单片机通信协议--USART(串口通信)

单片机通信协议–USART(串口通信)

通信协议

作为讲解单片机通信协议的第一篇，先来简单介绍一下是通信协议

单片机（微控制器）中的通信协议是实现单片机与外设（传感器、显示屏、其他单片机等）或外部系统之间数据交换的规则集合，包括信号时序、数据格式、错误处理等。这些协议根据硬件接口、传输方式和应用场景的不同，可分为并行通信和串行通信两大类，其中串行通信因布线简单、成本低，在单片机中应用更广泛

并行通信

并行通信通过多根数据线同时传输多位数据（如 8 位、16 位），配合时钟线和控制线实现同步；并行通信的典型应用有单片机与并行 LCD1602 显示屏的连接（8 位数据总线 + RS、RW、E 控制信号）、单片机内部外设（如 RAM、Flash）与 CPU 的通信，在这里我们不做过多介绍

串行通信

串行通信通过单根或两根数据线逐位传输数据，布线简单（通常 2-4 根线），适合中短距离通信，是单片机外部通信的主流方式。根据是否需要时钟线同步，又分为异步通信和同步通信。串行通信协议中常用的协议有异步串行通信（UART/USART）、SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）、I2C（Inter-Integrated Circuit，集成电路总线）、单总线协议（1-Wire），下面对这四种协议进行对比：

对比维度	USART（异步串行）	IIC（I2C）	SPI	1-Wire（单总线）
硬件接口线数	2 线（TX 发送、RX 接收，全双工）	2 线（SCL 时钟、SDA 数据，半双工）	4 线（SCLK 时钟、MOSI 主发、MISO 主收、CS 片选）	1 线（DATA 数据，双向）+ 上拉电阻
同步方式	异步（无时钟线，靠波特率同步）	同步（SCL 时钟线，主机控制）	同步（SCLK 时钟线，主机控制）	异步（主机通过时序控制同步）
传输速率	中等（通常≤115200bps，最高几 Mbps）	中低速（标准 100kbps，快速 400kbps，高速 3.4Mbps）	高速（可达几十 Mbps，取决于硬件）	低速（通常≤16kbps）
拓扑结构	点对点（多设备需额外控制）	多主多从（通过 7/10 位地址区分设备）	一主多从（通过 CS 片选区分设备）	一主多从（通过 64 位 ROM 地址区分设备）
数据方向	全双工（同时收发）	半双工（同一时间只能收或发）	全双工（同时收发）	半双工（同一时间只能收或发）
错误检测机制	可选校验位（奇 / 偶 / 无），无应答机制	内置应答（ACK/NACK），部分设备支持 CRC	无内置机制，需软件实现校验	简单 CRC 校验（部分设备支持）
抗干扰能力	一般（单端信号）	一般（单端信号，线少干扰相对较低）	一般（单端信号）	较弱（单线传输，易受干扰）
典型应用场景	调试打印、蓝牙 / GPS 模块、上位机通信	温湿度传感器、EEPROM、RTC 实时时钟	SPI Flash、OLED 屏、高速 ADC/DAC、无线模块	单总线温度传感器（DS18B20）、身份识别芯片
优势	硬件简单，点对点通信方便，无需时钟线	布线极简（2 线），多设备互联成本低	速率高，全双工，适合大数据传输	布线极致简单（1 线），适合低成本场景
劣势	速率有限，多设备通信复杂	速率中等，总线竞争需仲裁	线数较多，多从机时需多个 CS 引脚	速率极低，抗干扰差，通信效率低

对以上表格中的一些名词进行解释：

名词	解释
【全双工】	由两根数据线，一根用来接收，一根用来发送
【半双工】	一根数据线，既可以用来发送，也可以用来接收
【单工】	无法做到同时发送和接受数据
【同步通信】	有时间线，不需要约定采样频率
【异步通信】	需要约定合适的采样频率，用于在约定的频率内采集数据

USART(串口通信)

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步 / 异步收发器）是单片机中常用的串行通信协议，支持异步通信（最常用）和同步通信两种模式，其中异步模式（通常简称 UART）因硬件简单、使用灵活，在嵌入式领域应用最广泛

通信方式

• 异步模式（UART）：无需时钟线，通过波特率（收发双方约定的传输速率）同步数据，仅需 2 根线（TX 发送、RX 接收）即可实现全双工通信
• 同步模式（USART）：需额外时钟线（CLK），由主机提供时钟信号同步，适合更高精度的高速通信（较少用）

发送接收原理图

其中VCC和GND用于供电，TX和RX用于收发数据，设备1的TX要与设备2的RX相接，设备1的RX要与设备2的TX相接，它们的高低电平是相对于GND的。电平标准是数据0和数据1的表达方式，是传输线缆中认为规定的电压和数据的对应关系，串口常用的电平标准有以下的几种：

• 【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）

数据格式

每帧数据由以下部分组成（按传输顺序）：

• 起始位：1 位低电平（逻辑 0），标志数据帧开始
• 数据位：5-9 位（通常 8 位，即 1 字节），表示有效数据（可配置高位在前或低位在前）
• 校验位（可选）：1 位，用于简单错误检测，支持奇校验（数据位中 1 的个数为奇数）、偶校验（1 的个数为偶数）或无校验
• 停止位：1-2 位高电平（逻辑 1），标志数据帧结束，保证帧间隔

