文章目录
- 单片机通信协议--USART(串口通信)
-
- 通信协议
- USART(串口通信)
- [USART 同步/异步收发器](#USART 同步/异步收发器)
单片机通信协议--USART(串口通信)
通信协议
作为讲解单片机通信协议的第一篇，先来简单介绍一下是通信协议
单片机（微控制器）中的通信协议是实现单片机与外设（传感器、显示屏、其他单片机等）或外部系统之间数据交换的规则集合，包括信号时序、数据格式、错误处理等。这些协议根据硬件接口、传输方式和应用场景的不同，可分为并行通信 和串行通信两大类，其中串行通信因布线简单、成本低，在单片机中应用更广泛
并行通信
并行通信通过多根数据线同时传输多位数据（如 8 位、16 位），配合时钟线和控制线实现同步；并行通信的典型应用有单片机与并行 LCD1602 显示屏的连接（8 位数据总线 + RS、RW、E 控制信号）、单片机内部外设（如 RAM、Flash）与 CPU 的通信，在这里我们不做过多介绍
串行通信
串行通信通过单根或两根数据线逐位传输数据 ，布线简单（通常 2-4 根线），适合中短距离通信，是单片机外部通信的主流方式。根据是否需要时钟线同步，又分为异步通信 和同步通信 。串行通信协议中常用的协议有异步串行通信（UART/USART） 、SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口） 、I2C（Inter-Integrated Circuit，集成电路总线） 、单总线协议（1-Wire），下面对这四种协议进行对比：
| 对比维度 | USART（异步串行） | IIC（I2C） | SPI | 1-Wire（单总线） |
|---|---|---|---|---|
| 硬件接口线数 | 2 线（TX 发送、RX 接收，全双工） | 2 线（SCL 时钟、SDA 数据，半双工） | 4 线（SCLK 时钟、MOSI 主发、MISO 主收、CS 片选） | 1 线（DATA 数据，双向）+ 上拉电阻 |
| 同步方式 | 异步（无时钟线，靠波特率同步） | 同步（SCL 时钟线，主机控制） | 同步（SCLK 时钟线，主机控制） | 异步（主机通过时序控制同步） |
| 传输速率 | 中等（通常≤115200bps，最高几 Mbps） | 中低速（标准 100kbps，快速 400kbps，高速 3.4Mbps） | 高速（可达几十 Mbps，取决于硬件） | 低速（通常≤16kbps） |
| 拓扑结构 | 点对点（多设备需额外控制） | 多主多从（通过 7/10 位地址区分设备） | 一主多从（通过 CS 片选区分设备） | 一主多从（通过 64 位 ROM 地址区分设备） |
| 数据方向 | 全双工（同时收发） | 半双工（同一时间只能收或发） | 全双工（同时收发） | 半双工（同一时间只能收或发） |
| 错误检测机制 | 可选校验位（奇 / 偶 / 无），无应答机制 | 内置应答（ACK/NACK），部分设备支持 CRC | 无内置机制，需软件实现校验 | 简单 CRC 校验（部分设备支持） |
| 抗干扰能力 | 一般（单端信号） | 一般（单端信号，线少干扰相对较低） | 一般（单端信号） | 较弱（单线传输，易受干扰） |
| 典型应用场景 | 调试打印、蓝牙 / GPS 模块、上位机通信 | 温湿度传感器、EEPROM、RTC 实时时钟 | SPI Flash、OLED 屏、高速 ADC/DAC、无线模块 | 单总线温度传感器（DS18B20）、身份识别芯片 |
| 优势 | 硬件简单，点对点通信方便，无需时钟线 | 布线极简（2 线），多设备互联成本低 | 速率高，全双工，适合大数据传输 | 布线极致简单（1 线），适合低成本场景 |
| 劣势 | 速率有限，多设备通信复杂 | 速率中等，总线竞争需仲裁 | 线数较多，多从机时需多个 CS 引脚 | 速率极低，抗干扰差，通信效率低 |
对以上表格中的一些名词进行解释：
| 名词 | 解释 |
|---|---|
| 【全双工】 | 由两根数据线，一根用来接收，一根用来发送 |
