目錄

1. 串口通訊協(xié)議簡介

1.1 物理層

1.2 協(xié)議層

2? ST USART

2.1 功能引腳

2.2 重要狀態(tài)

2.3 編程要點(diǎn)

2.4 代碼實(shí)例

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1. 串口通訊協(xié)議簡介

串口通訊(Serial Communication)是一種設(shè)備間常用的串行通訊方式，因?yàn)楹唵伪憬?#xff0c;大部分電子設(shè)備都支持該通訊方式，電子工程師在調(diào)試設(shè)備時(shí)也經(jīng)常使用該通訊方式輸出調(diào)試信息。

對于通訊協(xié)議，我們也以分層的方式來理解，最基本的是把它分為物理層和協(xié)議層。物理層規(guī)定通訊系統(tǒng)中具有機(jī)械、電子功能部分的特性，確保原始數(shù)據(jù)在物理媒體的傳輸。協(xié)議層主要規(guī)定通訊邏輯，統(tǒng)一收發(fā)雙方的數(shù)據(jù)打包、解包標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 物理層

串口通訊的物理層有很多標(biāo)準(zhǔn)及變種，我們主要講解RS-232標(biāo)準(zhǔn) ，RS-232標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了信號的用途、通訊接口以及信號的電平標(biāo)準(zhǔn)。

兩個(gè)通訊設(shè)備的“DB9接口”之間通過串口信號線建立起連接，串口信號線中使用“RS-232標(biāo)準(zhǔn)”傳輸數(shù)據(jù)信號。由于RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)的信號不能直接被控制器直接識別，所以這些信號會經(jīng)過一個(gè)“電平轉(zhuǎn)換芯片”轉(zhuǎn)換成控制器能識別的“TTL校準(zhǔn)”的電平信號，才能實(shí)現(xiàn)通訊。

• 電平標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)通訊使用的電平標(biāo)準(zhǔn)不同，串口通訊可分為TTL標(biāo)準(zhǔn)及RS-232標(biāo)準(zhǔn)

常見的電子電路中常使用TTL的電平標(biāo)準(zhǔn)，理想狀態(tài)下，使用5V表示二進(jìn)制邏輯1，使用0V表示邏輯0；而為了增加串口通訊的遠(yuǎn)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。因?yàn)榭刂破饕话闶褂肨TL電平標(biāo)準(zhǔn)，所以常常會使用MA3232芯片對TTL及RS-232電平的信號進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換。

• RS-232信號線

在最初的應(yīng)用中，RS-232串口標(biāo)準(zhǔn)常用于計(jì)算機(jī)、路由與調(diào)制調(diào)解器(MODEN，俗稱“貓”)之間的通訊 ，在這種通訊系統(tǒng)中，設(shè)備被分為數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE(計(jì)算機(jī)、路由)和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備DCE(調(diào)制調(diào)解器)。我們以這種通訊模型講解它們的信號線連接方式及各個(gè)信號線的作用。

在舊式的臺式計(jì)算機(jī)中一般會有RS-232標(biāo)準(zhǔn)的COM口(也稱DB9接口)

接線口以針式引出信號線的稱為公頭，以孔式引出信號線的稱為母頭。在計(jì)算機(jī)中一般引出公頭接口，而在調(diào)制調(diào)解器設(shè)備中引出的一般為母頭，使用上圖中的串口線即可把它與計(jì)算機(jī)連接起來。通訊時(shí)，串口線中傳輸?shù)男盘柧褪鞘褂们懊嬷v解的RS-232標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制的。

信號線說明序號名稱符號數(shù)據(jù)方向說明

1	載波偵測	DCD	DTE->DCE	Data Carrier Detect，數(shù)據(jù)載波檢測，用于DTE告知對方，本機(jī)是否收到對方的載波信號
2	接收數(shù)據(jù)	RXD	DET<-DCE	Receive Data，數(shù)據(jù)接收信號，即輸入 。
3	發(fā)送數(shù)據(jù)	TXD	DTE->DCE	Transmit Data，數(shù)據(jù)發(fā)送信號，即輸出。兩個(gè)設(shè)備之間的TXD與RXD應(yīng)交叉相連
4	數(shù)據(jù)終端 (DTE) 就緒	DTR	DTE->DCE	Data Terminal Ready，數(shù)據(jù)終端就緒，用于DTE向?qū)Ψ礁嬷緳C(jī)是否已準(zhǔn)備好
5	信號地	GND	--	地線，兩個(gè)通訊設(shè)備之間的地電位可能不一樣，這會影響收發(fā)雙方的電平信號，所以兩個(gè)串口設(shè)備之間必須要使用地線連接，即共地。
6	數(shù)據(jù)設(shè)備(DCE)就緒	DSR	DET<-DCE	Data Set Ready，數(shù)據(jù)發(fā)送就緒，用于DCE告知對方本機(jī)是否處于待命狀態(tài)
7	請求發(fā)送	RTS	DTE->DCE	Request To Send，請求發(fā)送， DTE 請求 DCE 本設(shè)備向DCE端發(fā)送數(shù)據(jù)
8	允許發(fā)送	CTS	DET<-DCE	Clear To Send，允許發(fā)送，DCE回應(yīng)對方的RTS發(fā)送請求，告知對方是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)
9	響鈴指示	RI	DET<-DCE	Ring Indicator，響鈴指示，表示DCE端與線路已接通

