STM32中Usart的使用

一、USART簡介

1.電平標準

2.通信接口

? ?3.硬件電路?

4.串口參數以及時序

5.串口時序

二、USART結構介紹

1.USART功能框圖?

?編輯??1.1 功能引腳

1.2 數據寄存器

1.3? 控制器

1.4 波特率發生器

1.5簡化結構圖

?2.數據幀

一、USART簡介

????????USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）是一種串行通信接口，用于實現設備之間的數據交換。它支持 同步模式和 異步模式，在 STM32 中最常用的是 異步串行通信（UART）模式。

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）通用同步/異步收發器 USART是STM32內部集成的硬件外設，可根據數據寄存器的一個字節數據自動生成數據幀時序，從TX引腳發送出去，也可自動接收RX引腳的數據幀時序，拼接為一個字節數據，存放在數據寄存器里
自帶波特率發生器，最高達4.5Mbits/s
可配置數據位長度（8/9）、停止位長度（0.5/1/1.5/2）
可選校驗位（無校驗/奇校驗/偶校驗）
支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN
STM32F103C8T6 USART資源： USART1、 USART2、 USART3（USARRT1是APB2總線上的設備，其他的都是APB1總線）

1.電平標準

????????電平標準是數據1和數據0的表達方式，是傳輸線纜中人為規定的電壓與數據的對應關系，串口常用的電平標準有如下三種：TTL電平、RS232電平、RS485電平。根據通訊使用的電平標準不同，串口通訊可分為 TTL 標準及 RS-232 標準，見表 TTL 電平標準與 RS232 電平標準（RS485電平：兩線壓差+2~+6V表示1，-2~-6V表示0（差分信號））?。相同的電平才可以互相通信，不同的電平需要加一個電平轉換芯片轉接一下。

????????我們知道常見的電子電路中常使用TTL 的電平標準，理想狀態下，使用 5V 表示二進制邏輯 1 ，

使用 0V 表示邏輯 0 ；而為了增加串口通訊的遠距離傳輸及抗干擾能力，它使用 -15V 表示邏輯 1 ，

+15V 表示邏輯 0 。見圖 RS-232 與 TTL 電平標準下表示同一個信號。這個-15和+15是相對于GND的，相對于GND是正的還是負的。

2.通信接口

????????通信的目的：將一個設備的數據傳送到另一個設備，擴展硬件系統。
????????通信協議：制定通信的規則，通信雙方按照協議規則進行數據收發。

雙工模式	解釋
全雙工	通信雙方能夠同時進行雙向通信一般全雙工的通信線都有兩根，如串口：TX：發送，RX：接收發送線路和接收線路互相不影響
半雙工	也支持雙向通信，但是同一時間只能一方發送，一方接收，不能同時發送和接收類似于對講機，一個人說話時，另一個人必須等待說完才能回話。

時鐘特性	解釋
異步	異步通信是指通信雙方沒有共享的時鐘信號，而是依靠事先約定好的波特率（Baud Rate）來協調數據的發送和接收時間。同步方式：通過起始位、停止位和波特率來實現同步通信效率：較低，但簡單可靠，同時硬件復雜度也低，只需要TX和RX 例子：就像兩個人用手機發短信聊天，不需要實時通話，只要知道對方說話的速度（波特率），就能理解對方說了什么 —— 這就是“異步”。
同步	同步通信是指通信雙方在統一的時鐘信號控制下進行數據傳輸。發送端和接收端共享一個公共時鐘源（Clock），數據的發送和接收嚴格按照時鐘節拍進行。即需要一條專門的時鐘線（如 SCLK）數據與時鐘對齊：數據在每個時鐘沿（上升沿或下降沿）被采樣通信效率：高，適合高速傳輸，但是硬件復雜度也高例子：就像兩個人一起聽音樂打拍子跳舞，動作完全跟著節奏來 —— 這就是“同步”。

