当前位置：首页 > news >正文

STM32通信接口----USART

news 2025/11/17 6:24:23

STM32芯片里面集成了很多功能模块，如定时器计数、PWM输出、AD采集等，这些都是芯片内部的电路，这些电路的配置寄存器、数据寄存器斗殴在芯片里面，操作这些寄存器直接读写即可。但也有一些功能是STM32内部没有的，如蓝牙无线遥控功能、陀螺仪加速度计测量姿态的功能，只能外挂芯片来完成，外挂的芯片，数据都在STM32外面，STM32若想获取这些数据，则需在两个设备之间连接上一根或多跟通信线，通过通信线路发送或接收数据，完成数据交换，从而实现控制外挂模块和读取外挂模块数据的目的。

全双工：通信双方能够同时进行双向通信，一般来说，全双工（发送线路和接受线路互不影响）的通讯都有两根数据线（串口TX发送RX接收；SPI，一根MOSI发送，一根MISO接收）。

半双工：I2C,CAN,USB都只有一根数据线

单工：数据只能从一个设备到另一个设备，而不能反着来，如把串口的RX引脚去掉，那串口就退化成单工

时钟：告诉接收方什么时候需要采集数据，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;串口、CAN、USB没有时钟线，需要双方约定一个采样频率，并且还需要加一些帧头帧尾等，进行采样位置的对齐

电平：单端信号引脚的高低电平都是对GND的电压差，所以单端信号通信的双方必须要共地（把GND接在一起），表中前3个还应加一个GND引脚，不接GND没法通信；差分信号是靠两个差分引脚的电压差来传输信号的，通信时可不用GND，使用差分信号可以极大地提高抗干扰特性，一般传输速度快、距离远。

设备：中间3个可在总线上挂载多个设备，需要有一个寻址的过程，以确定通信的对象

单片机和电脑通信，是串口的一大优势，可以接电脑屏幕，非常适合调试程序，打印信息I2C和SPI等一般都是芯片之间的通信，不会接在电脑上

如上图，第一个是USB转串口模块，上面有一个芯片，型号是CH340，这个芯片可以把串口协议转换为USB协议，左边是USB口，可以插在电脑上，右边是串口的引脚，可以和支持串口的芯片接在一起，以实现串口和电脑的通信；第二个是陀螺仪传感器模块，可测角速度、加速度这些姿态参数，左右各有4个引脚，一边是串口的引脚，另一边是I2C的引脚；第三个是蓝牙串口模块，下面4个脚是串口通信的引脚，上面的芯片可以和手机互联，实现手机遥控单片机的功能

一般串口通信的模块都有四个引脚，TX和RX都是单端信号，它们的高低电平都是相对于GND的，线路对地是0V，就代表发送了逻辑0；线路对地是3.3V，就代表发送了逻辑1

串口通信的TX、RX、GND是必须要接的，上面的VCC,如果两个设备都有独立供电，那VCC可以不接；如果其中一个设备没有供电，如设备1是STM32,设备2是蓝牙串口模块，STM32有独立供电，蓝牙串口没有独立供电，那样就需要把蓝牙串口的VCC和STM32的VCC接在一起，STM32通过这根线，向右边的子模块供电。

串口有很多电平标准，直接从控制器出来的信号，一般都是TTL电平。相同的电平才能相互通信，不同的电平信号，需要加一个电平转换芯片，转接一下。

单片机（低压小型设备）电路中最常见的是TTL电平

RS232电平，一般在大型的机器上使用

前两种电平标准，通信最远只能达到几十米，而使用RS485电平标准，通信距离可以达到上千米

在软件层面，它们都属于串口，所以程序并不会有什么变化

上图的两个时序图，就是串口发送一个字节的格式，该格式是串口协议规定的。串口中，每一个字节都装载在一个数据帧里面，每个数据帧都有起始位、数据位和停止位组成。数据位有8个，代表一个字节的8位，在右边这个数据帧里面，还可以在数据位的最后，加一个奇偶校验位，这样数据位总共是9位，有效载荷是前8位，代表一个自己字节，校验位跟在有效载荷后面，占1位

波特率（二进制调制下，波特率等于比特率，单片机的串口通信，基本都是二进制调制，高电平表示1，低电平表示0,1位就是1bit）：串口一般是使用异步通信，所以需要双方约定一个通信速率，如A每隔1s发送一位，那么B应该每隔1s接收一位，若接受快了，就会重复接收某些位；如果接收慢了，就会漏掉某些位。故发送和接收，必须要约定好速率，这个速率参数，就是波特率。如双方规定波特率为1000bps，表示1s要发1000位，每一位的时间就是1ms

串口的空闲状态是高电平，即没有数据传输时，引脚必须置高电平，需要传输时，必须要先发送一个起始位（低电平），打破空闲状态的高电平，产生一个下降沿，告诉接收设备，这一帧数据要开始了

低位先行：如要发送一个字节，是0x0F,首先把0F转化为二进制，即0000 1111，数据要从低位进行发送，也就是1111 0000，依次发送在引脚上。

校验位：使用奇偶校验的数据验证方法，可判断数据传输是不是出错了，若数据出错，可选择丢弃或者要求重传，校验可选3种方式：无校验（上图左）、奇校验、偶校验（上图右）。

