串口通訊協(xié)議簡(jiǎn)介

串口通訊 (Serial Communication) 是一種設(shè)備間極為常用的串行通訊方式，目前多存在于工控機(jī)及部分通信設(shè)備中。

對(duì)于通訊協(xié)議，以分層的方式來(lái)理解，可以把它分為物理層和協(xié)議層。

物理層規(guī)定通訊系統(tǒng)中具有機(jī)械、電子功能部分的特性，確保原始數(shù)據(jù)在物理媒體的傳輸。

協(xié)議層主要規(guī)定通訊邏輯，統(tǒng)一收發(fā)雙方的數(shù)據(jù)打包、解包標(biāo)準(zhǔn)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)物理層規(guī)定我們用嘴巴還是用肢體來(lái)交流，協(xié)議層則規(guī)定我們用中文還是英文來(lái)交流。

串口通訊的物理層

串口通訊的物理層有很多標(biāo)準(zhǔn)及變種，串口通訊的物理層的主要標(biāo)準(zhǔn)是RS-232標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)定了信號(hào)的用途、通訊接口及信號(hào)的電平標(biāo)準(zhǔn)，其通訊結(jié)構(gòu)如下：

在上面的通訊方式中，兩個(gè)通訊設(shè)備的“DB9接口”之間通過(guò)串口信號(hào)線建立起連接，串口信號(hào)線中使用“RS-232標(biāo)準(zhǔn)”傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。由于RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)不能直接被控制器直接識(shí)別，所以這些信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)“電平轉(zhuǎn)換芯片”轉(zhuǎn)換成控制器能識(shí)別的“TTL 標(biāo)準(zhǔn)”的電平信號(hào)，才能實(shí)現(xiàn)通訊。

1、信號(hào)的電平標(biāo)準(zhǔn)

在設(shè)備內(nèi)部信號(hào)是以TTL電平標(biāo)準(zhǔn)傳輸?shù)?，設(shè)備之間是通過(guò)RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)傳輸?shù)?，而且TTL電平需要經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片才能轉(zhuǎn)化為RS-232電平，RS-232電平轉(zhuǎn)TTL電平也是如此。如圖是TTL電平標(biāo)準(zhǔn)與RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)。

電子電路中常使用 TTL 的電平標(biāo)準(zhǔn)，理想狀態(tài)下，使用 5V 表示二進(jìn)制邏輯 1， 使用 0V 表示邏輯 0；

為了增加串口通訊的遠(yuǎn)距離傳輸及抗干擾能力，所以RS-232信號(hào)線，理想狀態(tài)下，使用-15V 表示邏輯 1， +15V 表示邏輯 0。

2、RS-232 信號(hào)線

在最初的應(yīng)用中，RS-232 串口標(biāo)準(zhǔn)常用于計(jì)算機(jī)、路由與調(diào)制調(diào)解器 (MODEN，俗稱(chēng)“貓”) 之間的通訊，在這種通訊系統(tǒng)中，設(shè)備被分為數(shù)據(jù)終端設(shè)備 DTE(計(jì)算機(jī)、路由) 和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備DCE(調(diào)制調(diào)解器)。在舊式的臺(tái)式計(jì)算機(jī)中一般會(huì)有 RS-232 標(biāo)準(zhǔn)的 COM 口 (也稱(chēng) DB9 接口)，下圖就是電腦主板上的 COM 口及串口線 。

其中接線口以針式引出信號(hào)線的稱(chēng)為公頭，以孔式引出信號(hào)線的稱(chēng)為母頭。在計(jì)算機(jī)中一般引出公頭接口，而在調(diào)制調(diào)解器設(shè)備中引出的一般為母頭，使用上圖中的串口線即可把它與計(jì)算機(jī)連接起來(lái)。通訊時(shí)，串口線中傳輸?shù)男盘?hào)就是使用前面講解的 RS-232 標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制的。

DB9 接口中的公頭及母頭的各個(gè)引腳的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)線接法如下圖。

上表中的是計(jì)算機(jī)端的 DB9 公頭標(biāo)準(zhǔn)接法，由于兩個(gè)通訊設(shè)備之間的收發(fā)信號(hào) (RXD 與 TXD) 應(yīng)交叉相連，所以調(diào)制調(diào)解器端的 DB9 母頭的收發(fā)信號(hào)接法一般與公頭的相反。

