代码收藏家技术教程 2024-02-18

STM32串口通信教程及示例

STM32的串口通信

数据通信的基础概念

数据通信的分类

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数据通信

按通信方式分类

串行通信

并行通信

按数据传输方向分类

单工通信

半双工通信

全双工通信

按数据同步方式分类

同步通信

异步通信

串行/并行通信

串行与并行的比较

解释：因为串行的数据传输是单线的而并行有多条线，多条线传输电信号的过程中会相互干扰，所以并行通信的抗干扰能力更弱。

单工/半双工/全双工通信

单工通信：数据只能沿一个方向传输

半双工通信：数据可以沿两个方向传输，但需要分时进行（两方向，同线，不同时）

全双工通信：数据可以同时进行双向传输

同步/异步通信

同步通信：共用同一时钟信号

异步通信：没有时钟信号，通过在数据信号中加入起始位和停止位等一些同步信号

波特率

比特率：每秒钟传送的比特数，单位bit/s

波特率：每秒钟传送的码元数，单位Baud

比特率 = 波特率 * [log2 M ]，(log2 M取不小于log2 M的整数。M表示每个码元承载的信息量)

二进制系统中，波特率数值上等于比特率

补充——码元

码元（Symbol）是数字通信中的基本单位，它代表着一种离散的信号状态。在数字通信中，信息通常以一系列离散的码元进行传输和表示。

码元可以是二进制的（0和1），也可以是多进制的（例如四进制、八进制等）。每个码元代表着一定的信息，例如一个二进制码元可以表示一个比特（bit），而一个四进制码元可以表示两个比特。

举例

用二进制表示两次抛硬币的结果则有00，01，10，11四种这个结果就是一个码元，在此，一个码元代表2位二进制。

设其波特率为x

比特率 = 波特率 × 每个码元所表示的比特数

所以其比特率就为x*2

相同的，若跑三次硬币，以三次结果为波特率，000，001，010，011，100，101，110，111，一个码元包含8种信息，即3位比特数，所以比特率=x*3.

常见的串行通信接口

=img-4GGJwYEr-1707208040434)

数据帧

数据帧：数据帧（Data Frame）是在计算机网络和通信领域中使用的一种数据传输单位。它是将数据分割成一系列固定长度的单元，并添加了一些控制信息和标识符，以便在网络中正确传输和识别数据。

串口的数据帧格式

空闲

起始位

起始位：表示数据帧的开始，实际使用1位低电平表示起始位

数据位

用于传输数据

低电平表示0，高电平表示1

8~9位

LSP First （Least Significant Bit First）先传最低有效位

校验位

校验位：为了检验数据传输是否出错而设立的比特位

校验位和数据位的关系

奇偶校验规则

graph LR
A[奇偶校验（查1的个数）]-->B[奇校验]
B-->B1[控制校验位为0/1，使数据位和校验位1的总数位奇数]
A-->C[偶校验]
C-->C1[控制校验位为0/1，使数据位和校验位1的总数为偶数]

停止位

停止位：表示数据帧的结束，高电平，长度可以是0.5， 1， 1.5， 2

数据发送

单个数据发送

单个数据发送：在单个数据发送中，每个数据单元（如字符或字节）都被独立地发送。发送端将一个数据单元封装成一个数据帧，并通过物理介质将其发送给接收端。接收端收到一个数据单元后，进行处理和分析，然后等待下一个数据单元的到达。

单个数据发送适用于一次性传输独立的数据单元，每个数据单元之间可能存在较长的时间间隔

连续发送

连续发送：在连续发送中，多个数据单元被连续地发送。发送端将多个数据单元组合成一个数据流，并通过物理介质连续地发送给接收端。接收端在接收到数据流后，进行解析和处理，将连续的数据单元还原出来。

连续发送适用于需要高速率传输或实时性要求较高的场景。

e.g.

发送Hello

8位数据位，无校验， 1位停止位
H – 0x48 (0100 1000) e – 0x65（0110 0101） l – 0x6c（0110 1010） o – 0x6f (0110 1111)

硬件流控

流控的概念

数据流控（Flow Control）是在数据通信中使用的一种机制，用于控制发送方和接收方之间的数据传输速率，以避免数据丢失或过载。

产生意义：

在数据通信中，发送方和接收方可能存在传输速率不匹配的情况。如果发送方连续地向接收方发送数据，而接收方的处理能力有限，可能导致接收方无法及时处理所有的数据，从而造成数据丢失或缓冲区溢出。为了解决这个问题，数据流控机制被引入。

就是因收发速度不同，为防止发送端速度过快，接收端未来得及接受数据就被新数据覆盖而导致的数据丢失问题。于是有了“数据流控”来控制发送端的传输速度。

实现流控的方法

停止-等待流控：发送方在发送完一个数据包后，等待接收方的确认信号，然后再发送下一个数据包。这种方式可以确保接收方有足够的时间来处理接收到的数据，但会导致发送方的利用率较低。

以听写为例（左为无流控，右为流控结果）
滑动窗口流控：发送方和接收方之间维护一个滑动窗口，窗口的大小表示允许发送的未确认数据包数量。发送方根据窗口大小来发送数据包，接收方根据窗口大小来确认已接收的数据包。通过动态调整滑动窗口的大小，可以实现发送方和接收方之间的数据传输速率匹配。

