1. 串口外设总结¶
1.1. 串口通讯协议简介¶
串口通讯 (Serial Communication) 是一种设备间非常常用的串行通讯方式，因为它简单便捷，大部分电子设备都支持该通讯方式， 电子工程师在调试设备时也经常使用该通讯方式输出调试信息。在计算机科学里，大部分复杂的问题都可以通过分层来简化。 如芯片被分为内核层和片上外设；STM32 HAL 库则是在寄存器与用户代码之间的软件层。对于通讯协议，我们也以分层的方式来理解， 最基本的是把它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。 协议层主要规定通讯逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准。简单来说物理层规定我们用嘴巴还是用肢体来交流， 协议层则规定我们用中文还是英文来交流。
下面我们分别对串口通讯协议的物理层及协议层进行讲解。
1.1.1. 物理层¶
串口通讯的物理层有很多标准及变种，我们主要讲解 RS-232 标准，RS-232 标准主要规定了信号的用途、通讯接口以及信号的电平标准。
使用 RS-232 标准的串口设备间常见的通讯结构见图1-1 RS-232
RS-232
在上面的通讯方式中，两个通讯设备的“DB9 接口”之间通过串口信号线建立起连接，串口信号线中使用“RS-232 标准”传输数据信号。 由于 RS-232 电平标准的信号不能直接被控制器直接识别，所以这些信号会经过一个“电平转换芯片”转换成控制器能识别的“TTL 标准”的电平信号，才能实现通讯。
1.1.1.1. 电平标准¶
根据通讯使用的电平标准不同，串口通讯可分为 TTL 标准及 RS-232 标准，见下表。
通讯标准 |
电平标准（发送端） |
|---|---|
5V TTL |
逻辑1：2.4V ~ 5V |
逻辑0：0 ~ 0.5V |
|
RS-232 |
逻辑1：-15 ~ -3V |
逻辑0：+3V ~ +15V |
我们知道常见的电子电路中常使用 TTL 的电平标准，理想状态下，使用 5V 表示二进制逻辑 1， 使用 0V 表示逻辑 0；而为了增加串口通讯的远距离传输及抗干扰能力，它使用-15V 表示逻辑 1， +15V 表示逻辑 0。使用 RS232 与 TTL 电平校准表示同一个信号时的对比见图1 - 2,
图1 - 2 RS-232与TTL电平标准下表示同一个信号
因为控制器一般使用 TTL 电平标准，所以常常会使用 MA3232 芯片对 TTL 及 RS-232 电平的信号进行互相转换。
1.1.1.2. RS-232 信号线¶
在最初的应用中，RS-232 串口标准常用于计算机、路由与调制调解器 (MODEN，俗称“猫”) 之间的通讯， 在这种通讯系统中，设备被分为数据终端设备 DTE(计算机、路由) 和数据通讯设备DCE(调制调解器)。 我们以这种通讯模型讲解它们的信号线连接方式及各个信号线的作用。
在旧式的台式计算机中一般会有 RS-232 标准的 COM 口 (也称 DB9 接口)，见图 1 - 3。
图 1 - 3 电脑主板上的 COM 口及串口线
其中接线口以针式引出信号线的称为公头，以孔式引出信号线的称为母头。在计算机中一般引出公头接口， 而在调制调解器设备中引出的一般为母头，使用上图中的串口线即可把它与计算机连接起来。 通讯时，串口线中传输的信号就是使用前面讲解的 RS-232 标准调制的。
在这种应用场合下，DB9 接口中的公头及母头的各个引脚的标准信号线接法见图 1 - 4。
图 1 - 4 DB9 标准的公头及母头接法
信号线说明 (公头，为方便理解，可把 DTE 理解为计算机，DCE 理解为调制调解器)
序号 |
名称 |
符号 |
数据方向 |
说明 |
1 |
载波检测 |
DCD |
DTEDCE |
Data Carrier Detect，数据载波检测，用于DTE告知对方，本机是否收到对方的载波信号 |
2 |
接收数据 |
RXD |
DTEDCE |
Receive Data，数据接收信号，即输入 。 |
3 |
发送数据 |
TXD |
DTEDCE |
