USART

通信是什么

• 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：是两个（或多个）设备之间进行通信，必须要遵循的一种协议。通讯协议分为物理层和协议层。

  • 物理层：规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性，确保原始数据在物理媒体的传输；
  • 协议层：规定通讯逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准。

• 通信的方式:

  

USART介绍

USART(通用同步异步收发器):提供了一种灵活的方法与使用工业标准NRZ异步串行数据格式的外部设备之间进行全双工数据交换。

USART利用分数波特率发生器提供宽范围的波特率选择。 它支持同步单向通信和半双工单线通信，也支持LIN(局部互连网)，智能卡协议和IrDA(红外数据 组织)SIR ENDEC规范，以及调制解调器(CTS/RTS)操作。它还允许多处理器通信。 使用多缓冲器配置的DMA方式，可以实现高速数据通信。

同步通信

同步通信双方都要有时钟引脚，双方的时钟CLK引脚是连接在一起的，通信时由主机传送时钟信号，提供同步脉冲，双方根据这个时钟信号，来确定发送或接受每个位，确保数据传输的时候完全同步。

• 时钟同步
• 信息格式为信息帧(一次通信中传输的数据，可 不止8位)

具体信息将在SPI一节讲解

异步通信

我们使用USART实现异步通信，那么如何保证异步通信的可靠性

• 固定的数据帧
• 传输速度双方必须相同,波特率

对于发送设备和接收设备来说，两者的串行通信配置（波特率、单位字的位数、奇偶校验、起始位数与结束位、流量控制）应该设置为完全相同。通过在数据流中插入特定的比特序列，可以指示通信的开始与结束。当发送一个字节数据的时候，需要在比特流的开头加上起始位，并在比特流的末尾加上结束位。数据字节的最低位紧接在起始位之后。

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：+3.3V或+5V表示1，0V表示0

• RS232电平：-3V ~ -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）

串口的专业名词

• 波特率：串口通信的速率,单位时间传输了多少个码元，0或1

  • 码元:数据传输过程中等时出现的符号
  • 单片机中，采用二进制码元，码元就是0或9600bps: 每秒传输9600个二进制位数 或 传输一个0或1需要1/9600s
  • 比特率: 每秒传输了多少个二进制位数 0或1
  • 总结:在单片机里，波特率和比特率代表的意义相同，但是其它领域，不一定相同。因为不果所有领域里面的码元都是二进制的0或1。

• 起始位（1位）：标志一个数据帧的开始，固定为低电平，也就是 空闲状态下 为高电平

• 数据位（8位）：数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平，低位先行

• 奇偶校验位（1位）：用于数据验证，根据数据位计算得来 -- 可选 无校验位，奇校验，偶校验

• 停止位（1位）：用于数据帧间隔，固定为高电平

STM32中的USART外设

USART的框图

• 标志位TXE(TX Empty)，当其置1时，其实数据还未发送过去，但是此时我们可以写入下一个数据 原因是 : 只是从发送数据寄存器TDR转移到了 发送移位寄存中 其就会置1 在代码中 就是

void  Usart_Tx(uint8_t data)//单字节 8位 发送
{
  while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)==0);//等待数据转移到发送移位寄存器中 直到TC == 1时 表示数据已经发送给移位寄存器了 可以写入新的数据了
  USART_SendData(USART1,data);
}
/**
  * @brief  Transmits single data through the USARTx peripheral.
  * @param  USARTx: Select the USART or the UART peripheral. 
  *   This parameter can be one of the following values:
  *   USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5.
  * @param  Data: the data to transmit.
  * @retval None
  */
void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data)
{
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_USART_ALL_PERIPH(USARTx));
  assert_param(IS_USART_DATA(Data)); 
    
