UART串口通讯协议

原创已于 2025-10-20 20:18:51 修改 · 639 阅读

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#单片机 #嵌入式硬件

于 2025-10-20 19:36:06 首次发布

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硬件UART：

1.传输方式：

串行传输，低位先行。

2.传输类型：

帧传输。有校验位则9位一帧，无校验位则8位一帧。

3.引脚数：2

4.波特率：

一秒钟能传输的bit个数。

波特率 = 外设时钟频率÷ 分频系数 ÷16。

外设时钟是指外挂载总线APB1或APB2的时钟，两者频率不同。

要÷16是因为在读取数据时，一位bit需要16个时钟采样，来防止/判断噪音。
所以÷16得到波特率，是为了保证系统时钟能够有足够快的频率，保证对每bit的传输都×16倍时间去检测，得到真正的一位bit发送接收时间。
不然假设16MHz的外设时钟，不分频得到波特率，那么实际一位的时间需要16*16Mhz的时钟才能正确发送，但这已经远远超出了外设时钟的上限（个人理解）（1MHz = 1 000 000 Hz）

5.停止位时间：

发送一个字节数据（8bit）之后，停止位占多少个bit时钟周期（0.5，1，1.5，2），一般1个。（结构体初始化时配置）

6.字节长度：

8位、9位。一般8位不加校验位，9位加校验位。

7.DR寄存器：

内分发送数据寄存器+发送移位寄存器、接收寄存器+接收移位寄存器。

对软件代码而言，收发都是访问DR地址，不对其内部的地址进行细分。也就是一个地址两种功能，Rdata = DR就是接收；DR = Tdata就是发送。具体逻辑由硬件判断。

发送流程：

①调用函数判断发送数据移位寄存器是否空（标志位TXE—TE Empty空），判断数据有(1)没有(0)从发送数据寄存器被硬件自动转移到发送移位数据寄存器。

②空的话则把数据发送给DR（赋值给DR ： DR = Tdata）。

③为了下一次方便发送的话，可以在每次发送后等待TXE=1（即发送移位寄存器空），让下一次数据进来的时候不用等待，直接发送。

接收流程：

①调用函数判断接收数据寄存器是否非空（标志位TXNE — TX Not Empyt ）,判断数据有(1)没有(0)从接收移位寄存器被硬件自动转移到接收数据寄存器

②读取值为1（非空）的话，就要读取接收寄存器的数据（Rdata = DR）

③在接收寄存器内数据时（RXNE == 1），对寄存器进行读取，会自动清除标志位

8空闲状态：

TX高电平

9.启动与发送：

启动：TX拉低，并保持一个bit周期，在这个TX拉低开始后，会有16个时钟来采样后续的1bit周期内的TX电平，来确定这个启动是真的启动而不是电平不稳导致。

发送：启动之后的8/9bit时间用于数据的发送，流程也是1bit时间有16个时钟采样才确定最终发送数据。

1bit时间内的16个时钟采样吗，分别在第3、5、7、8、9、10这6个时间内采样，由8、9、10决定最终采样结果：3个相同采样电平则是采样结果，其余按2：1多数发送。

在启动模式时，如果3个采样不是全0，而是2个0与1个1，会产生一个噪音标志位NE（NOISE ERROR）

数据发送：在1bit时间的中间时间段拉高SCL，表示发送数据。（在中间更能保证数据是稳定而非翻转不及时导致）

STM32F103C8T6所有的USART资源：

APB2：USART1；

APB1：USART2，USART3；

对应引脚（不使用—>不考虑其他应引脚）

USART1：RX（PA10），TX（PA9）；

USART2：RX（PA3），TX（PA2）；

USART3：RX（PB11），TX（PB10）；

10.配置流程：

开启外设时钟——>利用结构体初始化

①开启USART1的外设时钟

②定义结构体，初始化结构体参数（波特率、收发模式、停止位时间、奇偶校验、数据字长、数据流控制（没用到？待研究））

③用结构体初始化USART1

代码（USART1，只发不收）

usart.c

#include "usart.h"

/* 初始化 USART1：PA9 TX, PA10 RX */
void USART1_Init(uint32_t  baud)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

    /* 使能时钟 */
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    /* PA9 TX AF 推挽 */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    /* PA10 RX 输入浮空 */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    /* USART 参数 */
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = baud;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

    /* 使能 USART */
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

/* 阻塞发送一个字节（等 TC） */
void USART1_SendByte(uint8_t ch)
{
    USART_SendData(USART1, ch);
    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET);
}

// 发送字符串
void USART1_SendString(char *str)
{
    while (*str)
    {
        while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
        USART_SendData(USART1, *str++);
    }
}

// 发送数据缓冲区
void USART1_SendDataBuffer(uint8_t *buffer, uint16_t length)
{
    uint16_t i;
    for (i = 0; i < length; i++)
    {
        while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
        USART_SendData(USART1, buffer[i]);
    }
}

usart.h

#ifndef __USART_H
#define __USART_H

#include "stm32f10x.h"
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

void USART1_Init(uint32_t baud);
void USART1_SendByte(uint8_t ch);
void USART1_SendString(char *str);
void USART1_SendDataBuffer(uint8_t *buffer, uint16_t length);

#endif

重定向printf（放在usart.c中即可）

/* 重定向 printf 到 USART1 */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    USART1_SendByte((uint8_t)ch);
    return ch;
}

main.c

#include "stm32f10x.h"
#include "usart.h"

int main(void)
{
    USART1_Init(115200);
    
    while(1)
    {
            printf("你好\r\n");     
    }
}