STM32学习USART之基础篇

Posted 2022-05-11 HQYJ_

今天分享USART设计前的基础知识。

下面我们先来了解一下有关通信的基本概念：

通信：两个设备之间进行数据交换时，称这个过程为两个设备间的通信。

并行通信：设备之间的数据是以一位一位的二进制数进行传输的，并行通信的方式就是传输的二进制数同时从主机发送，然后同时到达从机，其优点就是传输速度快、效率高，但当需要传输很多位数据时，就需要很多根数据线，造成成本偏高，还有就是其传输距离不远。

早期的打印机就使用并口来传输数据。下图为并口数据线：

串行通信：两设备之间的数据是一位一位的从主机发送，然后一位一位的到达从机，数据传送可在一根线上进行传输，其传输速度相对并行通信较慢，但其优点是成本低，可以远距离传输。下图为9针串口数据线。

串行通信的分类：当在串行通信方式下，发送数据是在时钟的控制下进行的，当主机和从机都用同一时钟(时钟的相位和幅值均相同)来进行数据传输时，称这种方式为同步串行通信。当主机和从机不使用同一时钟来进行数据传输时，称这种方式为异步串行通信方式。

主机：两个设备进行通信时，对另一个设备发送数据的设备称为主机。
从机：两个设备进行通信时，接收数据的设备称为从机。

我们已经知道并行通信方式虽然传输速度快，但传输数据位数多时，其所需要的数据线就很多，成本偏高，传输距离远，然而串行通信因其成本低，需要数据线少，传输距离远，而且随着技术的发展串行通信的数据传输速度也变得很快了，有些甚至比并行通信传输速度更快了，所以基于这些优点，串行通信的方式被广泛的使用。下面我们重点介绍串行通信。

串行通信

串行通信因其优势突出，被广泛运用，因此产生了一些串行通信的接口标准，如RS-232标准、RS-485标准、RS-422标准等，各个标准在使用过程中又衍生出了一些子标准，如RS-232标准下又有RS-232C类型等，因其各个标准特点不同，所以使用场合也就不同了，但相对于其他标准，RS-232使用较广泛(如大家的台式电脑主机后都有一个RS-232接口)，所以下面我们就以RS-232为例给大家进行介绍。

RS-232是串行通信的一种标准，在RS-232标准中主要规定了其通信接口、信号的电平标准、信号的用途。下图描述了基于RS-232标准的两设备之间的通信原理图：

从上图我们可以了解两个串口设备1和设备2之间使用RS-232标准进行通信的原理，因为控制器1/2使用TTL电平标准(正逻辑标准，逻辑“0”为0V，逻辑“1”为5V)，但RS-232标准使用的是电平标准是负逻辑标准(逻辑“0”为+3至+15V，逻辑“1”为-3至-15V)，所以当使用RS-232标准对这两个串行设备进行数据传输时，就需要在RS-232接口与控制器之间接一个电平转换芯片，两设备之间通过RS-232接口线连接(有25针或9针接口)，这样才能确保两设备正常通信。下面我们分别介绍一下RS-232标准的接口标准和电平标准。

1. 接口标准

RS-232标准有两种接口定义，一种为DB25接口，一种为DB9接口，DB25接口现已很少使用，大多数都使用DB9接口，下面我们对这两种接口进行介绍：
DB25接口

接口的各个引脚含义如上图所示，其中第2脚和第3脚分别为数据发送和接收脚，第7脚为信号地，其他脚为一些状态标志引脚，在使用时，将接口线对应接在两个设备上，即可正常通信。

DB9接口

从上图可以看出，DB9接口对DB25接口进行了简化，同样也能传输数据，且DB9被广泛使用，下面我们对DB9的各个引脚功能进行简要说明。
第一脚(DCD):

该引脚为接收线路信号检测，该信号是从发送设备->接收设备，用于告知接收设备是否收到载波信号。

第二脚(RXD):

数据接收引脚，用于接收数据。

第三脚(TXD):

数据发送引脚，用于发送数据。

第四脚(DTR):

数据终端准备就绪引脚，用于告知接收设备，发送设备是否准备就绪。

第五脚(SG):

信号地，用于给两个设备共地，因为两个设备之间地电位可能不一致，不一致就会影响数据收发的电平信号，所以必须给两设备进行共地，保证数据的正确传输。

第六脚(DSR):

数据准备好引脚，该信号用于接收设备告知发送设备数据发送准备就绪，随时可以发送数据。

第七脚(RTS):

请求发送引脚，该信号用于发送设备请求向接收设备发送数据。

第八脚(CTS):