串口線中的RTS、CTS、DSR、DTR及DCD信號，使用邏輯 1表示信號有效，邏輯0表示信號無效。例如，當(dāng)計(jì)算機(jī)端控制DTR信號線表示為邏輯1時(shí)，它是為了告知遠(yuǎn)端的調(diào)制調(diào)解器，本機(jī)已準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，0則表示還沒準(zhǔn)備就緒。

在目前的其它工業(yè)控制使用的串口通訊中，一般只使用RXD、TXD以及GND三條信號線，直接傳輸數(shù)據(jù)信號。

1.2 協(xié)議層

串口通訊的數(shù)據(jù)包由發(fā)送設(shè)備通過自身的TXD接口傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備的RXD接口。在串口通訊的協(xié)議層中，規(guī)定了數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，它由啟始位、主體數(shù)據(jù)、校驗(yàn)位以及停止位組成，通訊雙方的數(shù)據(jù)包格式要約定一致才能正常收發(fā)數(shù)據(jù)。

• 波特率

兩個(gè)通訊設(shè)備之間需要約定好波特率，即每個(gè)碼元的長度，以便對信號進(jìn)行解碼，圖 中用虛線分開的每一格就是代表一個(gè)碼元。常見的波特率為4800、9600、115200等。

• 通訊的起始和停止信號

串口通訊的一個(gè)數(shù)據(jù)包從起始信號開始，直到停止信號結(jié)束。數(shù)據(jù)包的起始信號由一個(gè)邏輯0的數(shù)據(jù)位表示，而數(shù)據(jù)包的停止信號可由0.5、1、1.5或2個(gè)邏輯1的數(shù)據(jù)位表示，只要雙方約定一致即可

• 有效數(shù)據(jù)

在數(shù)據(jù)包的起始位之后緊接著的就是要傳輸?shù)闹黧w數(shù)據(jù)內(nèi)容，也稱為有效數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)的長度常被約定為5、6、7或8位長。

• 數(shù)據(jù)校驗(yàn)

在有效數(shù)據(jù)之后，有一個(gè)可選的數(shù)據(jù)校驗(yàn)位。由于數(shù)據(jù)通信相對更容易受到外部干擾導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，可以在傳輸過程加上校驗(yàn)位來解決這個(gè)問題。校驗(yàn)方法有奇校驗(yàn)(odd)、偶校驗(yàn)(even)、0校驗(yàn)(space)、1校驗(yàn)(mark)以及無校驗(yàn)(noparity)

奇校驗(yàn)要求有效數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)

偶校驗(yàn)與奇校驗(yàn)要求剛好相反，要求幀數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)

0校驗(yàn)是不管有效數(shù)據(jù)中的內(nèi)容是什么，校驗(yàn)位總為“0”，1校驗(yàn)是校驗(yàn)位總為“1”。

在無校驗(yàn)的情況下，數(shù)據(jù)包中不包含校驗(yàn)位

2? ST USART

2.1 功能引腳

• TX：發(fā)送數(shù)據(jù)輸出引腳。
• RX：接收數(shù)據(jù)輸入引腳。
• SW_RX：數(shù)據(jù)接收引腳，只用于單線和智能卡模式，屬于內(nèi)部引腳，沒有具體外部引腳。
• nRTS：請求以發(fā)送(Request To Send)，n表示低電平有效。如果使能RTS流控制，當(dāng)USART接收器準(zhǔn)備好接收新數(shù)據(jù)時(shí)就會將nRTS變成低電平；當(dāng)接收寄存器已滿時(shí)，nRTS將被設(shè)置為高電平。該引腳只適用于硬件流控制。
• nCTS：清除以發(fā)送(Clear To Send)，n表示低電平有效。如果使能CTS流控制，發(fā)送器在發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)之前會檢測nCTS引腳，如果為低電平，表示可以發(fā)送數(shù)據(jù)，如果為高電平則在發(fā)送完當(dāng)前數(shù)據(jù)幀之后停止發(fā)送。該引腳只適用于硬件流控制。
• SCLK：發(fā)送器時(shí)鐘輸出引腳。這個(gè)引腳僅適用于同步模式。