奇校验：包括校验位在内的9位数据会出现奇数个1，如传输0000 11111，校验位需再补一个1，

若数据是0000 1110，校验位补0。发送方在发送数据后，会补一个校验位，保证1的个数为奇数；

接收方，在接收数据后，会验证数据位和校验位，如果1的个数还是奇数，就认为数据没有出错；如果在传输中因为干扰，有一位由0变成1，或者由1变成0，那么整个数据的奇偶特性就会发生变化，接收方就认为传输出错。奇偶校验的检出率不是很高，如果有两位数据同时出错，奇偶特性变不变，那就校验不出来了。更高的检出率，可了解CRC校验（STM32也有CRC的外设）

串口通信的实际波形

探头GND接在负极，探头接在发送设备的TX引脚

在STM32中，根据字节数据翻转高低电平，是由USART外设自动完成的

TX引脚发送------置定时翻转的高低电平

RX引脚接收-------定时读取高低电平

串口的停止位是可以进行配置的，可以选择1位、1.5位、2位等

STM32内部的USART外设（串口通信的硬件支持电路）：按照串口协议来产生和接收高低电平信号，实现串口通信

STM32的USART同步模式，只是多了一个时钟输出而已，只支持时钟输出，不支持时钟输入，更多是为了兼容别的协议或者特殊用途而设计的，并不支持两个USART之间进行同步通信

波特率发生器：用来配置波特率，其实是一个分频器，如APB2总线给个72MHZ的频率，然后波特率发生器进行分频，得到我们想要的波特率时钟，在这个时钟下进行收发，就是我们指定的通信波特率

常用串口参数：波特率9600或者115200，数据位8位，无校验

串口支持DMA进行数据转运，如果有大量数据进行收发，可以使用DMA转运数据，减轻CPU的负担

STM32F103C8T6总共有3个独立的USART外设，可以挂载很多串口设备，USART1是APB2总线上的设备，其余两个是APB1总线的设备

TDR（只写）与RDR（只读）占用一个地址，在程序上表现为一个寄存器，就是数据寄存器DR

发送移位寄存器：把一字节的数据一位一位地移出去，正好对应串口协议的波形的数据位。如在某时刻给TDR写入了0x55这个数据，在寄存器里是二进制数据，0101 0101，此时硬件检测到你写入数据了，就会检查，当前移位寄存器是不是有数据正在移位，如果没有，这个0101 0101就会立刻全部移动到发送移位寄存器（在发送器控制下，一位一位地把数据输出到TX引脚，这里是向右移位的，正好和串口协议规定的低位先行是一致的），准备发送。当数据从TD动到移位寄存器时，会置一个标志位（TX Empty），检查这个标志位，如果置1（数据其实还没有发送出去）了，我们就可以在TDR写入下一个数据了。当数据移位完成后，新的数据就会再次自动地从TDR转移到发送移位寄存器里来；如果当前移位寄存器移位还没有完成，TDR的数据就会进行等待，一但移位完成，就会立刻转移过来。有了TDR和移位寄存器的双重缓存，可以保证连续发送数据的时候，数据帧之间不会有空闲。

数据从RX引脚通向接收移位寄存器，在接收器控制下，一位一位地读取RX电平，先放在最高位，然后向右移，移位8次之后，就能接受一个字节了，当一个字节移位完成后，这一个字节的数据就会整体地一下子转移到接收数据寄存器RDR里来，在转移的过程中，也会置一个标志位RXNE(RX Not Empty),当检测到RXNE置1后，就可以把数据读走了，当数据从移位寄存器转移到RDR时，就可以直接接收下一帧数据了。

发送还需要加上帧头帧尾，接收还需要剔除帧头帧尾，这些操作，内部有电路会自动执行

硬件数据流控：如果发送设备发的太快，接收设备来不及处理，就会出现丢弃或覆盖数据的现象，

nRTS:(Request To Send)是请求发送，是输出脚（n代表低电平有效）,输出一个能不能接收的反馈信号，接到对方的CTS。能接收的时候，RTS就置低电平，请求对方发送，对方的CTS接收到之后，就可以一直发。当处理不过来时，比如接受数据寄存器一直没有读，又有新的数据过来了，RTS就会置高电平，当对方的CTS接收到之后，就会暂停发送，直到接收数据寄存器被读走，RTS置低电平，新的数据才会继续发送。

nCTS:（Clear To Send)清除发送，是输入脚，用于接收别人nRTS信号的。

反过来，当我的TX给别人发送数据时，我们的CTS就要接到对方的RTS，用于判断对方能不能接收

TX-------CTS RX-------RTS

SCLK控制 ：用于产生同步的时钟信号（可以兼容别的协议，有了时钟输出的串口，就可以兼容SPI；也可以做自适应波特率，如接收设备不确定发送设备给的什么波特率，就可以测量一下适中的周期，计算得到波特率），配合发送移位寄存器输出的，发送寄存器每移位一次，同步时钟电平就跳变一个周期（时钟只支持输出，不支持输入，两个USART之间，不能实现同步的串口通信）