例：常见配置为 “8 位数据位 + 无校验 + 1 位停止位”，总帧长 10 位：

通信流程

在没有进入起始位之间电平的极性呈现出高电平，在进入起始位后电平转换为低电平表示开始发送数据，数据呈现出8个字节一位的特性，进入最后一位后低电平转化为高电平，方便下一次数据的发送，大概原理入下图所示

USART 同步/异步收发器

USART简介

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）通用同步/异步收发器是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

USART框图

将框图简化后得到如下图示：

当我们发送数据的时候，数据会放在发送数据寄存器中，USART模块会通过TX引脚发送数据对应的波形，对侧设备的RX引脚接收到波形之后，通过解析可以拿到数据

当我们接收数据的时候，会从 RX引脚得到波形图，依据双方规定的数据帧格式进行解析得到数据，然后把数据放在接收数据寄存器中，我们就可以读到数据

通过配置波特率寄存器中的值来设置分频器的值，时钟频率除以分频器中的值再除以16就可以得到波特率。例如 当我们需要把波特率设置为115200时，STM 32的时钟频率为72MHz，我们就可以反向推出波特率寄存器中的值：

右上角的TE,TxC等都是USART中的状态寄存器，我们可以通过里面的值来判断收发状态：

编号	标志位名称	英文全称	功能说明	置 1 条件
Bit 5	RXNE	Read Data Register Not Empty	接收数据寄存器非空（有数据可读）	接收到 1 帧完整数据，存入接收缓冲区
Bit 6	TC	Transmission Complete	发送完成（整帧数据发送结束）	发送缓冲区空 + 移位寄存器（发送移位）也空（即最后 1 位已发送）
Bit 7	TXE	Transmit Data Register Empty	发送数据寄存器空（可写新数据）	发送缓冲区的数据已转移到移位寄存器，缓冲区空闲
Bit 3	FE	Framing Error	帧错误（接收时检测到无效停止位）	接收数据时，停止位不是规定的高电平（如配置 1 个停止位，但实际未检测到高电平）
Bit 4	ORE	Overrun Error	溢出错误（接收缓冲区未读取，新数据覆盖旧数据）	接收缓冲区已满（RXNE=1），但新数据已接收完成，旧数据被覆盖
Bit 2	NE	Noise Error	噪声错误（接收数据时检测到干扰）	接收数据过程中检测到不符合波特率的噪声信号（仅异步模式）
Bit 1	PE	Parity Error	奇偶校验错误（启用校验时，校验位不匹配）	接收数据的校验位与计算出的校验位不一致（需提前配置校验模式）

USART模块有哪些引脚

• USARTx_Tx：数据的发送引脚，将数据发送出去
• USARTx_Rx：数据的接收引脚，用来接收数据
• USARTx_CTS：全称 “Clear To Send”（清除发送），作用是接收方通知发送方 “是否允许继续发送数据”，避免因接收方缓冲区满导致数据溢出（比软件流控更高效、实时）
• USARTx_RTS：全称 “Request To Send”（请求发送），与USARTx_CTS 是配对使用的 “双向控制信号”；核心作用是 发送方主动通知接收方 “我要发数据了，请你准备接收”，配合 CTS 完成全双工通信的双向流量控制，避免数据溢出
• USARTx_CK：USARTx_CK 是 USART（通用同步异步收发传输器）同步模式（Synchronous UART，简称 Sync UART） 专用的时钟信号引脚，全称 “Clock”，核心作用是为同步通信提供统一的时钟基准—— 区别于我们常说的异步 UART（无需时钟，靠波特率同步），同步 UART 需通过 CK 信号实现发送方与接收方的严格时序对齐，提升通信速率和可靠性

USART引脚在哪？如何配置？

引脚类型	默认映射（无重映射）	重映射（Partial Remap）	配置要点（GPIO / 寄存器）
TX（发送）	PA9	PB6	配置为「复用推挽输出」（GPIO_MODE_AF_PP）；重映射需使能 AFIO_USART1_REMAP 位
RX（接收）	PA10	PB7	配置为「复用输入」（GPIO_MODE_AF_INPUT）；重映射需使能 AFIO_USART1_REMAP 位
CK（同步时钟）	PA8	-（无重映射引脚）	仅默认映射有效；配置为复用推挽输出（主）/ 复用输入（从）；异步模式可悬空
RTS（请求发送）	PA12	PB14	需启用 USART_CR3 的 RTSE 位；配置为复用推挽输出；重映射需使能 AFIO_USART1_REMAP 位
CTS（清除发送）	PA11	PB13	需启用 USART_CR3 的 CTSE 位；配置为复用输入；重映射需使能 AFIO_USART1_REMAP 位

通过查看stm32f103c8t6的引脚分布图可以找到USART1的引脚映射，注意此时输出和输入都应该选择复用模式，因为CPU不是直接向引脚写数据，而是操作USART模块写；表格中的重映射作用为：当PA9这类默认映射引脚被占用时，使能 AFIO_USART1_REMAP 位，就可以通过PB6发送数据