STM32F42xxx系統(tǒng)控制器有四個(gè)USART和四個(gè)UART，其中USART1和USART6的時(shí)鐘來源于APB2總線時(shí)鐘，其最大頻率為90MHz，其他六個(gè)的時(shí)鐘來源于APB1總線時(shí)鐘，其最大頻率為45MHz。

UART只是異步傳輸功能，所以沒有SCLK、nCTS和nRTS功能引腳。

2.2 重要狀態(tài)

編程重要狀態(tài)1名稱描述

2	TE	發(fā)送使能,能力
3	TXE	發(fā)送寄存器為空,
4	TC	發(fā)送完成
5	TXIE	發(fā)送完成中斷使能
6	RE	接收使能，能力
7	RXNE	讀數(shù)據(jù)寄存器非空
8	RXNEIE	發(fā)送完成中斷使能

?

• ? ? ? ? ? ?空閑字符 可理解為整個(gè)幀周期內(nèi)電平均為“1”（停止位的電平也是“1”），該字符后是下一個(gè)數(shù)據(jù)幀的起始位。
• 停止字符 可理解為在一個(gè)幀周期內(nèi)接收到的電平均為“0”。發(fā)送器在中斷幀的末尾插入 1 或 2 個(gè)停止位（邏輯“1”位）以確認(rèn)起始位。

2.3 編程要點(diǎn)

常規(guī)中斷方式：

• 使能RX和TX引腳GPIO時(shí)鐘和USART時(shí)鐘
• 初始化GPIO，并將GPIO復(fù)用到USART上
• 配置USART參數(shù)；
• 配置中斷控制器并使能USART收發(fā)中斷；
• 使能USART；
• 在USART接收中斷服務(wù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送

DMA中斷方式：

• 使能RX和TX引腳GPIO時(shí)鐘和USART時(shí)鐘
• 初始化GPIO，并將GPIO復(fù)用到USART上
• 配置USART參數(shù)；
• 配置中斷控制器并使能USART DMA 收發(fā)中斷
• 配置DMA參數(shù)及關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)BUF并配置傳輸完成中斷
• 使能USART
• 通過IDLE空閑中斷來標(biāo)識單幀傳輸完成，計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)大小，并配合DMA緩存滿中斷完成數(shù)據(jù)接收判斷
• 通過重置DMA計(jì)數(shù)和使能DMA發(fā)送
• 注意考慮接收超過緩存大小時(shí)，關(guān)閉DMA傳輸，進(jìn)入等待IDLE，然后，處理數(shù)據(jù)，超出直接丟掉

2.4 代碼實(shí)例

重定向prinft和scanf函數(shù)

在C語言標(biāo)準(zhǔn)庫中，fputc函數(shù)是printf函數(shù)內(nèi)部的一個(gè)函數(shù)，功能是將字符ch寫入到文件指針f所指向文件的當(dāng)前寫指針位置，簡單理解就是把字符寫入到特定文件中。我們使用USART函數(shù)重新修改fputc函數(shù)內(nèi)容，達(dá)到類似“寫入”的功能。介于某些情況下，硬件并不一定有UART，亦可以類似方法重定義到RAM來方便調(diào)試，后續(xù)專門介紹。

fgetc函數(shù)與fputc函數(shù)非常相似，實(shí)現(xiàn)字符讀取功能。在使用scanf函數(shù)時(shí)需要注意字符輸入格式。
還有一點(diǎn)需要注意的，使用fput和fgetc函數(shù)達(dá)到重定向C語言標(biāo)準(zhǔn)庫輸入輸出函數(shù)必須在MDK的工程選項(xiàng)把“Use MicroLIB”勾選上，MicoroLIB是缺省C庫的備選庫，它對標(biāo)準(zhǔn)C庫進(jìn)行了高度優(yōu)化使代碼更少，占用更少資源。當(dāng)然，維庫在某些特殊條件下并不需要，比如RL_FLASH，通過其他方式來實(shí)現(xiàn)重定向。

為使用printf、scanf函數(shù)需要在文件中包含stdio.h頭文件。

///重定向c庫函數(shù)printf到串口，重定向后可使用printf函數(shù) int fputc(int ch, FILE *f) {/* 發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)到串口 */USART_SendData(DEBUG_USART, (uint8_t) ch);/* 等待發(fā)送完畢 */while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USART, USART_FLAG_TXE) == RESET); return (ch); }///重定向c庫函數(shù)scanf到串口，重寫向后可使用scanf、getchar等函數(shù) int fgetc(FILE *f) {/* 等待串口輸入數(shù)據(jù) */while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USART, USART_FLAG_RXNE) == RESET);return (int)USART_ReceiveData(DEBUG_USART); }

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的秉火429笔记之十四 USART--串口通信的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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