唤醒单元 ：实现串口挂载多设备，可以给串口分配一个地址，发送指定地址时，此设备唤醒开始工作

中断控制：配置中断是不是能通向NVIC,中断申请位，就是状态寄存器里的各种标志位，TXE(发送寄存器空)和TXNE(接收寄存器非空)较为重要，是判断发送状态和接收状态的必要标志位

波特率发生器：APB时钟进行分频，得到发送和接收移位的时钟，USART1挂载在APB2,所以就是PCLK2的时钟，一般是72MHZ;其它的USART都挂载在APB1,所以是PCLK1的时钟，一般是36MHZ，之后这个时钟进行分频，除一个USARTDIV的分频系数（分为整数部分和小数部分，支持小数点后4位），分频完之后，还要再除以16得到发送器时钟和接收器时钟，通向控制部分

TE为1，发送器使能，发送部分的波特率就有效；RE为1，接收器使能，接收部分的波特率就有效。

复用功能这一栏，给出了每个USART，它的各个引脚都是复用在了哪个GPIO上

简化结构图，给出了USART最主要最基本的结构

波特率发生器用于产生约定的通信速率，时钟来源是PCLK2/1,经过波特率发生器分频后，产生的时钟通向发送控制器（控制发送移位）和接收控制器（控制接收移位），之后发送数据寄存器和发送移位寄存器两个寄存器配合，将数据一位一位地移出去，通过GPIO口的复用输出，输出到TX引脚，产生串口协议规定的波形（向右的箭头表示移位寄存器是向右移的，低位先行），当数据由数据寄存器转移到移位寄存器时，会置一个TXE的标志位

RX引脚的波形，在接受控制器的控制下，一位一位地移入接收移位寄存器，右移符号代表也是右移，因为是低位先行，所以要从左边开始移进来，移完一帧数据后，数据就会统一转运到接收数据寄存器，转移的同时，置一个RXNE标志位，检查这个标志位，就可以知道是不是接收到数据了，同时这个标志位也可以去申请中断，这样就可以在接收到数据时，直接进入中断函数，然后快速的读取和保存数据

在软件层面，（上图的4个寄存器）只有一个DR寄存器可以供我们读写，写入DR时，数据走上面这条路，进行发送；读取DR时，数据走下面这条路，进行接收，这就是USART进行串口数据收发的过程

右下角是一个开关控制，配置完成之后，用Cmd开启一下外设

串口的输出TX比输入RX简单很多，输出时定时翻转TX引脚高低电平，输入时不仅要保证输入的采样频率和波特率保持一致；还要保证每次输入采样的位置，正好处于每一位的正中间（只有在每一位正中间采样，这样读进来的高低电平才最可靠，如果采样点过于靠前或靠后，有可能高低电平还正在翻转，电平还不稳定）；输入最好还要对噪声有一定的判断能力，如果是噪声，最好置标志位提醒一下

当输入电路侦测到一个数据帧的起始位后，就会以波特率的频率，连续采样一帧数据，同时从起始位开始，采样位置就要对齐到位的正中间，只要第一位对齐了，后面都是对齐的，为了实现这些功能，首先输入的这部分电路对采样时钟进行了细分，会以波特率的16倍频率进行采样，即在一位的时间里，可以进行16次采样。

采样策略：最开始，空闲状态是高电平，那采样一直是1，在某个位置突然采到一个0，说明，在这两次采样之间，出现了下降沿。如果没有任何噪声，之后应该是起始位，在起始位，会连续进行16次采样，如果没有噪声，那么这16次采样都是0；但是实际电路会存在一些噪声，所以即使这里出现下降沿了，后续也要再采样几次，以防万一。根据手册描述，这个接收电路还会在下降沿之后的第3次、5次、7次进行一批采样，在第8次、9次、10次再进行一次采样，且这两批采样都要求每3位里面至少有两个0。如果有一些轻微噪声，导致3位里面，只有两个是0，另一个是1，也算是检测到了起始位，但是在状态寄存器里会置一个NE（Noise Error）,噪声标志位；若3位里面只有1个0，就不算检测到了起始位，可能前面的那个下降沿是噪声导致的，这是电路就忽略前面的数据，重新开始捕捉下降沿。

以上是STM32的串口在接收过程中，对噪声的处理，如果通过了起始位侦测，那接受状态就由空闲变为接受起始位，同时第8、9、10次采样的位置，正好是起始位的正中间，之后接收数据位时，就都在8、9、10次进行采样，这样就能保证采样位置在位的正中间了，这就是起始位侦测和采样位置对齐的策略

从1到16，是一个数据位的时间长度，在一个数据位，有16个采样时钟，由于起始位侦测已经对齐了采样时钟，所以这里就直接在第8、9、10次采样数据位，为了保证数据的可靠性，这里是连续采样3次。没有噪声的理想情况下，3次全为1或者全为0，若有噪声，导致3次采样不是全为1或者全为0，那就按照2:1的规则来，2次为1，就认为收到了1；2次为0，就认为收到了0，在这种情况下，噪声标志位NE也会置1