  /* Transmit Data */
  USARTx->DR = (Data & (uint16_t)0x01FF); //这里就是TDR
}

• TDR 和 RDR占用一个地址，但实际硬件中是两个寄存器 可对比51单片机中的 SUBF来理解

  • SBUF: 串口数据缓存寄存器，物理上是两个独立的寄存器相同的地址。写操作时，写入的是发送寄存器，读操作时，读出的是接收寄存器 也就是 串口通信的发送和接收电路在物理上有 2 个名字相同的 SBUF 寄存器，它们的地址也都是 0x99，但是一个用来做发送缓冲，一个用来做接收缓冲。意思就是说，有 2 个房间，两个房间的门牌号是一样的，其中一个只出人不进人，另外一个只进人不出人，这样的话，我们就可以实现 UART 的全双工通信，相互之间不会产生干扰。但是在逻辑上呢，我们每次只操作 SBUF，单片机会自动根据对它执行的是“读”还是“写”操作来选择是接收 SBUF 还是发送 SBUF

• 发送移位寄存器是向右移位数据的 正好对应串口的低位先行

• 接收移位寄存器是先将接收的数据放在最高位，然后一位一位的向右移动，移位8次就可以得到1个字节

• 标志位RXNE(RX Not Empty)，接收数据寄存器非空，当检测其置1时，我们就可以从 接收移位寄存器 把数据移到 接收数据寄存器RDR中 在程序上的体现就是

uint8_t Usart_Rx(void)//接收 单字节 8位
{
  uint8_t data = 0;
  while( USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE)==0){}//等待接收数据完成标志 直到RXNE == 1表示数据接收完成
  data = USART_ReceiveData(USART1);
  return data;
}
/**
  * @brief  Returns the most recent received data by the USARTx peripheral.
  * @param  USARTx: Select the USART or the UART peripheral. 
  *   This parameter can be one of the following values:
  *   USART1, USART2, USART3, UART4 or UART5.
  * @retval The received data.
  */
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx)
{
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_USART_ALL_PERIPH(USARTx));
  
  /* Receive Data */
  return (uint16_t)(USARTx->DR & (uint16_t)0x01FF);//这里其实是 RDR
}

• 数据帧可以通过编程USART_CR1寄存器中的M位，选择成8或9位
• 可配置的停止位 随每个字符发送的停止位的位数可以通过控制寄存器2的位13、12进行编程。
  • 1个停止位：停止位位数的默认值。
  • 2个停止位：可用于常规USART模式、单线模式以及调制解调器模式。
  • 0.5个停止位：在智能卡模式下接收数据时使用。
  • 1.5个停止位：在智能卡模式下发送和接收数据时使用。

数据是如何稳定接收的

起始位侦测

在USART中，如果辨认出一个特殊的采样序列，那么就认为侦测到一个起始位。 该序列为：1 1 1 0 X 0 X 0 X 0 0 0 0

下图就是 起始位侦测 和 采样位置对齐策略

关于接收器的设计最主要的一点是如何提高采样的准确率，最好是保证采样点处于被采样数据的时间中间点。所以，在接收采样时要用比数据波特率高n倍(n≥1)速率的时钟对数据进行采样

• 如果该序列不完整，那么接收端将退出起始位侦测并回到空闲状态(不设置标志位)等待下降沿。

• 如果3个采样点都为’0’(在第3、5、7位的第一次采样，和在第8、9、10的第二次采样都为’0’)， 则确认收到起始位，这时设置RXNE标志位，如果RXNEIE=1，则产生中断。

• 如果两次3个采样点上仅有2个是’0’(第3、5、7位的采样点和第8、9、10位的采样点)，那么起始 位仍然是有效的，但是会设置NE噪声标志位。如果不能满足这个条件，则中止起始位的侦测过 程，接收器会回到空闲状态(不设置标志位)。

• 如果有一次3个采样点上仅有2个是’0’(第3、5、7位的采样点或第8、9、10位的采样点)，那么起 始位仍然是有效的，但是会设置NE噪声标志位。

波特率发生器

发送器 和 接收器 的波特率由波特率寄存器BRR里的分频系数DIV确定 -- 除以16是因为上方的采样数据时钟频率，所以在除以分频系数DIV后再除以16

计算公式： $$Tx / Rx波特率 = \cfrac { f_{PCLK2/1}}{16 * DIV}$$

USART 库函数

Table 1. USART 库函数

函数 USART_Init

Table 2. 函数 USART_Init

结构体 USART_InitTypeDef structure

//USART_InitTypeDef 定义于文件“stm32f10x_usart.h”： 

typedef struct 
{ 
    
	u32 USART_BaudRate; 
    u16 USART_WordLength; 
    u16 USART_StopBits;
    u16 USART_Parity;
    u16 USART_HardwareFlowControl;
    u16 USART_Mode;
    u16 USART_Clock; 
    u16 USART_CPOL;
    u16 USART_CPHA;
    u16 USART_LastBit; 
    
