【stm32_6.1】串行异步接口USART，串口的原理和应用

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| 串行通信 | 传输原理：数据按位依次顺序传输 （每一位占据固定的时间长度 MSB or LSB） |
| 串行通信 | 优点：占用引脚资源少、成本低、传输距离远 |
| 串行通信 | 缺点：速度慢 |
| 串行通信 | 应用场合：常用于工控、测量设备，以及部分通信设备如 USB、COM口 |

（2）并行通信

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| 并行通信 | 传输原理：数据按位同时传输（按照字节或者字节的倍数去传输） |
| 并行通信 | 优点：速度快 |
| 并行通信 | 缺点：占用引脚多，成本高、传输距离近、抗干扰能力弱（串扰） |
| 并行通信 | 应用场合：一般适用数据量大、传输距离较近的场合如计算机总线 |

2. 串行通信的数据的传送方向

单工：数据只能从一方传向另一方，而不能往反方向传输。这是根据应用的特点，对通信双方的软、硬件进行了简化。单向传输设备，如并行接口打印机就是通过单工的方式进行数据传输的。

例如：打印机

半双工：允许数据往两方传向传输，但只能交替进行，而不能同时进行的传输方式。

例如：对讲机。

全双工 ：数据支持同时在两个方向上传输，就相当于两个单工通信的结合。

例如：移动电话。

3. 串行通信按照数据的通信方式

++同步通信 : 带时钟同步信号++，如IIC接口和SPI接口都属于同步通信。

同步通信要求通信双方的时钟必须一致(发送数据的同时进行接收数据)。

同步通信是一种连续串行传输数据的通信方式，一次只传输一帧数据。

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| 优点 | 相对于异步通信而言，同步通信传输速率更高 |
| 缺点 | 通信双方必须使用同一个时钟 |

++++异步通信++++ ++++:++++ ++++不带时钟同步信号++++ ，如++++UART++++接口就属于异步通信。

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）

异步通信要求++++通信双方必须具有接收器和发送器++++ ，++++但是接收器和发送器可以使用各自的时钟++++。
异步通信是以字符为单位** 去**传输 。
由于异步通信工作是非同步的，所以接收器必须时刻做好接收数据的准备 ，所以每个字符都会使用 起始位 和 停止位 代表字符的开始和结束，相比于同步通信而言设备成本低，但是缺点是信道利用率低。

注意：使用异步通信， 通信双方要约定好的字符格式和通信速率 ，否则会导致数据丢失等问题出现。

4. 串行接口意义

串行通信 ：把数据按位进行顺序传输 (一个字节以比特的形式发出 去)，++在计算机传输的过程中是使用并行通信的，单片机用的是串行通信++ ，所以++++涉及到串转并和并转串++++ 。可以利用软件实现，也可以用硬件实现。如果使用软件(程序/设计算法的方式)实现，会增大CPU的负担(本来CPU传数据就行，现还得转数据)，通常使用硬件（串口）实现。

++++串口是计算机进行串行通信的物理接口++++ ，线路简单，++++串口是按位进行数据的收发++++ ，可以++++用一根线(TXD)发送数据的同时用另一根线接收(RXD)。++++

九针串口

常用的串口接口有两种：9针串口（DB-9） 25针串口（DB-25）每种都分为公头和母头。

一般DB9串口有9个引脚，但是一般作为串口通信时只需要用到三个引脚，分别是RXD、TXD、GND，其他的线一般用于握手。

++单片机和计算机进行串口通信，则需要注意串口的电平协议，单片机采用的是TTL电平，而计算机采用的RS232电平，所以单片机需要和计算机通信，则需要增加如MAX232电平转换芯片进行电气转换。++

TTL电平协议：采用正逻辑电平 +5V等价于逻辑1 0V等价于逻辑0

RS232电平协议：采用负逻辑电平 -15V~-3V等价于逻辑1 +3V~+15V等价于逻辑0

5. 硬件接线说明

对于目前，很多设备++++直接采用4针的串口（TXD、RXD、GND、VCC），然后通过CH340芯片进行转换++++，就可以直接通过USB口转串口的方式达到和计算机通信的目的。

串口的输出输入Tx，Rx

USB的输出输入D+，D-

采用有线方式与PC机进行通信 ，则需要用到CH340转换芯片，数据会通过USART1串口传输。
采用无线方式与手机进行通信 ，则不需要用到CH340转换芯片，但是需要通过蓝牙模块进行数据的转发，蓝牙模块如果接在USART1串口的接口，则数据也是通过USART1进行传输。

