【STM32】知识点介绍八：UART/USART串口功能

0南城逆流02026-03-21 11:15

文章目录

一、简介

1.定义

串口通信是一种设备间非常常用的串行接口 ，以比特位的形式发送或接收数据，电子工程师经常使用这种方式来调试数据。串口，也称串行接口或者串行通信接口(通常指COM口)，是一种采用串行通信方式的扩展接口。是实现数据一位一位按顺序的传输，具有通信线路简单，成本低但传输速度慢的特点。只要一对传输线，串口就可以实现双向通信(全双工)。

串口通信的接口类型包括TTL，CMOS，RS-232和RS-485等，他们代表了不同的电平标准。

  • TTL电平：逻辑1：5v，逻辑0：0v。
  • CMOS电平：逻辑1：提供的电压最大值，逻辑0：0v。
  • RS-232：逻辑1：-3 ~ -15v，逻辑0：3~15v。
  • RS-485：采用的是差分信号，这种采用差分信号，可以有效避免外界的干扰，影响到电平
    • 逻辑1：两线间电压的差值为+(0.2 - 6)v。
    • 逻辑0：两线间电压的差值为-(0.2 - 6)v。

2.通信类型

1.串行通信和并行通信

  • 串行通信：数据按位顺序一次传输一个bit，即一次只传输一个bit的数据
  • 并行通信：多个bit同时传输，即一次可以传输多个bit的数据


2.全双工，半双工以及单工通信

  • 单工：数据只能沿着一个方向传输
  • 半双工：数据可以沿着两个方向传输，但是需要分时进行，也就是说同一时间只能有一个方向在传输数据
  • 全双工：数据可以同时沿着两个方向传输，不需要分时进行


3.同步通信和异步通信

  • 同步通信：发送方和接收方必要按照预定的时钟节拍进行数据的发送和接收，双方的操作严格同步
  • 异步通信：双方不需要严格的时钟同步，每个数据块之间通过特定的起始位和停止位进行分隔，接收方可以独立地识别每个数据块


二、串口通信协议

1.帧格式

串口发送一帧数据的组成，由起始位，数据位，校验位(可以没有)，停止位组成。MSB是Most Significant Bit的缩写，指最高有效位；LSB是Least Significant Bit的缩写，指最低有效位。

（1）起始位：起始位为低电平时，告诉接收方数据传输即将开始，准备接收。在通信开始的时候，发送端首先会发送一个起始位，他是一个逻辑0(低电平)信号，用于同步发送和接收设备之间的时钟，之后会开始准备接收后续数据位。

（2）数据位：数据位是由一系列二进制组成，用于传输或者接收实际数据。数据位的数量可以决定传输的不同二进制值的数量，常见的有5位，6位，7位，8位(常见是8位)，LSB在前，HSB在后。数据位紧随着起始位之后，包括了要传输的实际信息。

（3）检验位：校验位用于检测数据的完整性，以确保传输过程中没有出现错误。常见的校验位选项中有None(无校验位)，Odd(奇校验位)和Even(偶校验位)。在发送数据时，校验位会根据数据中的1的个数进行计算，并加入到数据中一起传输。接收端则会根据校验的值进行校验，以判断数据是否存在错误。

（4）停止位:停止位是一个逻辑高电平 ，用于指示数据传输的结束。当停止位出现时，接收端知道数据传输已经完成，并且可以开始处理接收到的数据。停止位位于数据位和校验位之后，它的作用是确保接收端有足够时间来识别数据帧的结束，并为下一个数据帧的到来做好准备。

2.流控

数据在两个串口之间进行通讯的时候常常会出现丢失数据的现象，比如两台计算机或者是一台计算机和一个单片机之间进行通讯，当接收端的数据缓冲区已经满了，这个时候如果还有数据发送过来，因为接收端没有时间进行处理，那这样的数据就有可能会丢失。在工业现场或者其他领域，经常会遇到这种问题，本质原因是速度不匹配、处理能力不匹配。比如单片机的主频只有20M或30M，ARM的处理能力可能是200M，PC机的处理能力是几个G，这种处理能力的不匹配造成了传输的时候数据容易丢失。