串口線中的 RTS、CTS、DSR、DTR 及 DCD 信號(hào)，使用邏輯 1 表示信號(hào)有效，邏輯 0 表示信號(hào)無(wú)效。

例如，當(dāng)計(jì)算機(jī)端控制 DTR 信號(hào)線表示為邏輯 1 時(shí)，它是為了告知遠(yuǎn)端的調(diào)制調(diào)解器，本機(jī)已準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，0 則表示還沒(méi)準(zhǔn)備就緒。

在目前的其它工業(yè)控制使用的串口通訊中，一般只使用 RXD、TXD 以及 GND 三條信號(hào)線，直接傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，而 RTS、CTS、DSR、DTR 及 DCD 信號(hào)都被裁剪掉了。

串口通訊的協(xié)議層

1、數(shù)據(jù)包

串口通訊的數(shù)據(jù)包由發(fā)送設(shè)備通過(guò)自身的 TXD 接口傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備的 RXD 接口。

在串口通訊的協(xié)議層中，規(guī)定了數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，它由啟始位、主體數(shù)據(jù)、校驗(yàn)位以及停止位組成，通訊雙方的數(shù)據(jù)包格式要約定一致才能正常收發(fā)數(shù)據(jù)。

2、波特率

由于異步通信中沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)，所以接收雙方要約定好波特率，即每秒傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)，以便對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，常見(jiàn)的波特率有4800、9600、115200等。STM32中波特率的設(shè)置通過(guò)串口初始化結(jié)構(gòu)體來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3、起始和停止信號(hào)

數(shù)據(jù)包的首尾分別是起始位和停止位，數(shù)據(jù)包的起始信號(hào)由一個(gè)邏輯0的數(shù)據(jù)位表示，停止位信號(hào)可由0.5、1、1.5、2個(gè)邏輯1的數(shù)據(jù)位表示，雙方需約定一致。STM32中起始和停止信號(hào)的設(shè)置也是通過(guò)串口初始化結(jié)構(gòu)體來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4、有效數(shù)據(jù)

在數(shù)據(jù)包的起始位之后緊接著的就是要傳輸?shù)闹黧w數(shù)據(jù)內(nèi)容，也稱(chēng)為有效數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度常被約定為 5、6、7 或 8 位長(zhǎng)。

5、數(shù)據(jù)校驗(yàn)

在有效數(shù)據(jù)之后，有一個(gè)可選的數(shù)據(jù)校驗(yàn)位。由于數(shù)據(jù)通信相對(duì)更容易受到外部干擾導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，可以在傳輸過(guò)程加上校驗(yàn)位來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

校驗(yàn)方法有奇校驗(yàn) (odd)、偶校驗(yàn) (even)、0 校驗(yàn) (space)、1 校驗(yàn) (mark) 以及無(wú)校驗(yàn) (noparity)。

奇校驗(yàn)要求有效數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位中“1”之和的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，比如一個(gè) 8 位長(zhǎng)的有效數(shù)據(jù)為：01101001， 此時(shí)總共有 4 個(gè)“1”，為達(dá)到奇校驗(yàn)效果，校驗(yàn)位為“1”，最后傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將是 8 位的有效數(shù)據(jù)加上 1 位的校驗(yàn)位總共 9 位。

偶校驗(yàn)與奇校驗(yàn)要求剛好相反，要求幀數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位中“1”之和的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，比如數(shù)據(jù)幀：11001010， 此時(shí)數(shù)據(jù)幀“1”的個(gè)數(shù)為 4 個(gè)，所以偶校驗(yàn)位為“0”。

0 校驗(yàn)是不管有效數(shù)據(jù)中的內(nèi)容是什么，校驗(yàn)位總為“0”。

1 校驗(yàn)是不管有效數(shù)據(jù)中的內(nèi)容是什么，校驗(yàn)位總為“1”。

STM32 的 USART 簡(jiǎn)介

通用同步異步收發(fā)器 (Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter) 是一個(gè)串行通信設(shè)備，可以靈活地與外部設(shè)備進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)交換。

UART(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)跟 USART不一樣的是：它是在 USART 基礎(chǔ)上裁剪掉了同步通信功能，只有異步通信。簡(jiǎn)單區(qū)分同步和異步就是看通信時(shí)需不需要對(duì)外提供時(shí)鐘輸出，我們平時(shí)用的串口通信基本都是UART。