清除发送引脚，该信号用于接收设备告知发送设备是否可以发送数据。

第九脚(RT):

振铃提示，表示接收端与线路已经接通。

在两个设备通信时，发送设备的TXD应该接接收设备的RXD，发送设备的RXD应该接接收设备的TXD，SG接SG，在现在的串口通信中，一般就使用这三根线来传输数据信号，具体接线图如下所示：

按上图对应接线正确，两设备就可正常通信。
2. 电平标准

前已提及，RS-232采用的是负逻辑电平标准，所以两设备(使用TTL电平)之间进行串口通信时，必须外加一个电平转换芯片(如MAX232)，才能保证通信成功，下面我们介绍RS-232的电平标准。

RS-232标准规定：

逻辑“1”电平为：-5—-15V或-3—-12V

逻辑“0”电平为：+5—+15V或+3—+12V

TTL电平规定(5V)：

逻辑“1”电平为：+2.4—+5V

逻辑“0”电平为：0—0.5V

当用不同电平表示同一逻辑信号时，可用下图对比：

上面讲了两个设备进行串口通信的硬件支持部分，那么两个设备间传输数据应该遵守一些规定，如开始和停止条件、传输数据的位数、传输数据的快慢(波特率)、数据校验等等，只有双方都遵循这些规定，才能使传输数据不容易出错，更加能保证通信过程的顺利进行。因此我们需要对这些规定有一定的了解。

3. 串行通信的分类

1. 同步通信

这种通信方式要求发送设备和接收设备的工作时钟频率一致，发送数据时一般要有一至两个同步字符，保证两设备时钟频率一致后然后开始传输数据，最后为校验位。该种方式可用下图表示：

2) 异步通信

这种通信方式不要求发送设备和接收设备的工作时钟频率一致，发送数据要有一个开始位，然后为数据位，后面有一个校验位和停止位，相邻两个数据之间常会有空闲位，其方式可用下图描述：

4.串行通信的方式

1. 单工通信：

两个设备之间数据传输时，数据只能从一个设备发送到另一个设备，收发固定，不能互换。可用下图表示上述传输过程：

2) 半双工通信：

两个设备之间数据传输时，两个设备都可以作为发送方或接收方，但同一时刻数据只能从一个设备发送到另一个设备。其数据传输线可以是一条或者两条。可用下图表示上述传输过程：

3)全双工通信：

两个设备之间进行数据传输时，双方都可以作为发送方或接收方，双方可同时双向传输数据，有两条数据传输线。可用下图表示上述传输过程：

5.数据传输协议

因串行同步通信方式对时钟要求很高，若两个设备间时钟频率稍有不一致，则会造成数据错误，所以我们一般都使用串行异步通信，这样对时钟要求就没那么严格，可以为我们使用，前已提及，两个设备间进行数据传输时，需要遵守一些约定，这样能保证数据正确发送，那么下面我们就来介绍一下这个约定。

1. 波特率

波特率为每秒钟传送二进制数码的位数，也称为比特率，单位为b/s，位/秒，它反映了数据传输的速度，波特率越高，数据传送越快，两设备进行数据传输时，需要把发送设备波特率和接收设备波特率设为一致，这样才能保证发送数据的速度和接收数据的速度一致，从而保证通信的正确进行。

我们常用的波特率为300b/s、600b/s、1200b/s、2400b/s、4800b/s、9600b/s、115200b/s。

2. 起始位

两设备要传输数据时，发送方要先发一个起始位告知对方我要发数据了，这样接收方才知道发送方要发数据了，就准备接收数据。起始位为一位二进制位，规定逻辑“0”为起始位。

3. 数据位

当发送一个起始位之后，接收方知道发送方要发送数据了，准备好之后，发送方就开始发数据了，数据位可以是5个二进制位或者6/7/8个二进制位，我们常取8个二进制位作为数据位，发送数据时，先发送低位后发送高位。

4. 校验位

数据发送完之后，需要判断数据是否和发送方发送的一致，用一个二进制位表示校验位，常用的校验方式有奇校验、偶校验等，奇校验要求数据位和校验位“1”的个数为奇数，偶校验要求数据位和校验位“1”的个数为偶数，校验位可一定程度解决数据出错问题，但也会有误差，当然也可以不设定校验位。

5. 结束位

当一次数据发送完毕后，发送方需要告知接收方这一次数据发送完毕，常用1位或2位二进制位表示，用逻辑“1”表示停止位。

当双方达成约定后，两个设备就可以进行数据传输了。

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