硬件流控就是来解决这个速度匹配的问题。它的基本含义非常简单，当接收端接收到的数据处理不过来时，就向发送端发送不再接收的信号，发送端接收到这个信号之后就会停止发送，直到收到可以继续发送的信号再继续发送。因此流控本身是可以控制数据传输的进度，进而防止数据丢失。

一般常用的流控方式有两种：硬件流控和软件流控。

（1）硬件流控：

如果使能了硬件流控，在三线串口通信模式增加两根控制线，一根叫 CTS(Clear To Send 为输入信号，一根叫 RTS(Require To Send 为输出信号)。一个是接收控制，一个是发送控制。

从硬件连接原理图中我们可以看到，如果从 USART 1 向 USART 2 发送的话，USART 1 的 TX 和 USART 2 的 RX 相连，USART 1 的 CTS 和 USART 2 的 RTS 相连，数据的方向是从 TX 到 RX，从串口1到串口2，流控是从 RTS 到 CTS 也就是从串口2到串口1。

  • RTS(Require To Send，发送请求)为输出信号，用于指示本设备准备好可接收数据，低电平有效，低电平说明本设备可以接收数据。
  • CTS(Clear To Send，发送允许)为输入信号，用于判断是否可以向对方发送数据，低电平有效，低电平说明本设备可以向对方发送数据。

（2）软件流控：

由于电缆线的限制，我们在普通的控制通讯中一般不用硬件流控制，而用软件流控制。一般通过xon/xoff来实现软件流控制。常用方法是：当接收端的输入缓冲区内数据量超过设定的高位时，就向数据发送端发出xoff字符（十进制的19或十六进制的0x13或control-s，设备编程说明书应该有详细阐述），发送端收到 xoff字符后就立即停止发送数据；当接收端的输入缓冲区内数据量低于设定的低位时，就向数据发送端发出xon字符（十进制的17或十六进制的0x11或control-q），发送端收到xon字符后就立即开始发送数据。一般可以从设备配套源程序中找到发送的是什么字符。

应该注意，若传输的是二进制数据，标志字符也有可能在数据流中出现而引起误操作，这是软件流控制的缺陷，而硬件流控制不会有这个问题。

3.STM32的USART

  • USART是Universal synchronous asynchronous receiver transmitter的简写，是通用同步异步 收发器的意思。
  • UART是Universal asynchronous receiver transmitter的简写，是通用异步收发器。
  • 全双工通信：USART支持全双工的通信，即数据可以在两个方向上同时传输(A->B且B->A)。这使得USART能够满足许多需要双向通信的场景
  • 同步与异步传输：尽管USART的"S"代表同步，但在实际应用中，USART更常用于异步通信。然而，它也支持同步通信模式，只是这种模式通常用于兼容其他协议或特殊模式，并且两个USART设备不能通过同步模式进行直接通信。
  • 波特率发生器:USART自带波特率发生器，最高可达4.5Mbits/s，可以根据需要，配置不同的波特率。
  • 硬件流控制:USART支持硬件流控制，通过特定的信号线（如RTS/CTS）实现数据的可靠传输。当接收端没有准备好接收数据时，可以通过RTS信号通知发送端暂停发送；当接收端准备好接收数据时，再通过CTS信号通知发送端恢复发送。

三、串口功能

1.串口实现一个字符收发

（1）uart1.c

c 复制代码 
#include "uart1.h"
 
UART_HandleTypeDef uart1_handle = {0};//串口的句柄
 
//串口初始化
void uart1_init(uint32_t baudrate)
{
    uart1_handle.Instance = USART1;//选择串口1
    uart1_handle.Init.BaudRate = baudrate;
    uart1_handle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    uart1_handle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;//不打开检验位
    uart1_handle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;//1个停止位
    uart1_handle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;//传输字长为8位
    uart1_handle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;//硬件流不打开
    //OverSampling过采样，减少误差误差。使用的是16倍。这里不用配置
    HAL_UART_Init(&uart1_handle);
}
 
