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STM32中Usart的使用

news 来源：原创 2025/6/29 11:45:51

一、USART简介

1.电平标准

2.通信接口

3.硬件电路

4.串口参数以及时序

5.串口时序

二、USART结构介绍

1.USART功能框图

编辑 1.1 功能引脚

1.2 数据寄存器

1.3 控制器

1.4 波特率发生器

1.5简化结构图

2.数据帧

一、USART简介

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）是一种串行通信接口，用于实现设备之间的数据交换。它支持 同步模式和 异步模式，在 STM32 中最常用的是 异步串行通信（UART）模式。

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）通用同步/异步收发器 USART是STM32内部集成的硬件外设，可根据数据寄存器的一个字节数据自动生成数据帧时序，从TX引脚发送出去，也可自动接收RX引脚的数据帧时序，拼接为一个字节数据，存放在数据寄存器里
自带波特率发生器，最高达4.5Mbits/s
可配置数据位长度（8/9）、停止位长度（0.5/1/1.5/2）
可选校验位（无校验/奇校验/偶校验）
支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN
STM32F103C8T6 USART资源： USART1、 USART2、 USART3（USARRT1是APB2总线上的设备，其他的都是APB1总线）

1.电平标准

电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系，串口常用的电平标准有如下三种：TTL电平、RS232电平、RS485电平。根据通讯使用的电平标准不同，串口通讯可分为 TTL 标准及 RS-232 标准，见表 TTL 电平标准与 RS232 电平标准（RS485电平：两线压差+2~+6V表示1，-2~-6V表示0（差分信号））。相同的电平才可以互相通信，不同的电平需要加一个电平转换芯片转接一下。

我们知道常见的电子电路中常使用TTL 的电平标准，理想状态下，使用 5V 表示二进制逻辑 1 ，

使用 0V 表示逻辑 0 ；而为了增加串口通讯的远距离传输及抗干扰能力，它使用 -15V 表示逻辑 1 ，

+15V 表示逻辑 0 。见图 RS-232 与 TTL 电平标准下表示同一个信号。这个-15和+15是相对于GND的，相对于GND是正的还是负的。

2.通信接口

通信的目的：将一个设备的数据传送到另一个设备，扩展硬件系统。
通信协议：制定通信的规则，通信双方按照协议规则进行数据收发。

双工模式	解释
全双工	通信双方能够同时进行双向通信一般全双工的通信线都有两根，如串口：TX：发送，RX：接收发送线路和接收线路互相不影响
半双工	也支持双向通信，但是同一时间只能一方发送，一方接收，不能同时发送和接收类似于对讲机，一个人说话时，另一个人必须等待说完才能回话。

时钟特性	解释
异步	异步通信是指通信双方没有共享的时钟信号，而是依靠事先约定好的波特率（Baud Rate）来协调数据的发送和接收时间。同步方式：通过起始位、停止位和波特率来实现同步通信效率：较低，但简单可靠，同时硬件复杂度也低，只需要TX和RX 例子：就像两个人用手机发短信聊天，不需要实时通话，只要知道对方说话的速度（波特率），就能理解对方说了什么 —— 这就是“异步”。
同步	同步通信是指通信双方在统一的时钟信号控制下进行数据传输。发送端和接收端共享一个公共时钟源（Clock），数据的发送和接收严格按照时钟节拍进行。即需要一条专门的时钟线（如 SCLK）数据与时钟对齐：数据在每个时钟沿（上升沿或下降沿）被采样通信效率：高，适合高速传输，但是硬件复杂度也高例子：就像两个人一起听音乐打拍子跳舞，动作完全跟着节奏来 —— 这就是“同步”。

电平特性	解释
单端信号	单端信号是指信号通过一个单独的导线传输，并相对于一个共同的参考点（通常是地线GND）进行测量（即共地）。这意味着信号电压是相对于地来定义的。信号传输：通过单一导线传输信号，相对于地抗干扰能力：较弱，容易受到电磁干扰（EMI）影响
差分信号	差分信号是指通过一对导线同时传输两个信号，这两个信号相位相反（即一个为正时另一个为负）。接收端通过比较这两条线上电压差值来识别信号状态，而不是相对于地。信号传输：使用两条线传输互补信号抗干扰能力：强，因为共模噪声可以被抵消