串行通信一般是以幀格式傳輸數(shù)據(jù)，即是一幀一幀的傳輸，每幀包含有起始信號(hào)、數(shù)據(jù)信息、停止信號(hào)，可能還有校驗(yàn)信息。USART 就是對(duì)這些傳輸參數(shù)有具體規(guī)定，當(dāng)然也不是只有唯一一 個(gè)參數(shù)值，很多參數(shù)值都可以自定義設(shè)置，只是增強(qiáng)它的兼容性。

USART 滿足外部設(shè)備對(duì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) NRZ 異步串行數(shù)據(jù)格式的要求，并且使用了小數(shù)波特率發(fā)生器，可以提供多種波特率，使得它的應(yīng)用更加廣泛。

USART不僅支持同步單向通信和半雙工單線通信，也支持LIN(局部互連網(wǎng))，智能卡協(xié)議和IrDA(紅外數(shù)據(jù)組織)SIR ENDEC規(guī)范，以及調(diào)制解調(diào)器(CTS/RTS)操作。它還允許多處理器通信。USART 支持使用 DMA，可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。

STM32在硬件設(shè)計(jì)時(shí)一般都會(huì)預(yù)留一個(gè) USART 通信接口連接電腦，用于在調(diào)試程序是可以把一些調(diào)試信息“打印”在電腦端的串口調(diào)試助手工具上，從而來(lái)用串口調(diào)試助手來(lái)驗(yàn)證自己的程序是否出了問(wèn)題。

USART功能概述

接口通過(guò)三個(gè)引腳與其他設(shè)備連接在一起USART框圖。任何USART雙向通信至少需要兩個(gè)腳：接收數(shù)據(jù)輸入(RX)和發(fā)送數(shù)據(jù)輸出(TX)。

RX：接收數(shù)據(jù)串行輸入。通過(guò)過(guò)采樣技術(shù)來(lái)區(qū)別數(shù)據(jù)和噪音，從而恢復(fù)數(shù)據(jù)。

TX：發(fā)送數(shù)據(jù)輸出。當(dāng)發(fā)送器被禁止時(shí)，輸出引腳恢復(fù)到它的I/O端口配置。當(dāng)發(fā)送器被激活，并且不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，TX引腳處于高電平。在單線和智能卡模式里，此I/O口被同時(shí)用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

● 總線在發(fā)送或接收前應(yīng)處于空閑狀態(tài)

● 一個(gè)起始位

● 一個(gè)數(shù)據(jù)字(8或9位)，最低有效位在前

● 0.5，1.5，2個(gè)的停止位，由此表明數(shù)據(jù)幀的結(jié)束

● 使用分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器 —— 12位整數(shù)和4位小數(shù)的表示方法。

● 一個(gè)狀態(tài)寄存器(USART_SR)

● 數(shù)據(jù)寄存器(USART_DR)

● 一個(gè)波特率寄存器(USART_BRR)，12位的整數(shù)和4位小數(shù)

● 一個(gè)智能卡模式下的保護(hù)時(shí)間寄存器(USART_GTPR)

USART框圖

功能引腳

TX：發(fā)送數(shù)據(jù)輸出引腳。

RX：接收數(shù)據(jù)輸入引腳。

SW_RX：數(shù)據(jù)接收引腳，只用于單線和智能卡模式，屬于內(nèi)部引腳，沒(méi)有具體外部引腳。

nRTS：請(qǐng)求以發(fā)送 (Request To Send)，n 表示低電平有效。如果使能 RTS 流控制，當(dāng) USART 接收器準(zhǔn)備好接收新數(shù)據(jù)時(shí)就會(huì)將 nRTS 變成低電平；當(dāng)接收寄存器已滿時(shí)，nRTS 將被設(shè)置為高電平。該引腳只適用于硬件流控制。

nCTS：清除以發(fā)送 (Clear To Send)，n 表示低電平有效。如果使能 CTS 流控制，發(fā)送器在發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)之前會(huì)檢測(cè) nCTS 引腳，如果為低電平，表示可以發(fā)送數(shù)據(jù)，如果為高電平則在發(fā)送完當(dāng)前數(shù)據(jù)幀之后停止發(fā)送。該引腳只適用于硬件流控制。