 
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if(huart->Instance == USART1)
    {
        GPIO_InitTypeDef gpio_init = {0};
        __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();//使能GPIO时钟
        __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();
        gpio_init.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;//TX线是看GPIO外设配置为复用推挽
        //tx和rx查芯片手册就可以。
        gpio_init.Pin = GPIO_PIN_9;
        gpio_init.Pull = GPIO_PULLUP;//默认上拉
        gpio_init.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
        HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_init);//初始化gpio
        
        gpio_init.Mode = GPIO_MODE_INPUT;//RX线是看GPIO外设配置为上拉输入
        gpio_init.Pin = GPIO_PIN_10;
        HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_init);//初始化gpio
        
        HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn,2,2);
        HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
        __HAL_UART_ENABLE_IT(huart,UART_IT_RXNE);//使能RXNE中断
    }
}
 
void USART1_IRQHandler(void)
{
    uint8_t receive_data = 0;
    if(__HAL_UART_GET_FLAG(&uart1_handle,UART_FLAG_RXNE) != RESET){//看是不是被置1了
        
        HAL_UART_Receive(&uart1_handle,&receive_data,1,1000);//接收数据
        HAL_UART_Transmit(&uart1_handle,&receive_data,1,1000);//发送数据
    }
}

（2）main.c

c 复制代码 
#include "sys.h"
#include "uart1.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
 
 
int main(void)
{
    HAL_Init();                         /* 初始化HAL库 */
    stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); 	  /* 设置时钟, 72Mhz */
    uart1_init(115200);
    while(1)//流水灯实验
    { 
        delay_ms(500);//没隔500ms闪烁
    }
}

2.串口接收下·不定长数据(接收中断)

（1）uart.c

c 复制代码 
#include "uart1.h"
#include "stdio.h"
#include "string.h"
UART_HandleTypeDef uart1_handle = {0};//串口的句柄
uint8_t uart1_rx_buf[UART1_RX_BUF_SIZE];//定义接收的数据存放位置
uint16_t uart1_rx_len = 0;//uart1_rx_buf数据的长度
uint16_t uart1_cnt = 0;//计数器，表示接收了多少个数
uint16_t uart1_cntPre = 0;//保存接收前一个数是第几个数
 
//串口初始化
void uart1_init(uint32_t baudrate)
{
    uart1_handle.Instance = USART1;//选择串口1
    uart1_handle.Init.BaudRate = baudrate;
    uart1_handle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    uart1_handle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;//不打开检验位
    uart1_handle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;//1个停止位
    uart1_handle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;//传输字长为8位
    uart1_handle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;//硬件流不打开
    HAL_UART_Init(&uart1_handle);
}
 
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if(huart->Instance == USART1)
    {
        GPIO_InitTypeDef gpio_init = {0};
        __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();//使能GPIO时钟
        __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();
        gpio_init.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;//TX线是看GPIO外设配置为复用推挽
        gpio_init.Pin = GPIO_PIN_9;
        gpio_init.Pull = GPIO_PULLUP;//默认上拉
        gpio_init.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
        HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_init);//初始化gpio
        
        gpio_init.Mode = GPIO_MODE_INPUT;//RX线是看GPIO外设配置为上拉输入
        gpio_init.Pin = GPIO_PIN_10;
        HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_init);//初始化gpio
        
        HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn,2,2);
        HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
        __HAL_UART_ENABLE_IT(huart,UART_IT_RXNE);//使能RXNE中断
    }
}
int fputc(int ch,FILE *f)
{//重定向printf函数，到串口助手
    while((USART1->SR & 0x40) == 0);//一直等 发送数据寄存器不为空 
    USART1->DR = (uint8_t)ch;
    return ch;
}
 
uint8_t uart1_wait_receive()
{//统计是第几个数的函数，什么时候发送完(类似计数器)
    if(uart1_cnt == 0)//如果此时的索引uart1_cnt还是等于0，说明是出错了
        return UART1_ERROR;
    
    if(uart1_cnt == uart1_cntPre){//如果表示前一个数uart1_cntPre等于uart1_cnt说明已经接收完了。
        uart1_cnt = 0;//索引清0
        return UART1_EOK;
    }
    uart1_cntPre = uart1_cnt;//此时正在接收
    return UART1_ERROR;
    