| 【半双工】 | 一根数据线，既可以用来发送，也可以用来接收 |
| 【单工】 | 无法做到同时发送和接受数据 |
| 【同步通信】 | 有时间线，不需要约定采样频率 |
| 【异步通信】 | 需要约定合适的采样频率，用于在约定的频率内采集数据 |
USART(串口通信)
USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步 / 异步收发器）是单片机中常用的串行通信协议，支持异步通信（最常用）和同步通信两种模式，其中异步模式（通常简称 UART）因硬件简单、使用灵活，在嵌入式领域应用最广泛
通信方式
- 异步模式（UART）：无需时钟线，通过波特率（收发双方约定的传输速率）同步数据，仅需 2 根线（TX 发送、RX 接收）即可实现全双工通信
- 同步模式（USART）：需额外时钟线（CLK），由主机提供时钟信号同步，适合更高精度的高速通信（较少用）
发送接收原理图
其中VCC和GND用于供电，TX和RX用于收发数据，设备1的TX要与设备2的RX相接，设备1的RX要与设备2的TX相接，它们的高低电平是相对于GND的。电平标准是数据0和数据1的表达方式，是传输线缆中认为规定的电压和数据的对应关系，串口常用的电平标准有以下的几种：
- 【TTL电平】 ：+3.3v或 + 5v表示1，0V表示0
- 【RS232电平】 ：-3~ 15v 表示1， +3~+15v表示0
- 【RS485电平】 ：两线压差+2+6v表示1，-2-6v表示0（差分信号）
数据格式
每帧数据由以下部分组成（按传输顺序）：
- 起始位：1 位低电平（逻辑 0），标志数据帧开始
- 数据位：5-9 位（通常 8 位，即 1 字节），表示有效数据（可配置高位在前或低位在前）
- 校验位（可选）：1 位，用于简单错误检测，支持奇校验（数据位中 1 的个数为奇数）、偶校验（1 的个数为偶数）或无校验
- 停止位：1-2 位高电平（逻辑 1），标志数据帧结束，保证帧间隔
例：常见配置为 "8 位数据位 + 无校验 + 1 位停止位"，总帧长 10 位：
通信流程
在没有进入起始位之间电平的极性呈现出高电平，在进入起始位后电平转换为低电平表示开始发送数据，数据呈现出8个字节一位的特性，进入最后一位后低电平转化为高电平，方便下一次数据的发送，大概原理入下图所示
USART 同步/异步收发器
USART简介
USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）通用同步/异步收发器是STM32内部集成的硬件外设，可根据数据寄存器的一个字节数据自动生成数据帧时序，从TX引脚发送出去，也可自动接收RX引脚的数据帧时序，拼接为一个字节数据，存放在数据寄存器里
- 自带波特率发生器，最高达4.5Mbits/s
- 可配置数据位长度（8/9）、停止位长度（0.5/1/1.5/2）
- 可选校验位（无校验/奇校验/偶校验）
- 支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN
- STM32F103C8T6 USART资源： USART1、 USART2、 USART3
USART框图
将框图简化后得到如下图示：
当我们发送数据的时候，数据会放在发送数据寄存器中，USART模块会通过TX引脚发送数据对应的波形，对侧设备的RX引脚接收到波形之后，通过解析可以拿到数据
当我们接收数据的时候，会从 RX引脚得到波形图，依据双方规定的数据帧格式进行解析得到数据，然后把数据放在接收数据寄存器中，我们就可以读到数据
通过配置波特率寄存器中的值来设置分频器的值，时钟频率除以分频器中的值再除以16就可以得到波特率。例如 当我们需要把波特率设置为115200时，STM 32的时钟频率为72MHz，我们就可以反向推出波特率寄存器中的值：
右上角的TE,TxC等都是USART中的状态寄存器，我们可以通过里面的值来判断收发状态：
| 编号 | 标志位名称 | 英文全称 | 功能说明 | 置 1 条件 |
|---|---|---|---|---|
