嵌入式——USART（2）补充

最新推荐文章于 2024-12-16 16:39:55 发布

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分类专栏：嵌入式入门（STM32F103C8T6）文章标签：单片机 fpga开发 stm32 嵌入式硬件笔记

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一、串口——物理层（RS-232标准为例）

一、串口——物理层（RS-232标准为例）

1.串口通信结构

两个通信设备的“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，才能实现通信。

2.电平标准

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。

而为了增加串口通信的远距离传输及抗干扰能力，RS-232使用-15V表示逻辑1，+15V表示逻辑0。

3.计算机与调制调解器的信号线连接

二、串口——协议层

1.介绍

串口通信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。在串口通信的协议层中，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，通信双方的数据包格式要约定一致才能正常收发数据。

2.串口数据包的组成

（1）波特率

异步通信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），所以两个通信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，图中用虚线分开的每一格就代表一个码元。

（2）通信的起始和停止信号

串口通信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、偶校验、0校验、1校验以及无校验。

三、USART简介（通用同步异步收发器）

USART是一个串行通信设备，可以灵活地与外部设备进行全双工数据交换。还有一个UART，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要不需要对外提供时钟输出，平时用的串口通信基本上都是UART。

串行通信一般是以帧格式传输数据，即一帧一帧地传输，每帧包含有起始信号、数据信息、停止信息，可能还有校验信息。USART就是对这些传输参数有具体规定，但参数值也不唯，很多都可以自定义设置，只是增强它的兼容性。

四、USART功能剖析

1.功能引脚

（1）TX：发送数据输出引脚。

（2）RX：接收数据输入引脚。

（3）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。

（4）nRTS：请求以发送，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。

（5）nCTS：清除以发送，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。

（6）SCLK：发送器时钟输出引脚。仅适用于同步模式。

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。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实际上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。

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。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）发送器

一个字符帧发送需要3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。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。

重点标识位：

        ①TE：发送使能。

        ②TXE：发送寄存器为空，发送单个字节的时候使用。

        ③TC：发送完成，发送多个字节数据的时候使用。

        ④TXIE：发送完成中断使能。

（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。如果USART_CR2寄存器的RXNEIE置1的话可以产生中断。

重点标识位：

        ①RE：接收使能。

        ②RXNE：读数据寄存器非空。

        ③RXNEIE：发送完成中断使能。

4.波特率生成

其中，fPLCK为USART时钟，USARTDIV是一个存放在波特率寄存器（USART_BRR）中的无符号定点数，DIV_Mantissa[11:0]位定义USARTDIV的整数部分，DIV_Fraction[3:0]位定义USARTDIV的小数部分。

选取USART1作为实例，即fPLCK=72MHz，得到115200bps的波特率？

        为得到115200bps的波特率，解得USARTDIV=39.0625

        可算得DIV_Fraction = 0.0625 x 16 = 1 = 0x01，DIV_Mantissa = 39 = 0x17

        即USART_BRR的值为0x171

5.校验控制

STM32F103系列控制器USART支持奇偶校验。当使用校验位时，串口传输的长度将在8位的数据帧加上1位的校验位，总共9位，每个字符帧的格式将变成：起始位+数据帧+校验位+停止位，此时USART_CR1寄存器的M位需要设置为1，即9数据位。

将USART_CR1寄存器的PCE位置1就可以启动奇偶校验控制，奇偶校验由硬件自动完成。启动了奇偶校验控制之后，在发送数据帧时会自动添加校验位，接收数据时自动验证校验位。接收数据时如果出现奇偶校验位验证失败，会将USART_SR寄存器的PE位置1，并可以产生奇偶校验中断。