}
void uart1_clear()
{//清0数组
    memset(uart1_rx_buf,0,sizeof(uart1_rx_buf));
    uart1_rx_len = 0;
}
void uart1_test()
{//测试函数
    if(uart1_wait_receive() == UART1_EOK){//如果等于，就说明接收完了
        printf("recv: %s\r\n",uart1_rx_buf);
        uart1_clear();
    }
    
}
 
void USART1_IRQHandler()
{
    uint8_t receive_data = 0;
    if(__HAL_UART_GET_FLAG(&uart1_handle,UART_FLAG_RXNE) != RESET){//看是不是被置1了
        if(uart1_cnt >= sizeof(uart1_rx_buf))
            uart1_cnt = 0;//接收前需要判断一下，，uart1_cnt是否超出总长度UART1_RX_BUF_SIZE
        HAL_UART_Receive(&uart1_handle,&receive_data,1,1000);//接收数据
        uart1_rx_buf[uart1_cnt++] = receive_data;//把接收到的数据放进数组
        
        //HAL_UART_Transmit(&uart1_handle,&receive_data,1,1000);
    }
}

（2）main.c

c 复制代码 
#include "sys.h"
#include "uart1.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
 
 
int main(void)
{
    HAL_Init();                         /* 初始化HAL库 */
    stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); 	  /* 设置时钟, 72Mhz */
    uart1_init(115200);
    while(1)//流水灯实验
    { 
        uart1_test();
        delay_ms(20);
    }
}

3.串口接收不定长数据(空闲中断)

（1）uart.c

c 复制代码 
#include "uart1.h"
#include "stdio.h"
#include "string.h"
UART_HandleTypeDef uart1_handle = {0};//串口的句柄
uint8_t uart1_rx_buf[UART1_RX_BUF_SIZE];//定义接收的数据存放位置
uint16_t uart1_rx_len = 0;//计数器，表示接收了多少个数
 
 
//串口初始化
void uart1_init(uint32_t baudrate)
{
    uart1_handle.Instance = USART1;//选择串口1
    uart1_handle.Init.BaudRate = baudrate;
    uart1_handle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    uart1_handle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;//不打开检验位
    uart1_handle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;//1个停止位
    uart1_handle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;//传输字长为8位
    uart1_handle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;//硬件流不打开
    HAL_UART_Init(&uart1_handle);
}
 
//串口初始化
void uart1_init(uint32_t baudrate)
{
    uart1_handle.Instance = USART1;//选择串口1
    uart1_handle.Init.BaudRate = baudrate;
    uart1_handle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    uart1_handle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;//不打开检验位
    uart1_handle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;//1个停止位
    uart1_handle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;//传输字长为8位
    uart1_handle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;//硬件流不打开
    HAL_UART_Init(&uart1_handle);
}
 
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if(huart->Instance == USART1){
        GPIO_InitTypeDef gpio_init = {0};
        __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();//使能GPIO时钟
        __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();
        gpio_init.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;//TX线是看GPIO外设配置为复用推挽
        gpio_init.Pin = GPIO_PIN_9;
        gpio_init.Pull = GPIO_PULLUP;//默认上拉
        gpio_init.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
        HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_init);//初始化gpio
        
        gpio_init.Mode = GPIO_MODE_INPUT;//RX线是看GPIO外设配置为上拉输入
        gpio_init.Pin = GPIO_PIN_10;
        HAL_GPIO_Init(GPIOA,&gpio_init);//初始化gpio
        
        HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn,2,2);
        HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
        __HAL_UART_ENABLE_IT(huart,UART_IT_RXNE);//使能RXNE中断
        __HAL_UART_ENABLE_IT(huart,UART_IT_IDLE);//使能空闲中断
        //当总线接收完之后，执行空闲中断
    }
}
int fputc(int ch,FILE *f)
{//重定向printf函数
    while((USART1->SR & 0x40) == 0);//一直等 发送数据寄存器不为空 
    USART1->DR = (uint8_t)ch;
    return ch;
}
 
 
void uart1_clear()
{
    memset(uart1_rx_buf,0,sizeof(uart1_rx_buf));
    uart1_rx_len = 0;
}
 
 
void USART1_IRQHandler()
{
    uint8_t receive_data = 0;
    if(__HAL_UART_GET_FLAG(&uart1_handle,UART_FLAG_RXNE) != RESET)
    {//看是不是被置1了
        if(uart1_rx_len >= sizeof(uart1_rx_buf))
            uart1_rx_len = 0;//接收前需要判断一下，，uart1_cnt是否超出总长度UART1_RX_BUF_SIZE
        HAL_UART_Receive(&uart1_handle,&receive_data,1,1000);//接收数据
        uart1_rx_buf[uart1_rx_len++] = receive_data;//把接收到的数据放进数组
        
        //HAL_UART_Transmit(&uart1_handle,&receive_data,1,1000);
    }
    if(__HAL_UART_GET_FLAG(&uart1_handle,UART_FLAG_IDLE) != RESET)
    {//接收完，就触发了空闲中断。
        __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&uart1_handle);//清除空闲位
        printf("recv: %s\r\n",uart1_rx_buf);
        uart1_clear();//在这里，已经把buf清空了
    }
}

（2）main.c

c 复制代码 
#include "sys.h"
#include "uart1.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
 
 
int main(void)
{
    HAL_Init();                         /* 初始化HAL库 */
    stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); 	  /* 设置时钟, 72Mhz */
    uart1_init(115200);
    while(1)//流水灯实验
    { 
    }
}

四、RS232通信

1.RS-232详解

RS-232是美国电子工业联盟制定的串行数据通信接口标准，原始编号全称是EIA-RS-232（简称RS232），它被广泛用于DCE（Data Communication Equipment ） 和 DTE（Data Terminal Equipment） 之间的连接。DCE可以理解为数据通信端，比如modem设备；DTE可以理解为数据终端，比如电脑。最早的台式电脑都会保留9针的232接口，用于串口通信，目前基本被USB接口取代。现在RS232接口常用于仪器仪表设备，PLC以及嵌入式领域当作调试口来使用。

2.接口形态

按照引脚数量分类有两种：25pin--DB25 协议标准推荐的接口类型。9pin---DE9（通常误叫做DB9） 自IBM PC/AT开始改用9针连接器起，目前是主流接口形态。9针RS232接口按照接口类型，又可以分为：

  • 公头（Male）：带针脚

  • 母座（Female）:带孔座

3.接口定义

下图是公头9针RS232接口详细定义：

其中DTR/DSR和RTS/CTS用于硬件流控。

DTR/DSR状态表明DTE和DCE处于可用状态，有时候设备上电这两个信号即有效，表示设备本身可用使用，但要开始进行数据传输通讯，则需要RTS/CTS流控信号。

RTS即DTE发送数据时，该信号有效（ON），向DCE请求发送数据；CTS是对请求发送RTS信号的响应，当DCE已经准备好接收数据时，该信号有效（ON），通知DTE可用使用TXD发送数据了。比如A向B发送数据简单如下逻辑：

  • .A先设置RTS为1，表示要发数据给B
  • B检测到RTS为1，先看看自己是否准备好：
    • 如果准备好，就设置CTS为1表示A可用发数据给B了
    • 如果没有准备好，继续处理自己的数据。弄完了，再将CTS设置为1，让A发数据
  • A发现CTS置1了，将数据通过TXD信号线发送出去
  • A每发送一次数据给B之前，都会继续上面的逻辑
  • A发送完数据后，就将RTS置0，表示数据发送完毕