Transmit Data，数据发送信号，即输出。两个设备之间的TXD与RXD应交叉相连 |
4 |
数据终端 (DTE) 就绪 |
DTR |
DTEDCE |
Data Terminal Ready，数据终端就绪，用于DTE向对方告知本机是否已准备好 |
5 |
信号地 |
GND |
地线，两个通讯设备之间的地电位可能不一样，这会影响收发双方的电平信号，所以两个串口设备之间必须要使用地线连接，即共地。 |
|
6 |
数据设备(DCE)就绪 |
DSR |
DTEDCE |
Data Set Ready，数据发送就绪，用于DCE告知对方本机是否处于待命状态 |
7 |
请求发送 |
RTS |
DTEDCE |
Request To Send，请求发送， DTE 请求 DCE 本设备向DCE端发送数据 |
8 |
允许发送 |
CTS |
DTEDCE |
Clear To Send，允许发送，DCE回应对方的RTS发送请求，告知对方是否可以发送数据 |
9 |
响铃指示 |
RI |
DTEDCE |
Ring Indicator，响铃指示，表示DCE端与线路已接通 |
上表中的是计算机端的 DB9 公头标准接法，由于两个通讯设备之间的收发信号 (RXD 与 TXD)应交叉相连， 所以调制调解器端的 DB9 母头的收发信号接法一般与公头的相反，两个设备之间连接时， 只要使用“直通型”的串口线连接起来即可，见图1 - 5，
串口线中的 RTS、CTS、DSR、DTR 及 DCD 信号，使用逻辑 1 表示信号有效，逻辑 0 表示信号无效。 例如，当计算机端控制 DTR 信号线表示为逻辑 1 时，它是为了告知远端的调制调解器，本机已准备好接收数据， 0 则表示还没准备就绪。在目前的其它工业控制使用的串口通讯中，一般只使用 RXD、TXD 以及 GND 三条信号线， 直接传输数据信号，而 RTS、CTS、DSR、DTR 及 DCD 信号都被裁剪掉了。
1.1.2. 协议层¶
串口通讯的数据包由发送设备通过自身的 TXD 接口传输到接收设备的 RXD 接口。在串口通讯的协议层中， 规定了数据包的内容，它由启始位、主体数据、校验位以及停止位组成，通讯双方的数据包格式要约定一致才能正常收发数据， 其组成见图 1 - 6,
图 1 - 6 串口数据包的基本组成
1.1.2.1. 波特率¶
本章中主要讲解的是串口异步通讯，异步通讯中由于没有时钟信号 (如前面讲解的 DB9 接口中是没有时钟信号的)， 所以两个通讯设备之间需要约定好波特率，即每个码元的长度，以便对信号进行解码，图 1_6 中用虚线分开的每一格就是代表一个码元。 常见的波特率为 4800、9600、115200 等。
1.1.2.2. 通讯的起始和停止信号¶
串口通讯的一个数据包从起始信号开始，直到停止信号结束。数据包的起始信号由一个逻辑 0 的数据位表示， 而数据包的停止信号可由 0.5、1、1.5 或 2 个逻辑 1 的数据位表示，只要双方约定一致即可。
1.1.2.3. 有效数据¶
在数据包的起始位之后紧接着的就是要传输的主体数据内容，也称为有效数据，有效数据的长度 常被约定为 5、6、7 或 8 位长。
1.1.2.4. 数据校验¶
在有效数据之后，有一个可选的数据校验位。由于数据通信相对更容易受到外部干扰导致传输数据出现偏差， 可以在传输过程加上校验位来解决这个问题。校验方法有奇校验 (odd)、偶校验(even)、0 校验 (space)、1 校验 (mark) 以及无校验 (noparity)，它们介绍如下：
奇校验要求有效数据和校验位中“1”的个数为奇数，比如一个 8 位长的有效数据为：01101001， 此时总共有 4 个“1”，为达到奇校验效果，校验位为“1”，最后传输的数据将是 8 位的有效数据 加上 1 位的校验位总共 9 位。
偶校验与奇校验要求刚好相反，要求帧数据和校验位中“1”的个数为偶数，比如数据帧：11001010，此时数据帧“1”的个数为 4 个，所以偶校验位为“0”。
0 校验是不管有效数据中的内容是什么，校验位总为“0”，1 校验是校验位总为“1”。
在无校验的情况下，数据包中不包含校验位。
1.2. STM32 的 USART 简介¶