SCLK：發(fā)送器時(shí)鐘輸出引腳。這個(gè)引腳僅適用于同步模式。

STM32F103ZET6 系統(tǒng)控制器有三個(gè) USART 和兩個(gè) UART，其中 USART1 和時(shí)鐘來(lái)源于 APB2 總線時(shí)鐘，其最大頻率為 72MHz，其他四個(gè)的時(shí)鐘來(lái)源于 APB1 總線時(shí)鐘，其最大頻率為 36MHz。UART 只是異步傳輸功能，所以沒(méi)有 SCLK、nCTS 和 nRTS 功能引腳。

與USART有關(guān)的寄存器

USART寄存器地址映像

USART寄存器描述

1、USART狀態(tài)控制器(USART_SR)

2、數(shù)據(jù)寄存器（USART_DR）

3、波特比率寄存器(USART_BRR)

4、控制寄存器 1(USART_CR1)

5、控制寄存器 2(USART_CR2)

6、控制寄存器 3(USART_CR3)

使用寄存器來(lái)配置USART

數(shù)據(jù)寄存器

USART 數(shù)據(jù)寄存器 (USART_DR) 只有低 9 位有效，并且第 9 位數(shù)據(jù)是否有效要取決于 USART 控制寄存器 1(USART_CR1) 的 M 位設(shè)置，當(dāng) M 位為 0 時(shí)表示 8 位數(shù)據(jù)字長(zhǎng)，當(dāng) M 位為 1 表示 9 位 數(shù)據(jù)字長(zhǎng)，我們一般使用 8 位數(shù)據(jù)字長(zhǎng)。USART_DR 包含了已發(fā)送的數(shù)據(jù)或者接收到的數(shù)據(jù)。USART_DR 實(shí)際是包含了兩個(gè)寄存器，一 個(gè)是專(zhuān)門(mén)用于發(fā)送的可寫(xiě) TDR，另一個(gè)是專(zhuān)門(mén)用于接收的可讀 RDR。當(dāng)進(jìn)行發(fā)送操作時(shí)，往USART_DR 寫(xiě)入數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)在 TDR 內(nèi)；當(dāng)進(jìn)行讀取操作時(shí)，向 USART_DR 讀取數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)提取 RDR 數(shù)據(jù)。

TDR 和 RDR 都是介于系統(tǒng)總線和移位寄存器之間。串行通信是一個(gè)位緊接著一個(gè)位傳輸?shù)摹?/p>

發(fā)送時(shí)把 TDR 內(nèi)容轉(zhuǎn)移到發(fā)送移位寄存器，然后把移位寄存器數(shù)據(jù)每一位發(fā)送出去；接收時(shí)把

接收到的 每一位順序保存在接收移位寄存器內(nèi)然后才轉(zhuǎn)移到 RDR。

USART 支持 DMA 傳輸，可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

控制器

USART 有專(zhuān)門(mén)控制發(fā)送的發(fā)送器、控制接收的接收器，還有喚醒單元、中斷控制等等。使用 USART 之前需要向 USART_CR1 寄存器的 UE 位置 1 使能 USART，UE 位用來(lái)開(kāi)啟供給給串口 的時(shí)鐘。發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)字長(zhǎng)可選 8 位或 9 位，由 USART_CR1 的 M 位控制。

發(fā)送器

當(dāng) USART_CR1 寄存器的發(fā)送使能位 TE 置 1 時(shí)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送，發(fā)送移位寄存器的數(shù)據(jù)會(huì)在 TX 引腳輸出，低位在前，高位在后。如果是同步模式 SCLK 也輸出時(shí)鐘信號(hào)。

一個(gè)字符幀發(fā)送需要三個(gè)部分：起始位 + 數(shù)據(jù)幀 + 停止位。起始位是一個(gè)位周期的低電平，位周期就是每一位占用的時(shí)間；數(shù)據(jù)幀就是我們要發(fā)送的 8 位或 9 位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是從最低位開(kāi)始傳輸?shù)?；停止位是一定時(shí)間周期的高電平。