4.电平及时序

RS232采用负逻辑电平，定义如下：

下图是使用RS232接口按照UART串口协议进行传输，UART协议具体请参考 UART详解。图中传输的数据为0100 1011b 即0x4B，按照1bit开始位，8bit数据位，1bit停止位格式传输。

5.最大通讯距离及速率

协议最初规定设备最大速率为20kbps，对于16550A UART最大速率为1.5Mbps。码元畸变小于4%的情况下，DTE 和 DCE 之间最大传输距离为 15m（50 英尺）。可见这个最大的距离是在码元畸变小于 4%的前提下给出的。为了保证码元畸变小于 4%的要求，接口标准在电气特性中规定，驱动器的负载电容应小于 2500pF。对于普通导线，其电容值约为 170pF/m,则允许距离 L=2500pF/（170pF/m）=15m。当速率下降时，传输距离会成倍增加，下表是Texas Instruments 在不同速率下对应的传输线缆长度：

五、RS485通信

1.定义

RS-485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓扑结构，在同一总线上最多可以挂接32个节点。


2.信号电平

RS-485能够进行远距离传输主要得益于使用差分信号进行传输，当有噪声干扰时仍可以使用线路上两者差值进行判断，使传输数据不受噪声干扰。

RS-485差分线路包括以下2个信号：

A：非反向（non-inverting）信号

B：反向（inverting）信号

也可能会有第3个信号，为了平衡线路正常动作要求所有平衡线路上有一个共同参考点，称为SC或者G。该信号可以限制接收端收到的共模信号，收发器会以此信号作为基准值来测量AB线路上的电压。RS-485标准中提到：

若是MARK （逻辑1），线路A信号电压比线路B高。

若是SPACE（逻辑0），线路B信号电压比线路A高。

根据RS-485标准，当485总线差分电压大于+200mV时，485收发器输出高电平；当485总线差分电压小于-200mV时，485收发器输出低电平；当485总线上的电压在-200mV～+200mV时，485收发器可能输出高电平也可能输出低电平，但一般总处于一种电平状态，若485收发器的输出低电平，这对于UART通信来说是一个起始位，此时通信会不正常。

3.差分信号与共模信号

差分传输是一种信号传输的技术，区别于传统的一根信号线一根地线的做法，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相等，相位相反。在这两根线上传输的信号就是差分信号，也称差模信号。

差分信号又称差模信号，是相对共模信号而言的。

共模信号是信号线对地的电压，差模信号是信号线之间的电压。放大电路是一个双口网络，每个端口有两个端子。当两个输入端子的输入信号分别为U1和U2时，两信号的差值称为差模信号，而两信号的算术平均值称为共模信号。


特点：

从严格意义上来讲，所有电压信号都是差分的，因为一个电压只能是相对于另一个电压而言的。

在某些系统里，"系统地"被用作电压基准点。当'地'当作电压测量基准时，这种信号规划被称之为单端的。我们使用该术语是因为信号是用单个导体上的电压来表示的。另一方面，一个差分信号作用在两个导体上。信号值是两个导体间的电压差。尽管不是非常必要，这两个电压的平均值还是会经常保持一致。

可以想象，这两个导体上被同时加入的一个相等的电压，也就是所谓共模信号，对一个差分放大系统来说是没有作用的，也就是说，尽管一个差分放大器的输入有效信号幅度只需要几毫伏，但它却可以对一个高达几伏特的共模信号无动于衷。

这个指标叫做差分放大器的共模抑制比(CMRR)，一般的运算放大器可以达到90db以上，高精度运放甚至达到120db。因为干扰信号一般是以共模信号的形式存在，所以差分信号的应用极大地提高了放大器系统的信噪比。

优点

  • 抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。
  • 能有效抑制EMI（Electromagnetic Interference，电磁干扰），同样的道理，由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。
  • 时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。