STM32 芯片具有多个 USART 外设用于串口通讯，它是 Universal Synchronous Asynchronous Receiverand Transmitter 的缩写， 即通用同步异步收发器可以灵活地与外部设备进行全双工数据交换。有别于 USART，它还有具有 UART 外设 ( Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)， 它是在USART 基础上裁剪掉了同步通信功能，只有异步通信。简单区分同步和异步就是看通信时需不需要对外提供时钟输出，我们平时用的串口通信基本都是 UART。
USART 满足外部设备对工业标准 NRZ 异步串行数据格式的要求，并且使用了小数波特率发生器，可以提供多种波特率，使得它的应用更加广泛。USART 支持同步单向通信和半双工单线通信； 还支持局域互连网络 LIN、智能卡 (SmartCard) 协议与 lrDA(红外线数据协会) SIR ENDEC 规范。
USART 在 STM32 应用最多莫过于“打印”程序信息，一般在硬件设计时都会预留一个 USART通信接口连接电脑， 用于在调试程序是可以把一些调试信息“打印”在电脑端的串口调试助手工具上，从而了解程序运行是否正确、指出运行出错位置等等。
STM32 的 USART 输出的是 TTL 电平信号，若需要 RS-232 标准的信号可使用 MAX3232 芯片进行转换。
1.3. USART 功能框图¶
STM32 的 USART 的功能框图包含了 USART 最核心内容，掌握了功能框图，对 USART 就有一个 整体的把握，在编程时就思路就非常清晰。USART 功能框图见图 1 - 7。
图 1 - 6 USART 功能框图
1.3.1. 功能引脚¶
TX：发送数据输出引脚。
RX：接收数据输入引脚。
SW_RX：数据接收引脚，只用于单线和智能卡模式，属于内部引脚，没有具体外部引脚。
nRTS：请求以发送 (Request To Send)，n 表示低电平有效。如果使能 RTS 流控制，当 USART 接收器准备好接收新数据时就会将 nRTS 变成低电平； 当接收寄存器已满时，nRTS 将被设置为高电平。该引脚只适用于硬件流控制。
nCTS：清除以发送 (Clear To Send)，n 表示低电平有效。如果使能 CTS 流控制，发送器在发送下一帧数据之前会检测 nCTS 引脚， 如果为低电平，表示可以发送数据，如果为高电平则在发送完当前数据帧之后停止发送。该引脚只适用于硬件流控制。
这里展示STM32FH743IIT6 芯片USART 引脚，见图1 - 7，其他芯片可以在对应数据手册中找到。
图 1 - 7 USART
1.3.2. 数据寄存器¶
USART 数据寄存器 (USART_DR) 只有低 9 位有效，并且第 9 位数据是否有效要取决于 USART控制寄存器 1(USART_CR1) 的 M 位设置，当 M 位为 0 时表示 8 位数据字长， 当 M 位为 1 表示 9位数据字长，我们一般使用 8 位数据字长。
USART_DR 包含了已发送的数据或者接收到的数据。USART_DR 实际是包含了两个寄存器，一个专门用于发送的可写 TDR， 一个专门用于接收的可读 RDR。当进行发送操作时，往 USART_DR写入数据会自动存储在 TDR 内；当进行读取操作时， 向 USART_DR 读取数据会自动提取 RDR数据。
TDR 和 RDR 都是介于系统总线和移位寄存器之间。串行通信是一个位一个位传输的，发送时把TDR 内容转移到发送移位寄存器， 然后把移位寄存器数据每一位发送出去，接收时把接收到的每一位顺序保存在接收移位寄存器内然后才转移到 RDR。
1.3.3. 控制器¶
USART 有专门控制发送的发送器、控制接收的接收器，还有唤醒单元、中断控制等等。使用USART 之前需要向 USART_CR1 寄存器的 UE 位置 1 使能 USART， UE 位用来开启供给给串口的时钟。发送或者接收数据字长可选 8 位或 9 位，由 USART_CR1 的 M 位控制。
1.3.3.1. 发送器¶