注意:如果打算实现有线通信和无线通信的结合,则需要把无线通信模块链接在其他的串口上即可， ++++想要和计算机通信，只能使用USART1串口，因为引脚是固定的。++++

单片机传输用的串行通信，计算机传输用的并行通信，==> 涉及串行、并行中间的转换

串口的存在，是为了增加硬件，降低CPU的负担。

CH340是实现USB转串口的转接芯片。

6.串口通信参数

++++串口通信属于全双工异步通信++++ ，所以++通信双方必须具有发送端（TXD）与接收端（RXD）++。

++++由于异步通信不需要时钟来进行数据同步，但是++++ ++++通信双方必须提前约定好字符格式++++ ++++与通信速率。++++

（1）字符格式

在进行串口通信的时候，需要通信双方在协议层规定好传输的数据包（字符帧）的格式 ，字符帧由起始位、数据位、校验位、停止位组成。这样通信双方就可以利用起始位和停止位实现同步。关于字符格式的相关参数的说明可以参考STM32中文参考手册第26.3.1章节。

（2）通信速率

在串口通信中，如果设置好了通信的字符格式，还需要通信双方约定好通信速率，也就是单位时间内传输的有效二进制数的个数，所以也被称为波特率（bps baud pre second）。

一般串口通信常用的波特率为9600bps 、38400bps、57600bps、115200bps，当然也有其他的选择，波特率有对应的计算公式，可以参考STM32中文参考手册的第26.3.4章节。

举个例子 ：大多数使用串口通信的传感器的字符格式都是8bit数据位、1bit停止位、无奇偶校验位，当然还必须有1bit起始位，所以++++一帧数据是10bit，如果通信速率设置为9600bps，则单位时间内能传输的数据帧为9600/10 = 960帧++++。这是使用频率最高的一种通信速率！！！！

7. USART的使用流程

USART指的是++++通用同步异步收发器++++ ，是STM32中的串行通信设备，STM32F407ZET6一共提供了6个串行接口供用户使用，其中4个为USART，2个为UART。++++UART指的是通用异步收发器，其实就是在USART的基础上裁掉了同步通信的功能，只保留了异步通信。++++

平时大家一般都是使用串口的异步通信功能，区分同步还是异步其实很简单，就是看是否在通信是对外提供时钟输出

8. USART中断请求

如果打算串口发送字符串，由于字符串属于字符序列，所以按照顺序发送字符，由于++串口外设的发送数据寄存器是8bit的，每次只能发送1个字符++ ，并且只有等上一次字符发送完成，才可以发送下一个字符。

可以通过检测 "串口外设的发送数据寄存器" 是否为空，来判断待发送的字节是否发送完成 ，所以需要检测状态标志。

案例1 ：检测RXNE中断事件标志

cpp 复制代码

void USART1_IRQHandler(void)
{
	/* USART in Receiver mode */	//收到数据的时候发生触发
	if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)//串口的RX检测到数据
	{
			uint8_t data = 0;
			/* Receive Transaction data */
			data = USART_ReceiveData(USART1);//单片机接收数据
		
		//由于当前单片机没有屏幕显示接收到的数据，只能把接收到的数据返回给计算机
		USART_SendData(USART1, data);
	}
}

USART_SendData() 函数本身是"非阻塞"的。 它只负责将数据写入寄存器，然后立即返回，并不会等待数据真正从硬件上发送完毕。

++++如果在发送完一个字节后，没有确认上一个字节是否发送完成就立即尝试发送下一个字节，可能会导致数据覆盖或丢失。++++

Q ：如何确保数据可靠发送？

**调用 USART_SendData() 后，必须配合使用状态标志检查函数 USART_GetFlagStatus() 来确保数据真正发送完毕。**通常有两种等待方式：

等待发送数据寄存器空（TXE, Transmit Data Register Empty）标志：表示TDR中的数据已经转移到移位寄存器，可以写入下一个数据。这是最常用的方式。
等待发送完成（TC, Transmission Complete）标志：表示不仅TDR空了，整个数据帧（包括停止位）都已经从移位寄存器发送出去了。在关闭串口或进入低功耗模式前，等待此标志尤为重要。

案例2 ：检测状态标志

cpp 复制代码

void SendComputerString(char *string)
{
	while(*string != '\0')
	{
		USART_SendData(USART1, *string++ );
		while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE)==RESET);	//检测"发送数据寄存器数据位为空"	
	}
	