電平特性	解釋
單端信號	單端信號是指信號通過一個單獨的導線傳輸，并相對于一個共同的參考點（通常是地線GND）進行測量（即共地）。這意味著信號電壓是相對于地來定義的。信號傳輸：通過單一導線傳輸信號，相對于地抗干擾能力：較弱，容易受到電磁干擾（EMI）影響
差分信號	差分信號是指通過一對導線同時傳輸兩個信號，這兩個信號相位相反（即一個為正時另一個為負）。接收端通過比較這兩條線上電壓差值來識別信號狀態，而不是相對于地。信號傳輸：使用兩條線傳輸互補信號抗干擾能力：強，因為共模噪聲可以被抵消

? ?3.硬件電路?

簡單雙向串口通信有兩根通信線（發送端TX和接收端RX）
TX與RX要交叉連接當只需單向的數據傳輸時，可以只接一根通信線
當電平標準不一致時，需要加電平轉換芯片

? ? ? ? 當有獨立供電的時候，VCC可以不連接。單設備1有供電，設備2沒有供電的時候，就需要接VCC，用VCC給設備2供電。

4.串口參數以及時序

????????串口通訊的數據包由發送設備通過自身的TXD 接口傳輸到接收設備的 RXD 接口。在串口通訊

的協議層中，規定了數據包的內容，它由啟始位、主體數據、校驗位以及停止位組成，通訊雙方

的數據包格式要約定一致才能正常收發數據。

波特率：串口通信的速率，異步通訊中由于沒有時鐘信號，所以兩個通訊設備之間需要約定好波特率，即每個碼元的長度，以便對信號進行解碼，串口數據包的基本組成中用虛線分開的每一格就是代表一個碼元。常見的波特率為4800、9600、115200等。
起始位：標志一個數據幀的開始，固定為低電平，串口的空閑狀態位高電平。數據包的停止信號可由0.5、1、1.5或2個邏輯1的數據位表示，只要雙方約定一致即可。
數據位：數據幀的有效載荷，1為高電平，0為低電平，低位先行。在數據包的起始位之后緊接著的就是要傳輸的主體數據內容，也稱為有效數據，有效數據的長度常被約定為5、6、7或8位長。
校驗位：用于數據驗證，根據數據位計算得來。校驗方法有奇校驗(odd)、偶校驗(even)、0校驗(space)、1校驗(mark)以及無校驗(noparity)。
停止位：用于數據幀間隔，固定為高電平，為下一個起始位做準備。

波特率解釋：如果波特率為1000bps，那就表示1s要發送1000位，每一位的時間就是1ms，發送方每隔1ms發送一位，接收方每隔1ms接收一位。即決定了每多多長時間發送一位。

奇校驗：包括校驗位在內的9位數據中會出現奇數個1。

偶校驗：包括校驗位在內的9位數據中出現偶數個1。

就是發送方會在最后一個校驗位補1或者不補。

5.串口時序

?每一位的時間計算：1/波特率

硬件的話會自動執行

軟件模擬：定時調用GPIO_ReadInputDataBit來讀取每一位

二、USART結構介紹

1.USART功能框圖?

??1.1 功能引腳

TX：發送數據輸出引腳。
RX：接收數據輸入引腳。
SW_RX：數據接收引腳，只用于單線和智能卡模式，屬于內部引腳，沒有具體外部引腳。
nRTS：請求以發送(RequestToSend)，n表示低電平有效。如果使能RTS流控制，當USART接收器準備好接收新數據時就會將nRTS變成低電平；當接收寄存器已滿時，nRTS將被設置為高電平。該引腳只適用于硬件流控制。
nCTS：清除以發送(ClearToSend)，n表示低電平有效。如果使能CTS流控制，發送器在發送下一幀數據之前會檢測nCTS引腳，如果為低電平，表示可以發送數據，如果為高電平則在發送完當前數據幀之后停止發送。該引腳只適用于硬件流控制。
SCLK：發送器時鐘輸出引腳。這個引腳僅適用于同步模式。