举例
缓冲区管理：在接收方使用缓冲区来存储接收到的数据，以便在处理能力不足时，暂时存储数据而不丢失。通过合理管理缓冲区的大小和数据处理能力，可以实现数据流控。

举例

假设你是一位餐厅服务员，负责将菜品送到客人桌上。餐厅的厨房有一个10个盘子的缓冲区，你可以将菜品放到缓冲区中，然后再将其送到客人桌上。然而，客人的用餐速度有限，他们只能及时吃完3个盘子的菜品。当缓冲区中的盘子满时，你会通知厨房停止制作菜品，直到客人吃完一些菜品，腾出空间来。

串口流控的工作原理

串口(以RS-232为例)

串口：串行通信接口：指按位发送和接收的接口。如：RS-232/422/485等

RS-232接口(DB9）：

数据：

TXD（pin 3）：串口数据输出

RXD（pin 2）：串口数据输入

握手：

RTS（pin 7）：请求发送

CTS（pin 8）：清除发送

DSR（pin 6）：数据发送就绪

DCD（pin 1）：数据载波检测

DTR（pin 4）：数据终端就绪

地线：

GND（pin 5）：信号地

其他：

RI（pin 9）：振铃指示

RS-232电平与COMS/TTL电平对比

RS-232电平	COMS电平（3.3V）	TTL电平（5V）
逻辑1：-15V ~ -3V	逻辑1：3.3V	逻辑1：5V
逻辑0：+3V ~ +15V	逻辑0：0V	逻辑0：0V

由此观之，COMS/TTL电平不能与RS-232电平直接交换信息

设备间的RS-232通信示意图

STM串口与电脑USB口通信示意图

S3-232异步通信协议

启动位：必须占1个位长，保持逻辑0电平

有效数据位：可选5、6、7、8、9个位长，LSB（最小数据位，在途中表示位位0）在前，MSB（最大数据位，在图中表示为位7）在后

校验位：可选占1个位长，也可以没有该位

停止位：必须有，可选占0.5、1、1.5、2个位长，保持逻辑1电平

STM32的USART

USART ： Universal synchronous asynchronous receiver transmitter，通用同步异步收发器

UART ： Universal asynchronous receiver transmitter，通用异步收发器

USART/UART都可以与外部设备进行全双工异步通信

USART，我们常用的也是异步通信

STM32的主要特征

1，全双工异步通信

2，单线半双工通信

3，单独的发送器和接收器使能位

4，可配置使用DMA的多缓冲器通信

5，多个带标志的中断源

参考：STM32xxxx参考手册（中文版）.pdf USART相关章节

参考：STM32F103ZET6（中文版）.pdf

STM32F1USART框图

**注意：框图中灰色的部分（即发送数据寄存器、发送移位寄存器、接接收数据寄存器、收移位寄存器）都是不可直接读取或写入数据的。**要获取输入的数据，必须通过接收数据寄存器将数据传输到数据寄存器中再读取。

现大致将框图分为3部分来讲解

发送接收数据的流程

发送/接收数据的流程

由图可知，TX和RX引脚用作数据的输入与输出。

当传输数据时,外部输入设备输入串行数据至RX引脚，通过编解码模块再到接收移位寄存器，再传输到接收数据寄存器，最后到CPU处理。

发送数据时通过CPU发送数据至发送数据寄存器，再到发送移位寄存器最后通过编解码模块传输到TX引脚，输出到外部设备。

设置波特率(USART1为例)

（STM32F1USART框图中词部分用于波特率的设置）

计算

(F1)波特率计算公式：baud=“fck” /(16∗USARTDIV)

其中"fck"是串口的时钟，如：USART1的时钟是PCLK2,其他串口都是PCLK1

USARTDIV表示USART波特率分频寄存器的值

例如

波特率为115200时：

115200=72000000/（16*USARTDIV）

//通过查询STM32参考手册可知USART1的时钟最大频数是72M,所以fck填入72*10**6

得USARTDIV=39.0625

将数据写入到寄存器中

波特比率寄存器

把USARTDIV的整数部分写入位[15:4]， USARTDIV的小数部分写入[3:0]

uint16_t mantissa; 
uint16_t fraction; 
mantissa=39; 
fraction=0.0625*16+0.5=0x01;          /* USARTDIV = DIV_Mantissa + (DIV_Fraction/16) */
USART1->BRR = (mantissa << 4) + fraction;

说明

代表写入数据的整数部分39

mantissa << 4是因为写入数据是整数部分占[15:4]，右边的[3:0]要留给小数部分所以整体左移

fraction=0.0625*16+0.5=0x01;
其中*16的功能与<<4相同。因为是小数但填入后是二进制的形式不左移的话超出范围且[3:0]空了所以要左移

+0.5的目的是实现四舍五入类似Python中int(x+0.5)

至此波特率的设置的理论就基本完成了。为了更加方便接下来讲解波特率设置通用公式的推演。

波特率设置通用公式推演

ion=0.062516+0.5=0x01; / USARTDIV = DIV_Mantissa + (DIV_Fraction/16) */
USART1->BRR = (mantissa << 4) + fraction;


> 说明
>
> + 代表写入数据的整数部分39
> + mantissa << 4是因为写入数据是整数部分占[15:4]，右边的[3:0]要留给小数部分所以整体左移
> + fraction=0.0625*16+0.5=0x01; 
>   + 其中*16的功能与<<4相同。因为是小数但填入后是二进制的形式不左移的话超出范围且[3:0]空了所以要左移
>   + +0.5的目的是实现四舍五入类似Python中int(x+0.5)