| Bit 5 | RXNE | Read Data Register Not Empty | 接收数据寄存器非空（有数据可读） | 接收到 1 帧完整数据，存入接收缓冲区 |
| Bit 6 | TC | Transmission Complete | 发送完成（整帧数据发送结束） | 发送缓冲区空 + 移位寄存器（发送移位）也空（即最后 1 位已发送） |
| Bit 7 | TXE | Transmit Data Register Empty | 发送数据寄存器空（可写新数据） | 发送缓冲区的数据已转移到移位寄存器，缓冲区空闲 |
| Bit 3 | FE | Framing Error | 帧错误（接收时检测到无效停止位） | 接收数据时，停止位不是规定的高电平（如配置 1 个停止位，但实际未检测到高电平） |
| Bit 4 | ORE | Overrun Error | 溢出错误（接收缓冲区未读取，新数据覆盖旧数据） | 接收缓冲区已满（RXNE=1），但新数据已接收完成，旧数据被覆盖 |
| Bit 2 | NE | Noise Error | 噪声错误（接收数据时检测到干扰） | 接收数据过程中检测到不符合波特率的噪声信号（仅异步模式） |
| Bit 1 | PE | Parity Error | 奇偶校验错误（启用校验时，校验位不匹配） | 接收数据的校验位与计算出的校验位不一致（需提前配置校验模式） |
USART模块有哪些引脚
- USARTx_Tx：数据的发送引脚，将数据发送出去
- USARTx_Rx：数据的接收引脚，用来接收数据
- USARTx_CTS：全称 "Clear To Send"（清除发送），作用是接收方通知发送方 "是否允许继续发送数据"，避免因接收方缓冲区满导致数据溢出（比软件流控更高效、实时）
- USARTx_RTS：全称 "Request To Send"（请求发送），与USARTx_CTS 是配对使用 的 "双向控制信号"；核心作用是 发送方主动通知接收方 "我要发数据了，请你准备接收"，配合 CTS 完成全双工通信的双向流量控制，避免数据溢出
- USARTx_CK：USARTx_CK 是 USART（通用同步异步收发传输器）同步模式（Synchronous UART，简称 Sync UART） 专用的时钟信号引脚，全称 "Clock"，核心作用是为同步通信提供统一的时钟基准------ 区别于我们常说的异步 UART（无需时钟，靠波特率同步），同步 UART 需通过 CK 信号实现发送方与接收方的严格时序对齐，提升通信速率和可靠性
USART引脚在哪？如何配置？
| 引脚类型 | 默认映射（无重映射） | 重映射（Partial Remap） | 配置要点（GPIO / 寄存器） |
|---|---|---|---|
| TX（发送） | PA9 | PB6 | 配置为「复用推挽输出」（GPIO_MODE_AF_PP）；重映射需使能 AFIO_USART1_REMAP 位 |
| RX（接收） | PA10 | PB7 | 配置为「复用输入」（GPIO_MODE_AF_INPUT）；重映射需使能 AFIO_USART1_REMAP 位 |
| CK（同步时钟） | PA8 | -（无重映射引脚） | 仅默认映射有效；配置为复用推挽输出（主）/ 复用输入（从）；异步模式可悬空 |
| RTS（请求发送） | PA12 | PB14 | 需启用 USART_CR3 的 RTSE 位；配置为复用推挽输出；重映射需使能 AFIO_USART1_REMAP 位 |
| CTS（清除发送） | PA11 | PB13 | 需启用 USART_CR3 的 CTSE 位；配置为复用输入；重映射需使能 AFIO_USART1_REMAP 位 |
通过查看stm32f103c8t6的引脚分布图可以找到USART1的引脚映射，注意此时输出和输入都应该选择复用模式 ，因为CPU不是直接向引脚写数据，而是操作USART模块写；表格中的重映射作用为：当PA9这类默认映射引脚被占用时，使能 AFIO_USART1_REMAP 位，就可以通过PB6发送数据