3.硬件电路

简单双向串口通信有两根通信线（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

当有独立供电的时候，VCC可以不连接。单设备1有供电，设备2没有供电的时候，就需要接VCC，用VCC给设备2供电。

4.串口参数以及时序

串口通讯的数据包由发送设备通过自身的TXD 接口传输到接收设备的 RXD 接口。在串口通讯

的协议层中，规定了数据包的内容，它由启始位、主体数据、校验位以及停止位组成，通讯双方

的数据包格式要约定一致才能正常收发数据。

波特率：串口通信的速率，异步通讯中由于没有时钟信号，所以两个通讯设备之间需要约定好波特率，即每个码元的长度，以便对信号进行解码，串口数据包的基本组成中用虚线分开的每一格就是代表一个码元。常见的波特率为4800、9600、115200等。
起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平，串口的空闲状态位高电平。数据包的停止信号可由0.5、1、1.5或2个逻辑1的数据位表示，只要双方约定一致即可。
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。在数据包的起始位之后紧接着的就是要传输的主体数据内容，也称为有效数据，有效数据的长度常被约定为5、6、7或8位长。
校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来。校验方法有奇校验(odd)、偶校验(even)、0校验(space)、1校验(mark)以及无校验(noparity)。
停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平，为下一个起始位做准备。

波特率解释：如果波特率为1000bps，那就表示1s要发送1000位，每一位的时间就是1ms，发送方每隔1ms发送一位，接收方每隔1ms接收一位。即决定了每多多长时间发送一位。

奇校验：包括校验位在内的9位数据中会出现奇数个1。

偶校验：包括校验位在内的9位数据中出现偶数个1。

就是发送方会在最后一个校验位补1或者不补。

5.串口时序

每一位的时间计算：1/波特率

硬件的话会自动执行

软件模拟：定时调用GPIO_ReadInputDataBit来读取每一位

二、USART结构介绍

1.USART功能框图

1.1 功能引脚

TX：发送数据输出引脚。
RX：接收数据输入引脚。
SW_RX：数据接收引脚，只用于单线和智能卡模式，属于内部引脚，没有具体外部引脚。
nRTS：请求以发送(RequestToSend)，n表示低电平有效。如果使能RTS流控制，当USART接收器准备好接收新数据时就会将nRTS变成低电平；当接收寄存器已满时，nRTS将被设置为高电平。该引脚只适用于硬件流控制。
nCTS：清除以发送(ClearToSend)，n表示低电平有效。如果使能CTS流控制，发送器在发送下一帧数据之前会检测nCTS引脚，如果为低电平，表示可以发送数据，如果为高电平则在发送完当前数据帧之后停止发送。该引脚只适用于硬件流控制。
SCLK：发送器时钟输出引脚。这个引脚仅适用于同步模式。

1.2 数据寄存器

USART数据寄存器 (USART_DR) 只有低 9 位有效，并且第 9 位数据是否有效要取决于 USART

控制寄存器 1(USART_CR1) 的 M 位设置，当 M 位为 0 时表示 8 位数据字长，当 M 位为 1 表示 9位数据字长，我们一般使用8 位数据字长。

第二个方框中的发送数据寄存器（TDR Transmit DR）和接收数据寄存器（RDR Receive DR）将发送或者接收的数据存储在这里，这两个寄存器占用同一个地址，在程序上，只表现为一个寄存器，就是数据寄存器DR（Data RRegister),但是实际硬件中，是分成两个寄存器，TDR只写，RDR只读，写操作的时候写到了TDR，读操作的从RDR中读出来。

下面的发送移位寄存器和接收移位寄存器。发送移位寄存器的作用：把一个字节的数据一位一位的移出去，正好对应串口协议的波形的数据位。接收也是类似的。

发送移位寄存器和接收移位寄存器的工作原理：就是当写入0X55的数据时，即写入到TDR中，寄存器中就是二进制存储：01010101，此时硬件监测到我们写入的数据，就会检查当前发送移位寄存器是不是又数据正在移位，如果没有，这个0X55的二进制数据就会立刻全部移动到发送移位寄存器中，准备发送，当数据从TDR移动到移位寄存器时，会置一个标志TXE（TX Empty），发送寄存器空，检查这个标志位，如果置1，就可以在TDR中写如下一个数据。然后发送移位寄存器就会在下面发送控制的驱动下，向右移位（低位先行），然后一位一位的把数据输出到TX引脚。当数据移位完成后，新的数据就会再次自动的从TDR转移到发送移位寄存器里面。接收移位寄存器同理。

1.3 控制器

第三个框中的发送控制和接收控制就是用来控制发送/接收移位寄存器的工作。

USART有专门控制发送的发送器、控制接收的接收器，还有唤醒单元、中断控制等等。使用USART之前需要向USART_CR1寄存器的UE位置1使能USART。发送或者接收数据字长可选8位或9位，由USART_CR1的M位控制。

发送器

当USART_CR1 寄存器的发送使能位 TE 置 1 时，启动数据发送，发送移位寄存器的数据会在 TX引脚输出，如果是同步模式SCLK 也输出时钟信号。

一个字符帧发送需要三个部分：起始位+ 数据帧 + 停止位。起始位是一个位周期的低电平，位周期就是每一位占用的时间；数据帧就是我们要发送的8 位或 9 位数据，数据是从最低位开始传输