当 USART_CR1 寄存器的发送使能位 TE 置 1 时，启动数据发送，发送移位寄存器的数据会在 TX引脚输出， 低位在前，高位在后。如果是同步模式 SCLK 也输出时钟信号。一个字符帧发送需要三个部分：起始位 + 数据帧 + 停止位。起始位是一个位周期的低电平， 位周期就是每一位占用的时间；数据帧就是我们要发送的 8 位或 9 位数据，数据是从最低位开始传输的；停止位是一定时间周期的高电平。
停止位时间长短是可以通过 USART 控制寄存器 2(USART_CR2) 的 STOP[1:0] 位控制，可选 0.5个、1 个、1.5 个和 2 个停止位。默认使用 1 个停止位。2 个停止位适用于正常 USART 模式、 单线模式和调制解调器模式。0.5 个和 1.5 个停止位用于智能卡模式。
当选择 8 位字长，使用 1 个停止位时，具体发送字符时序图见图 1 - 8。
图 1 - 8 字符发送时序图
当发送使能位 TE 置 1 之后，发送器开始会先发送一个空闲帧 (一个数据帧长度的高电平)，接下来就可以往 USART_DR 寄存器写入要发送的数据。 在写入最后一个数据后，需要等待 USART 状态寄存器 (USART_SR) 的 TC 位为 1，表示数据传输完成，如果 USART_CR1 寄存器的 TCIE 位置1，将产生中断。
在发送数据时，编程的时候有几个比较重要的标志位我们来总结下，
名称 |
描述 |
TE |
发送使能 |
TXE |
发送寄存器为空，发送单个字节的时候使用 |
TC |
发送完成，发送多个字节数据的时候使用 |
TXIE |
发送完成中断使能 |
1.3.3.2. 接收器¶
如果将 USART_CR1 寄存器的 RE 位置 1，使能 USART 接收，使得接收器在 RX 线开始搜索起始位。 在确定到起始位后就根据 RX 线电平状态把数据存放在接收移位寄存器内。接收完成后就把接收移位寄存器数据移到 RDR 内， 并把 USART_SR 寄存器的 RXNE 位置 1，同时如果USART_CR2 寄存器的 RXNEIE 置 1 的话可以产生中断。
在接收数据时，编程的时候有几个比较重要的标志位我们来总结下。
名称 |
描述 |
RE |
接收使能 |
RXNE |
读数据寄存器非空 |
RXNEIE |
发送完成中断使能 |
为得到一个信号真实情况，需要用一个比这个信号频率高的采样信号去检测，称为过采样，这个采样信号的频率大小决定最后得到源信号准确度， 一般频率越高得到的准确度越高，但为了得到越高频率采样信号越也困难，运算和功耗等等也会增加，所以一般选择合适就好。
接收器可配置为不同过采样技术，以实现从噪声中提取有效的数据。USART_CR1 寄存器的OVER8 位用来选择不同的采样采样方法， 如果 OVER8 位设置为 1 采用 8 倍过采样，即用 8个采样信号采样一位数据；如果 OVER8 位设置为 0 采用 16 倍过采样， 即用 16 个采样信号采样一位数据。
USART 的起始位检测需要用到特定序列。如果在 RX 线识别到该特定序列就认为是检测到了起始位。 起始位检测对使用 16 倍或 8 倍过采样的序列都是一样的。该特定序列为：1110X0X0X0000，其中 X 表示电平任意，1 或 0 皆可。
8 倍过采样速度更快，最高速度可达 fPCLK/8，fPCLK 为 USART 时钟，采样过程见图 1 - 9。使用第 4、5、6 次脉冲的值决定该位的电平状态。
图 1 - 9 8倍采样过程
16 倍过采样速度虽然没有 8 倍过采样那么快，但得到的数据更加精准，其最大速度为 fPCLK/16， 采样过程见图 20_20。使用第 8、9、10 次脉冲的值决定该位的电平状态。
图 1 - 10 16倍采样过程
1.3.3.3. 小数波特率生成¶
波特率指数据信号对载波的调制速率，它用单位时间内载波调制状态改变次数来表示，单位为波特。比特率指单位时间内传输的比特数，单位bit/s(bps)。对于USART波特率与比特率相等，以后不区分这两个概念。波特率越大，传输速率越快。
USART的发送器和接收器使用相同的波特率。计算公式如下：
图 1 - 11 波特率
波特率的常用值有2400、9600、19200、115200。下面以实例讲解如何设定寄存器值得到波特率的值。