第20章 USART—串口通讯

本章参考资料：《STM32F76xxx参考手册》USART章节。

学习本章时，配合《STM32F76xxx参考手册》USART章节一起阅读，效果会更佳，特别是涉及到寄存器说明的部分。

特别说明，本书内容是以STM32F76xxx系列控制器资源讲解。

20.1 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。

20.1.1  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 20-1。

图 20-1 串口通讯结构图

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校准”的电平信号，才能实现通讯。

20.1.2 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，见表 20-1。

表 20-1  TTL电平标准与RS232电平标准

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：-15V~-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 20-2。

图 20-2 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。

20.2  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 20-3。

图 20-3 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 20-4及表 20-2。

图 20-4 DB9标准的公头及母头接法

表 20-2 DB9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	DTEàDCE	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	DTEßDCE	Receive Data，数据接收信号，即输入 。
3	发送数据	TXD	DTEàDCE	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	DTEàDCE	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	DTEßDCE	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	DTEàDCE	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	DTEßDCE	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	DTEßDCE	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 20-5。

图 20-5 计算机与调制调解器的信号线连接

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，如果您在前面被这些信号弄得晕头转向，那就直接忽略它们吧。

20.1.2 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 206。

图 20-6 串口数据包的基本组成

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 206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。

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。

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。

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：

1. 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。
2. 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”。
3. 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”。
4. 在无校验的情况下，数据包中不包含校验位。
   1. 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 Receiver and 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支持使用DMA，可实现高速数据通信，有关DMA具体应用将在DMA章节作具体讲解。

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。

20.2 USART功能框图

STM32的USART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，见图 20-7。

图 20-7 USART功能框图

1、①功能引脚

TX：发送数据输出引脚。

RX：接收数据输入引脚。

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。

nDE：“驱动器使能”用于激活外部收发器的发送模式，在 RS485 硬件控制模式下需要这个引脚，DE 和 nRTS 共用同一个引脚。

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。

SCLK：发送器时钟输出引脚。这个引脚仅适用于同步模式。

USART引脚在STM32F767IGT6芯片具体分布见表 20-3。

表 20-3  STM32F767IGT6芯片的USART引脚

时钟	PCLK2/SYCLK/HSI/LSE		PCLK1/SYCLK/HSI/LSE
	USART1	USART6	USART2	USART3	UART4	UART5	UART7	UART8
TX