1.2 數據寄存器

????????USART數據寄存器 (USART_DR) 只有低 9 位有效，并且第 9 位數據是否有效要取決于 USART

控制寄存器 1(USART_CR1) 的 M 位設置，當 M 位為 0 時表示 8 位數據字長，當 M 位為 1 表示 9位數據字長，我們一般使用8 位數據字長。

????????第二個方框中的發送數據寄存器（TDR Transmit DR）和接收數據寄存器（RDR Receive DR）將發送或者接收的數據存儲在這里，這兩個寄存器占用同一個地址，在程序上，只表現為一個寄存器，就是數據寄存器DR（Data RRegister),但是實際硬件中，是分成兩個寄存器，TDR只寫，RDR只讀，寫操作的時候寫到了TDR，讀操作的從RDR中讀出來。

? ? ? ? 下面的發送移位寄存器和接收移位寄存器。?發送移位寄存器的作用：把一個字節的數據一位一位的移出去，正好對應串口協議的波形的數據位。接收也是類似的。

? ? ? ? 發送移位寄存器和接收移位寄存器的工作原理：就是當寫入0X55的數據時，即寫入到TDR中，寄存器中就是二進制存儲：01010101，此時硬件監測到我們寫入的數據，就會檢查當前發送移位寄存器是不是又數據正在移位，如果沒有，這個0X55的二進制數據就會立刻全部移動到發送移位寄存器中，準備發送，當數據從TDR移動到移位寄存器時，會置一個標志TXE（TX Empty），發送寄存器空，檢查這個標志位，如果置1，就可以在TDR中寫如下一個數據。然后發送移位寄存器就會在下面發送控制的驅動下，向右移位（低位先行），然后一位一位的把數據輸出到TX引腳。當數據移位完成后，新的數據就會再次自動的從TDR轉移到發送移位寄存器里面。接收移位寄存器同理。

1.3? 控制器

?????????第三個框中的發送控制和接收控制就是用來控制發送/接收移位寄存器的工作。

????????USART有專門控制發送的發送器、控制接收的接收器，還有喚醒單元、中斷控制等等。使用USART之前需要向USART_CR1寄存器的UE位置1使能USART。發送或者接收數據字長可選8位或9位，由USART_CR1的M位控制。

發送器

????????當USART_CR1 寄存器的發送使能位 TE 置 1 時，啟動數據發送，發送移位寄存器的數據會在 TX引腳輸出，如果是同步模式SCLK 也輸出時鐘信號。

????????一個字符幀發送需要三個部分：起始位+ 數據幀 + 停止位。起始位是一個位周期的低電平，位周期就是每一位占用的時間；數據幀就是我們要發送的8 位或 9 位數據，數據是從最低位開始傳輸

的；停止位是一定時間周期的高電平。

????????停止位時間長短是可以通過USART 控制寄存器 2(USART_CR2) 的 STOP[1:0] 位控制，可選 0.5

個、 1 個、 1.5 個和 2 個停止位。默認使用 1 個停止位。 2 個停止位適用于正常 USART 模式、單線模式和調制解調器模式。0.5 個和 1.5 個停止位用于智能卡模式。

????????當選擇8 位字長，使用 1 個停止位時，具體發送字符時序圖見圖字符發送時序圖。

????????當發送使能位TE 置 1 之后，發送器開始會先發送一個空閑幀 ( 一個數據幀長度的高電平 ) ，接下來就可以往USART_DR 寄存器寫入要發送的數據。在寫入最后一個數據后，需要等待 USART 狀態寄存器(USART_SR) 的 TC 位為 1 ，表示數據傳輸完成，如果 USART_CR1 寄存器的 TCIE 位置1，將產生中斷。

