND -- 与系统地共地。
- 电荷泵电容引脚：C1+，C2+ -- 外接电容正极；C1-，C2- -- 外接电容负极。
- 串口通信引脚：
  - RINx -- 接 RS-232 的 RX 引脚。
  - ROUTx -- 接单片机的 UART RX 引脚。
  - DINx -- 接单片机的 UART TX 引脚。
  - DOUTx -- 接 RS-232 的 TX 引脚。

6.3 串口与 RS485 的转换和连接

SP3485 是一款低功耗半双工 RS-485 收发器芯片，核心功能是实现 TTL/CMOS 电平与 RS-485 差分电平的双向转换。
电源与接地引脚：VCC -- 接系统电源；GND -- 与系统地共地。
数据收发与使能控制引脚：
- RO -- 接单片机的 UART RX 引脚。
- DI -- 接单片机的 UART TX 引脚。
- RE -- 通常与 DE 引脚短接。
- DE -- 与 RE 短接后，接单片机的 GPIO 引脚（控制收发方向）。
RS-485 总线差分引脚：
- A 差分正端 -- 接 RS-485 总线的 A 线。
- B 差分负端 -- 接 RS-485 总线的 B 线。

6.4 串口与 USB 的转换和连接

CH340C 是 USB 转串口芯片，支持 USB 转 TTL/RS232/RS485 等接口。
电源与接地引脚：VCC -- 接系统电源；GND -- 与系统地共地。
USB 通信引脚：D+，D- 直接连接 USB 接口的 D +，D - 信号线，无需串联电阻，芯片内置 USB 上拉电阻。
串口通信引脚：TXD 串口数据发送端，连接MCU 的 RXD 引脚，RXD 串口数据接收端，连接MCU 的 TXD 引脚。
RTS#：请求发送信号，低电平有效；低电平时，三极管导通，BOOT0 被拉到高电平，进入下载模式。
DTR#：数据终端就绪信号，低电平有效；低电平时，三极管导通，RESET 被拉到低电平，触发复位。

7. USART 字符说明

可通过对 USART_CR1 寄存器中的 M 位进行编程来选择8位或9位的字长，一般设置为8位。
TX 引脚在起始位工作期间处于低电平状态，在停止位工作期间处于高电平状态。
空闲字符可理解为整个帧周期内电平均为"1"(停止位的电平也是"1")，该字符后是下一个数据帧的起始位。
停止字符可理解为在一个帧周期内接收到的电平均为"0"。发送器在中断帧的末尾插入1或2个停止位(逻辑"1"位)以确认起始位。
发送和接收由通用波特率发生器驱动，发送器和接收器的使能位分别置1时将生成相应的发送时钟和接收时钟。