}

USART_SendData() ：是单片机/MCU主动给**发数据。 单片机-->**

触发中断：触发"计算机上在上位机向MCU发送数据"的中断。 计算机-->单片机

9.程序设计

需求：实现可以向计算机的串口调试助手发送一个字符串，要求把程序封装为一个接口，该接口专门用于发送字符串。

cpp 复制代码

/**
   ******************************************************************************
   * @file    GPIO/GPIO_IOToggle/main.c 
   * @author  
   * @version 
   * @date    03-August-2026
   * @brief   利用USART1和计算机通信	
							USART1_TX -- PA9
							USART1_RX -- PA10
   ******************************************************************************
**/

#include "stm32f4xx.h"  //必须要包含的头文件
#include <string.h>

void delay_us(uint32_t nus);

void delay_ms(uint32_t nms);

void delay_s(uint32_t ns);

void USART1_Config(unsigned int baud)
{
		USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	
	//Enable peripheral clock using the following functions
	/* Enable USART clock */
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
	
	//According to the USART mode, enable the GPIO clocks
	/* Enable GPIO clock */
	RCC_AHB1PeriphClockCmd( RCC_AHB1Periph_GPIOA , ENABLE);
	
	//Peripheral's alternate function:
	/* Connect USART pins to AF7 */
	GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_USART1);
	GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_USART1);

	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	/* Program the Baud Rate, Word Length , Stop Bit, Parity, Hardware 
     flow control and Mode(Receiver/Transmitter) using the USART_Init()
     function. */
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = baud;									//波特率
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;	//数据位
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;			//停止位
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;					//无校验
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//无流控
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;	//收发模式
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
	
	//Enable the NVIC and the corresponding interrupt
	/* NVIC configuration */
	/* Configure the Priority Group to 2 bits */
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

	/* Enable the USARTx Interrupt */
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
	
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//接收缓冲区为空的时候使用中断
	
	// Enable the USART using the USART_Cmd() function.
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

//向计算机的串口调试助手发送一个字符串，要求把程序封装为一个接口，该接口专门用于发送字符串。
void SendComputerString(char *string)	//参数里传入一个字符串
{
	while(*string != '\0')
	{
		USART_SendData(USART1, *string++ );
		while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE)==RESET);
	}
	
}

int main()
{
	USART1_Config(9600);
	
	while(1)
	{
		SendComputerString("12345\r\n");
		//USART_SendData(USART1, 'f');//单片机给计算机发，不需要中断
		delay_ms(500);
	}
}

void USART1_IRQHandler(void)
{
	/* USART in Receiver mode */	//收到数据的时候发生触发
	if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)//串口的RX检测到数据
	{
			uint8_t data = 0;
			/* Receive Transaction data */
			data = USART_ReceiveData(USART1);//单片机接收数据
		
		//由于当前单片机没有屏幕显示接收到的数据，只能把接收到的数据返回给计算机
		USART_SendData(USART1, data);
	}
}

void delay_us(uint32_t nus)
{
	SysTick->CTRL = 0; 									// 关闭systick的控制状态寄存器――该寄存器的bit0置0
	SysTick->LOAD = ( 21 * nus - 1); 		// systick的重载寄存器――计数时长 = 计数周期 * 计数次数
	SysTick->VAL = 0; 									// 清空systick的当前数值寄存器
	SysTick->CTRL = 1; 									// 使能systick的控制状态寄存器――该寄存器的bit0置1
	while ((SysTick->CTRL & 0x00010000)==0);// 递减计数到了则控制状态寄存器的bit16为1，计数次数没到则bit16为0.
	SysTick->CTRL = 0; 									//关闭systick的控制状态寄存器
}

void delay_ms(uint32_t nms)
{
	SysTick->CTRL = 0; 									// 关闭systick的控制状态寄存器――该寄存器的bit0置0
	SysTick->LOAD = ( 21*1000*nms - 1); // systick的重载寄存器――计数时长 = 计数周期 * 计数次数
	SysTick->VAL = 0; 									// 清空systick的当前数值寄存器
	SysTick->CTRL = 1; 									// 使能systick的控制状态寄存器――该寄存器的bit0置1
	while ((SysTick->CTRL & 0x00010000)==0);// 递减计数到了则控制状态寄存器的bit16为1，计数次数没到则bit16为0.
	SysTick->CTRL = 0; 									//关闭systick的控制状态寄存器
}

void delay_s(uint32_t ns)
{
	while(ns--)
	{
		delay_ms(500);
		delay_ms(500);
	}
}

同步通信：发送的时候会接收。

Q：如何区分是同步通信or异步通信

Ａ：看算法需要脉冲信号／时钟。

如果需要脉冲信号／时钟，就是同步；

如果不需要脉冲信号／时钟，就是异步。