????????在發送數據時，編程的時候有幾個比較重要的標志位我們來總結下。

接收器

????????如果將USART_CR1 寄存器的 RE 位置 1 ，使能 USART 接收，使得接收器在 RX 線開始搜索起始位。在確定到起始位后就根據RX 線電平狀態把數據存放在接收移位寄存器內。接收完成后就把接收移位寄存器數據移到RDR 內，并把 USART_SR 寄存器的 RXNE 位置 1 ，同時如果USART_CR2寄存器的 RXNEIE 置 1 的話可以產生中斷。

????????在接收數據時，編程的時候有幾個比較重要的標志位我們來總結下。

????????為得到一個信號真實情況，需要用一個比這個信號頻率高的采樣信號去檢測，稱為過采樣，這個采樣信號的頻率大小決定最后得到源信號準確度，一般頻率越高得到的準確度越高，但為了得到越高頻率采樣信號越也困難，運算和功耗等等也會增加，所以一般選擇合適就好。

????????接收器可配置為不同過采樣技術，以實現從噪聲中提取有效的數據。USART_CR1寄存器的OVER8位用來選擇不同的采樣采樣方法，如果OVER8位設置為1采用8倍過采樣，即用8個采樣信號采樣一位數據；如果OVER8位設置為0采用16倍過采樣，即用16個采樣信號采樣一位數據。

????????USART的起始位檢測需要用到特定序列。如果在RX線識別到該特定序列就認為是檢測到了起始位。起始位檢測對使用16倍或8倍過采樣的序列都是一樣的。該特定序列為：1110X0X0X0000，其中X表示電平任意，1或0皆可。

????????8倍過采樣速度更快，最高速度可達fPCLK/8，fPCLK為USART時鐘，采樣過程見圖8倍過采樣過程。使用第4、5、6次脈沖的值決定該位的電平狀態。

????????16倍過采樣速度雖然沒有 8 倍過采樣那么快，但得到的數據更加精準，其最大速度為 f PCLK /16 ，采樣過程見圖 16 倍過采樣過程。使用第 8 、 9 、 10 次脈沖的值決定該位的電平狀態。

沒有噪聲的理想條件下，這三次全為1或者0，全為1就認為收到了1，全為0就認為收到了0；如果有噪聲導致三次不是全為1或者全為0，就按照2：1的規則來，兩次為1就認為收到了1，兩次為0就認為收到了0，然后噪聲標志位NE就會根據這個來置1或者置0。

????????左邊的硬件數據流控制：簡稱流控，就是如果發送設備發的太快，接收設備來不及處理，就會出現丟棄或者覆蓋數據的現象，有了流控，就可以避免這個問題。流控有兩個引腳，一個時nRTS(請求發送，是輸出腳，告訴別人，我當前可不可以接收），另外一個是nCTS（清除胡發送，是出入腳，用于接收別人nRTS的信號），前面的n是低電平有效的意思。

1.4 波特率發生器

? ? ? ? 波特率發生器就是分頻器，APB時鐘進行分頻，得到發送和接收移位的時鐘fPCLKx(x=1或者x=2),USART掛載APB2，所以就是PCLK2的時鐘，一般就是72M，在STM32F103C8T6中，其他的都掛載在APB1，所以是PCLK1的時鐘，一般就是36M，然后對時鐘進行分頻，除以一個USARTDIV的分頻系數。

????????波特率指數據信號對載波的調制速率，它用單位時間內載波調制狀態改變次數來表示，單位為波特。比特率指單位時間內傳輸的比特數，單位bit/s(bps) 。對于 USART 波特率與比特率相等。波特率越大，傳輸速率越快。

????????USART的發送器和接收器使用相同的波特率。計算公式如下：

????????其中，f PLCK 為 USART 時鐘； OVER8 為 USART_CR1 寄存器的 OVER8 位對應的值， USARTDIV是一個存放在波特率寄存器(USART_BRR) 的一個無符號定點數。其中 DIV_Mantissa[11:0] 位定義USARTDIV 的整數部分， DIV_Fraction[3:0] 位定義 USARTDIV 的小數部分， DIV_Fraction[3] 位只有在OVER8 位為 0 時有效，否則必須清零。