4.为什么要抑制共模信号

任何信号都可以分解为共模信号（Common mode signal）和差模信号（Differential mode signal）。

共模信号又称为对地感应信号或不对称信号，作用在差分放大器或仪表放大器两个输入端的相同信号，通常是由于线路传导和空间磁场干扰产生的，不携带有效信息，是不希望出现的信号。

主要表现为：

  • 单线传输时，地电位差异引起的共模信号，会叠加在信号上形成共模干扰，造成原始信号失真。
  • 双线传输时，有效信号是差模信号，共模信号是无效信号。如果共模信号被放大很多，会影响到真正需要放大的差模信号。


5.共模干扰是如何产生的

实际应用中，温度的变化各种环境噪声的影响都可以视作为共模干扰，共模干扰产生的原因很多。主要原因有以下四点：

  • 电网串入共模干扰电压。
  • 辐射干扰（如雷电，设备电弧，附近电台，大功率辐射源） 在信号线上感应出共模干扰。
  • 接地电压不一样，也就是说地电位差异引入共模干扰。
  • 设备内部电线对电源线的影响。

六、常见问题与解答

1.简单介绍一下USART和UART的区别

UART（通用异步收发器）是USART（通用同步异步收发器）的子集。USART除了支持UART的异步模式外，还支持同步模式。在同步模式下，USART会提供一个时钟引脚（CK）来同步数据传输

2.如何理解波特率和比特率

在串口通信中，由于每传输一个符号只携带1比特的信息，所以两者的数值通常是相等的。但严格来说，波特率是指信号每秒变化的次数，而比特率是指每秒传输的比特数

3.请介绍几种串口数据的收发方式，并说明其优缺点

  • 轮询方式：CPU不断查询标志位（如TXE）来判断是否可以发送或接收数据。优点是简单，但会阻塞CPU，效率极低，不适合实时系统
  • 中断方式：发送时，CPU只需将数据写入DR寄存器，完成后触发发送完成中断；接收时，收到数据即触发中断，在中断服务函数中处理数据。这种方式提高了CPU利用率
  • DMA方式：直接内存访问，是最高效的方式。配置好DMA后，DMA控制器会自动将数据从内存搬运到串口发送，或将串口接收的数据搬运到内存，整个过程完全不需要CPU干预，适合大批量、高速数据传输

4.如果串口接收到的数据量很大，或者数据帧不连续，你怎么处理才能保证数据不丢失

引入"环形缓冲区"。

  • 原理：在内存中开辟一块连续的存储空间作为缓冲区，并维护读指针和写指针。中断服务程序只负责把收到的数据快速放入缓冲区（写数据），而主循环或任务则从缓冲区中取出数据（读数据）进行解析处理
  • 优点：这种方式解耦了数据接收和数据处理，避免了因处理耗时导致的数据覆盖，是实现稳定、高效串口驱动的常用方法

5.串口发送数据时，TXE和TC这两个标志位有什么区别

  • TXE (发送数据寄存器空)：当该位置1时，表示数据已经从DR寄存器移到了移位寄存器，DR寄存器已经空了，CPU可以继续向DR写入下一个要发送的数据
  • TC (发送完成)：当该位置1时，表示移位寄存器中的数据也已经被全部发送出去了。如果你想在发送完最后一个字节后，关闭串口或进入低功耗模式，就必须等待TC标志位

6.在实际项目中，如果遇到串口通信乱码或完全不工作，你会如何排查

  • 检查硬件连接：确保TX和RX交叉连接，GND共地，并检查是否有虚焊、短路
  • 核对参数配置：重点核对通信双方的波特率、数据位、停止位、校验位是否完全一致
  • 检查时钟配置：确保串口外设的时钟已经正确使能，并且系统时钟频率配置无误，这会直接影响波特率的计算精度
  • 检查GPIO模式：确认TX引脚配置为复用推挽输出，RX引脚配置为浮空输入或带上拉输入
  • 分步测试：可以先只让单片机一直发送固定的数据（如0x55或0xAA），用逻辑分析仪或示波器观察TX引脚的波形，从物理层确认数据发送是否正常
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