二十八、STM32的USART （介绍）
前言：在嵌入式开发的学习过程中，通信接口是一个无法绕开的核心知识点。无论是调试信息输出，还是传感器、模块与主控芯片之间的数据交互，通信接口都是系统中最基础、最关键的桥梁。
在众多通信方式中，USART（通用同步/异步收发器） 以其结构简单、使用灵活、应用广泛而成为 STM32 系列单片机中最常用的外设之一。它既能以异步方式实现经典的 UART 通信，也能在需要精确时序同步的场景中切换到同步模式。对于初学者而言，USART 不仅是学习 STM32 外设的入门接口，更是理解时序、采样、波特率与通信协议等底层概念的绝佳起点。本文将从接口原理出发，逐步解析 USART 的工作机制、硬件结构、电平标准、通信参数及时序特性，帮助你全面掌握 STM32C8T6 中的串口通信原理。
目录
一、通信接口概述
二、USART 与 UART 的区别
三、USART 硬件结构与引脚
四、电平标准
五、USART 通信参数
六、USART 异步通信时序结构
七、起始位侦测机制
八、数据采样与判定
九、波特率发生器
十、总结
一、通信接口概述
在嵌入式系统中，通信接口用于实现不同设备之间的数据交互。常见通信方式包括：
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并行通信：一次传输多个比特，速度快但占用引脚多，布线复杂。
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串行通信：一次传输一位数据，速度略慢但引脚占用少，应用最广泛。
STM32C8T6 微控制器提供多种串行通信接口，例如 USART、SPI、I²C、CAN 等。
其中，USART（Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter） 是最灵活、最常用的一种，既支持同步通信也支持异步通信，在嵌入式调试、外设通信中被广泛使用。
二、USART 与 UART 的区别
USART 是 UART 的增强版本。
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UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）：只支持异步通信。
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USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver Transmitter）：既可异步也可同步。
在大多数应用中，我们使用 USART 的异步模式，这时它的工作方式与 UART 完全一致。
但在需要更高数据同步精度的应用中（例如某些高速传感器或外设通信），可以启用 USART 的同步模式，利用时钟线（CK）协同工作。
三、USART 硬件结构与引脚
在 STM32C8T6 中，每个 USART 模块由发送器（TX）、接收器（RX）、波特率发生器和控制逻辑组成。
常用引脚如下：
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TX（发送端）：输出数据到外设的接收端。
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RX（接收端）：从外设的发送端接收数据。
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GND（地线）：两端电气参考一致。
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CK（可选）：在同步模式下提供时钟信号。
通常我们使用 TX、RX 和 GND 三根线即可完成异步通信。
四、电平标准
USART 通信使用电压信号传输逻辑数据。根据设备类型的不同，常见电平标准如下：
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TTL 电平（MCU 通用）
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逻辑 1：3.3V（或 5V）
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逻辑 0：0V
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RS-232 电平（电脑标准串口）
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逻辑 1（标记位）：-3V ~ -15V
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逻辑 0（空闲位）：+3V ~ +15V
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由于电平不同，STM32 与电脑通信时必须通过电平转换芯片（如 MAX232、CH340、FT232 等）进行接口匹配。
五、USART 通信参数
为了保证通信双方正确理解彼此发送的数据，需要提前约定一组通信参数：
发送端与接收端的参数必须完全一致，否则会导致通信错误。
六、USART 异步通信时序结构
USART 异步通信的数据帧一般由以下部分组成：
空闲状态（高电平） → 起始位（低电平） → 数据位（D0~D7） → 校验位（可选） → 停止位（高电平）
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空闲状态：总线为高电平，表示无数据传输。
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起始位：低电平信号，通知接收端准备接收。
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数据位：通常为 8 位，按从低位到高位发送。
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校验位：可用于检测单比特错误。
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停止位：高电平，表示数据帧结束。
七、起始位侦测机制
当总线处于空闲状态时，接收端持续检测 RX 引脚。
一旦检测到由高电平转为低电平的跳变，就认为起始位到达。
为了提高判定准确度，硬件会等待 1.5 个比特时间后进行第一次采样，确保采样点位于数据比特的中间。
八、数据采样与判定
USART 模块通常使用 16 倍过采样 机制：
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在一个比特周期内采样 16 次；
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通过统计中点附近的多个采样结果，判定该比特是逻辑 0 还是逻辑 1；
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这种方式可以有效抵抗抖动与波特率误差。
九、波特率发生器
波特率（Baud Rate）是数据传输的时间基准，决定了每秒传输的比特数。
STM32 内部的 USART 波特率由系统时钟通过分频器生成，计算公式如下：
其中：
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f_clk是外设时钟频率； -
USARTDIV是寄存器中的分频系数。
例如，当时钟频率为 72MHz，波特率设置为 115200bps 时：
当发送端与接收端波特率误差小于约 ±2% 时，通信即可稳定工作。
十、总结
USART 是 STM32C8T6 中最常用、最灵活的通信接口之一。
它具备以下特点：
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可支持异步与同步两种模式；
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通信结构简单，仅需两根线即可完成数据传输；
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内部提供完善的采样与波特率控制机制，通信稳定可靠；
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广泛应用于调试信息输出、传感器通信、模块连接（GPS、蓝牙、Wi-Fi）等场景。
理解 USART 的工作原理、时序结构以及波特率生成机制，是深入掌握 STM32 通信外设的基础。