} USART_InitTypeDef; 

Table 3. 描述了结构 USART_InitTypeDef 在同步和异步模式下使用的不同成员。

Table 708. USART_InitTypeDef 成员 USART 模式对比

参数 USART_BaudRate

该成员设置了 USART 传输的波特率，波特率可以由以下公式计算：

IntegerDivider = ((APBClock) / (16 * (USART_InitStruct->USART_BaudRate)))

FractionalDivider = ((IntegerDivider - ((u32) IntegerDivider)) * 16) + 0.5

参数 USART_WordLength

USART_WordLength 提示了在一个帧中传输或者接收到的数据位数。Table 709. 给出了该参数可取的值。

Table 4. USART_WordLength 定义

参数 USART_StopBits

USART_StopBits 定义了发送的停止位数目。Table 710. 给出了该参数可取的值。

Table 5. USART_StopBits 定义

参数 USART_Parity

USART_Parity 定义了奇偶模式。Table 711. 给出了该参数可取的值。

Table 6. USART_Parity 定义

注意：奇偶校验一旦使能，在发送数据的 MSB 位插入经计算的奇偶位（字长 9 位时的第 9 位，字长 8 位时的第 8 位）。

参数 USART_HardwareFlowControl

USART_HardwareFlowControl 指定了硬件流控制模式使能还是失能。Table 712. 给出了该参数可取的值。

Table 7. USART_HardwareFlowControl 定义

参数 USART_Mode

USART_Mode 指定了使能或者失能发送和接收模式。Table 713. 给出了该参数可取的值。

Table 8. USART_Mode 定义

例：

/* The following example illustrates how to configure the USART1 */ 

USART_InitTypeDef USART_InitStructure; 

USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600; //波特率

USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; //数据帧长度

USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; //停止位

USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_NO; //检验位

USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; //硬件流控制

USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx; //模式

USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); 

函数 USART_Cmd

Table 9. 函数 USART_ Cmd

例：

/* Enable the USART1 */ 

USART_Cmd(USART1, ENABLE); 

函数 USART_ITConfig

Table 10. 函数 USART_ITConfig

参数 USART_IT

输入参数 USART_IT 使能或者失能 USART 的中断。可以取下表的一个或者多个取值的组合作为该参数的值。

Table 11. USART_IT 值

例：

/* Enables the USART1 transmit interrupt */ 

USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE，ENABLE); 

函数 USART_SendData

Table 12. 函数 USART_ SendData

例：

/* Send one HalfWord on USART3 */ 
USART_SendData(USART3, 0x26); 

函数 USART_ReceiveData

Table 13. 函数 USART_ReceiveData

例：

/* Receive one halfword on USART2 */ 
u16 RxData; 

RxData = USART_ReceiveData(USART2);

函数 USART_GetFlagStatus

Table 14. 函数 USART_ GetFlagStatus

USART_FLAG

Table 15. 给出了所有可以被函数USART_ GetFlagStatus检查的标志位列表

Table 15. USART_FLAG 值

例：

/* Check if the transmit data register is full or not */ 

FlagStatus Status; 

Status = USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE); 

函数 USART_ClearFlag

Table 16. 函数 USART_ ClearFlag

例：

/* Clear Overrun error flag */ 

USART_ClearFlag(USART1,USART_FLAG_OR);

函数 USART_GetITStatus

Table 17. 函数 USART_ GetITStatus

参数 USART_IT

Table 18. 给出了所有可以被函数USART_ GetITStatus检查的中断标志位列表

Table 18. USART_IT 值

例：

/* Get the USART1 Overrun Error interrupt status */ 

ITStatus ErrorITStatus; 

ErrorITStatus = USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_OverrunError); 

函数 USART_ClearITPendingBit

Table 19. 描述了函数USART_ ClearITPendingBit

Table 19. 函数 USART_ ClearITPendingBit

例：

/* Clear the Overrun Error interrupt pending bit */ 

USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_OverrunError); 

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