停止位時(shí)間長(zhǎng)短是可以通過(guò) USART 控制寄存器 2(USART_CR2) 的 STOP[1:0] 位控制，可選 0.5 個(gè)、1 個(gè)、1.5 個(gè)和 2 個(gè)停止位。默認(rèn)使用 1 個(gè)停止位。2 個(gè)停止位適用于正常 USART 模式、單線模式和調(diào)制解調(diào)器模式。0.5 個(gè)和 1.5 個(gè)停止位用于智能卡模式。當(dāng)選擇 8 位字長(zhǎng)，使用 1 個(gè)停止位時(shí)，具體發(fā)送字符時(shí)序圖見(jiàn)圖字符發(fā)送時(shí)序圖 。

例如：當(dāng)選擇 8 位字長(zhǎng)，使用 1 個(gè)停止位時(shí)，具體發(fā)送字符時(shí)序圖見(jiàn)圖字符發(fā)送時(shí)序圖 。

當(dāng)發(fā)送使能位 TE 置 1 之后，發(fā)送器開(kāi)始會(huì)先發(fā)送一個(gè)空閑幀 (一個(gè)數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度的高電平)，接下來(lái)就可以往 USART_DR 寄存器寫(xiě)入要發(fā)送的數(shù)據(jù)。在寫(xiě)入最后一個(gè)數(shù)據(jù)后，需要等待 USART 狀態(tài)寄存器 (USART_SR) 的 TC 位為 1，表示數(shù)據(jù)傳輸完成，如果 USART_CR1 寄存器的 TCIE 位置 1，將產(chǎn)生中斷。

在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，編程的時(shí)候有幾個(gè)比較重要的標(biāo)志位我們來(lái)總結(jié)下。

接收器

如果將 USART_CR1 寄存器的 RE 位置 1，使能 USART 接收，使得接收器在 RX 線開(kāi)始搜索起始位。在確定到起始位后就根據(jù) RX 線電平狀態(tài)把數(shù)據(jù)存放在接收移位寄存器內(nèi)。接收完成后就把接收移位寄存器數(shù)據(jù)移到 RDR 內(nèi)，并把 USART_SR 寄存器的 RXNE 位置 1，同時(shí)如果 USART_CR2 寄存器的 RXNEIE 置 1 的話可以產(chǎn)生中斷。

在接收數(shù)據(jù)時(shí)，編程的時(shí)候有幾個(gè)比較重要的標(biāo)志位我們來(lái)總結(jié)下。

USARTDIV的計(jì)算

波特率指數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制速率，它用單位時(shí)間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變次數(shù)來(lái)表示，單位為比特。比特率指單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)，單位 bit/s(bps)。對(duì)于 USART 波特率與比特率相等，所以可以將波特率和比特率作為同一個(gè)概念。波特率越大，傳輸速率越快。 USART 的發(fā)送器和接收器需要使用相同的波特率。

計(jì)算公式如下：

其中，fPLCK為 USART 時(shí)鐘，USARTDIV 是一個(gè)存放在波特率寄存器 (USART_BRR) 的一個(gè)無(wú)符號(hào)定點(diǎn)數(shù)。其中 DIV_Mantissa[11:0] 位定義 USARTDIV 的整數(shù)部分，DIV_Fraction[3:0] 位定義USARTDIV 的小數(shù)部分。

例如：DIV_Mantissa=24(0x18)，DIV_Fraction=10(0x0A)，此時(shí) USART_BRR 值為 0x18A；那么 USARTDIV 的小數(shù)位 10/16=0.625；整數(shù)位 24，最終 USARTDIV 的值為 24.625。

如果知道 USARTDIV 值為 27.68，那么 DIV_Fraction=16*0.68=10.88，最接近的正整數(shù)為 11，所以 DIV_Fraction[3:0] 為 0xB；DIV_Mantissa= 整數(shù) (27.68)=27，即為 0x1B。

波特率的常用值有 2400、9600、19200、115200。下面以實(shí)例講解如何設(shè)定寄存器值得到波特率的值。

我們知道 USART1 使用 APB2 總線時(shí)鐘，最高可達(dá) 72MHz，其他 USART 的最高頻率為 36MHz。

我們選取 USART1 作為實(shí)例講解，即fPLCK=72MHz。為得到 115200bps 的波特率，此時(shí)：

115200=72000000/16*USARTDIV

解得USARTDIV=39.0625，可算得 DIV_Fraction=0.0625*16=1=0x01，DIV_Mantissa=39=0x27，即應(yīng)該設(shè)置 USART_BRR 的值為 0x271。