的；停止位是一定时间周期的高电平。

停止位时间长短是可以通过USART 控制寄存器 2(USART_CR2) 的 STOP[1:0] 位控制，可选 0.5

个、 1 个、 1.5 个和 2 个停止位。默认使用 1 个停止位。 2 个停止位适用于正常 USART 模式、单线模式和调制解调器模式。0.5 个和 1.5 个停止位用于智能卡模式。

当选择8 位字长，使用 1 个停止位时，具体发送字符时序图见图字符发送时序图。

当发送使能位TE 置 1 之后，发送器开始会先发送一个空闲帧 ( 一个数据帧长度的高电平 ) ，接下来就可以往USART_DR 寄存器写入要发送的数据。在写入最后一个数据后，需要等待 USART 状态寄存器(USART_SR) 的 TC 位为 1 ，表示数据传输完成，如果 USART_CR1 寄存器的 TCIE 位置1，将产生中断。

在发送数据时，编程的时候有几个比较重要的标志位我们来总结下。

接收器

如果将USART_CR1 寄存器的 RE 位置 1 ，使能 USART 接收，使得接收器在 RX 线开始搜索起始位。在确定到起始位后就根据RX 线电平状态把数据存放在接收移位寄存器内。接收完成后就把接收移位寄存器数据移到RDR 内，并把 USART_SR 寄存器的 RXNE 位置 1 ，同时如果USART_CR2寄存器的 RXNEIE 置 1 的话可以产生中断。

在接收数据时，编程的时候有几个比较重要的标志位我们来总结下。

为得到一个信号真实情况，需要用一个比这个信号频率高的采样信号去检测，称为过采样，这个采样信号的频率大小决定最后得到源信号准确度，一般频率越高得到的准确度越高，但为了得到越高频率采样信号越也困难，运算和功耗等等也会增加，所以一般选择合适就好。

接收器可配置为不同过采样技术，以实现从噪声中提取有效的数据。USART_CR1寄存器的OVER8位用来选择不同的采样采样方法，如果OVER8位设置为1采用8倍过采样，即用8个采样信号采样一位数据；如果OVER8位设置为0采用16倍过采样，即用16个采样信号采样一位数据。

USART的起始位检测需要用到特定序列。如果在RX线识别到该特定序列就认为是检测到了起始位。起始位检测对使用16倍或8倍过采样的序列都是一样的。该特定序列为：1110X0X0X0000，其中X表示电平任意，1或0皆可。

8倍过采样速度更快，最高速度可达fPCLK/8，fPCLK为USART时钟，采样过程见图8倍过采样过程。使用第4、5、6次脉冲的值决定该位的电平状态。

16倍过采样速度虽然没有 8 倍过采样那么快，但得到的数据更加精准，其最大速度为 f PCLK /16 ，采样过程见图 16 倍过采样过程。使用第 8 、 9 、 10 次脉冲的值决定该位的电平状态。

没有噪声的理想条件下，这三次全为1或者0，全为1就认为收到了1，全为0就认为收到了0；如果有噪声导致三次不是全为1或者全为0，就按照2：1的规则来，两次为1就认为收到了1，两次为0就认为收到了0，然后噪声标志位NE就会根据这个来置1或者置0。

左边的硬件数据流控制：简称流控，就是如果发送设备发的太快，接收设备来不及处理，就会出现丢弃或者覆盖数据的现象，有了流控，就可以避免这个问题。流控有两个引脚，一个时nRTS(请求发送，是输出脚，告诉别人，我当前可不可以接收），另外一个是nCTS（清除胡发送，是出入脚，用于接收别人nRTS的信号），前面的n是低电平有效的意思。

1.4 波特率发生器

波特率发生器就是分频器，APB时钟进行分频，得到发送和接收移位的时钟fPCLKx(x=1或者x=2),USART挂载APB2，所以就是PCLK2的时钟，一般就是72M，在STM32F103C8T6中，其他的都挂载在APB1，所以是PCLK1的时钟，一般就是36M，然后对时钟进行分频，除以一个USARTDIV的分频系数。

波特率指数据信号对载波的调制速率，它用单位时间内载波调制状态改变次数来表示，单位为波特。比特率指单位时间内传输的比特数，单位bit/s(bps) 。对于 USART 波特率与比特率相等。波特率越大，传输速率越快。

USART的发送器和接收器使用相同的波特率。计算公式如下：

其中，f PLCK 为 USART 时钟； OVER8 为 USART_CR1 寄存器的 OVER8 位对应的值， USARTDIV是一个存放在波特率寄存器(USART_BRR) 的一个无符号定点数。其中 DIV_Mantissa[11:0] 位定义USARTDIV 的整数部分， DIV_Fraction[3:0] 位定义 USARTDIV 的小数部分， DIV_Fraction[3] 位只有在OVER8 位为 0 时有效，否则必须清零。