STM32F103C8T6原理学习笔记——串口通信

STM32F103C8T6原理学习笔记——串口通信

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/Hacanchen/article/details/134344974

串口通信是嵌入式系统中常用的一种通信方式，尤其在单片机开发中占据重要地位。本文以STM32F103C8T6单片机为例，详细介绍了串口通信的基础知识、硬件电路设计以及USART外设的使用方法。通过本文的学习，读者可以掌握串口通信的基本原理和实际应用，为嵌入式系统开发打下坚实的基础。

一、通信接口基础

通信的目的在于将一个设备的数据传送到另一个设备，从而扩展硬件系统的功能。为了确保数据能够正确传输，通信双方需要遵循一定的规则，这就是通信协议。

通信引脚

不同的通信接口使用不同的引脚：

• USART：TX（发送）和RX（接收）
• I2C：SCL（时钟）和SDA（数据）
• SPI：SCLK（时钟）、MOSI（主机输出从机输入）、MISO（主机输入从机输出）和CS（片选）
• CAN：CAN_H和CAN_L（差分数据）
• USB：DP（数据正）和DM（数据负）

通信模式

通信模式主要分为三种：

• 全双工：通信双方能够同时进行双向通信，需要两根通信线（如USART的TX和RX，SPI的MOSI和MISO）。
• 半双工：通信双方可以互相发送数据，但不能同时进行，只有一根数据线（如I2C、CAN、USB）。
• 单工：数据只能从一个设备传输到另一个设备，通信是单向的（如灯塔发出光信号）。

时钟特性

• 同步通信：I2C和SPI有单独的时钟线，接收方可以在时钟信号的指引下进行采样。
• 异步通信：USART、CAN、USB没有时钟线，需要双方约定一个采样频率，并增加帧头帧尾进行采样位置对齐。

电平特性

• 单端信号：引脚的高低电平都是对GND的电压差，通信双方需要共地。
• 差分信号：CAN和USB通过两个差分引脚的电压差传输信号，不需要共地，传输速度和距离更远。

设备特性

• 点对点：USART和USB都是点对点设备，直接传输数据。
• 多设备：I2C、SPI、CAN可以在总线上挂载多个设备，需要寻址确定通信对象。

二、串口通信原理

串口是一种应用广泛的通信接口，具有成本低、使用简单、通信线路简单等特点。单片机的串口可以实现与各种设备的通信，极大地扩展了单片机的应用范围。

硬件电路

• 简单双向串口通信需要两根通信线（发送端TX和接收端RX）
• TX与RX要交叉连接
• 当只需单向的数据传输时，可以只接一根通信线
• 当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片
• 如果两个设备都有独立供电则不需要接VCC，如果一个有一个没有，协议把两个设备的VCC接在一起。

电平标准

串口常用的电平标准有三种：

• 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）

串口参数及时序

• 波特率：串口通信的速率，单位是bps（bits per second）
• 起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平
• 数据位：数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平，低位先行
• 校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来
• 停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平

三、USART外设详解

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）是STM32内部集成的硬件外设，支持同步和异步通信模式。

USART功能特点

• 最高支持4.5Mbits/s的通信速率
• 可配置数据位长度（8/9位）
• 可配置停止位长度（0.5/1/1.5/2位）
• 支持奇偶校验
• 支持硬件流控制
• 支持DMA传输
• 支持智能卡、IrDA、LIN等通信协议

USART硬件结构

USART的主要硬件结构包括：

• 数据寄存器（DR）：发送数据寄存器（TDR）和接收数据寄存器（RDR）共享同一个地址
• 发送移位寄存器：将一个字节的数据一位一位地移出去
• 接收移位寄存器：将接收到的数据一位一位地移入
• 硬件流控：通过nRTS和nCTS引脚实现数据流控制
• 同步时钟（SCLK）：支持SPI协议和自适应波特率
• 唤醒单元：实现多设备通信功能

数据帧结构

串口数据帧由起始位、数据位、校验位和停止位组成。

起始位侦测

串口输入部分的电路对采样时钟进行了细分，以波特率的16倍进行采样。当检测到下降沿时，会进行连续16次采样，以确保起始位的准确性。

数据采样

波特率发生器通过波特率寄存器BRR里的DIV值来计算波特率：

波特率 = fPCLK2/1 / (16 * DIV)

数据模式

串口数据可以采用HEX模式或文本模式显示：

• HEX模式：以原始数据形式显示
• 文本模式：以字符编码形式显示

数据包接收

对于包含包头、数据和包尾的数据包，可以使用状态机来处理不同状态的逻辑。状态机通过标志位来区分包头、数据和包尾的状态，并进行相应的处理。