剖析單片機串口最底層的本質(zhì)?

嵌入式開發(fā)中，UART串口是最常見的一種通信接口，你知道為啥串口這么常見嗎？本文就帶你深入了解串口最底層的本質(zhì)內(nèi)容。

一、什么是串口通訊？

串行通訊是指僅用一根接收線和一根發(fā)送線就能將數(shù)據(jù)以位進行傳輸?shù)囊环N通訊方式。盡管串行通訊的比按字節(jié)傳輸?shù)牟⑿?a target="_blank">通信慢，但是串口可以在僅僅使用兩根線的情況下就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

典型的串口通信使用3根線完成，分別是地線、發(fā)送、接收。由于串口通信是異步的，所以端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時在另一根線上接收數(shù)據(jù)。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶的校驗。對于兩個需要進行串口通信的端口，這些參數(shù)必須匹配，這也是能夠?qū)崿F(xiàn)串口通訊的前提。

圖1：串行通訊示數(shù)據(jù)傳輸意圖

二、串口通訊的通訊協(xié)議？

最初數(shù)據(jù)是模擬信號輸出簡單過程量，后來儀表接口出現(xiàn)了RS232接口，這種接口可以實現(xiàn)點對點的通信方式，但這種方式不能實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，這就促生了RS485。

我們知道串口通信的數(shù)據(jù)傳輸都是0和1，在單總線、I2C、UART中都是通過一根線的高低電平來判斷邏輯1或者邏輯0，但這種信號線的GND再與其他設備形成共地模式的通信，這種共地模式傳輸容易產(chǎn)生干擾，并且抗干擾性能也比較弱。所以差分通信、支持多機通信、抗干擾強的RS485就被廣泛的使用了。

RS485通信最大特點就是傳輸速度可以達到10Mb/s以上，傳輸距離可以達到3000米左右。大家需要注意的是雖然485最大速度和最大傳輸距離都很大，但是傳輸?shù)乃俣仁菚S距離的增加而變慢的，所以兩者是不可以兼得的。

三、串口通訊的物理層

串口通訊的物理層有很多標準，例如上面提到的，我們主要講解RS-232標準，RS-232標準主要規(guī)定了信號的用途、通訊接口以及信號的電平標準。

在上面的通訊方式中，兩個通訊設備的"DB9接口"之間通過串口信號線建立起連接，串口信號線中使用"RS-232標準"傳輸數(shù)據(jù)信號。由于RS-232電平標準的信號不能直接被控制器直接識別，所以這些信號會經(jīng)過一個"電平轉(zhuǎn)換芯片"轉(zhuǎn)換成控制器能識別的"TTL校準"的電平信號，才能實現(xiàn)通訊。

下圖為DB9標準串口通訊接口：

DB9引腳說明：

上表中的是計算機端的DB9公頭標準接法，由于兩個通訊設備之間的收發(fā)信號(RXD與TXD)應交叉相連，所以調(diào)制調(diào)解器端的DB9母頭的收發(fā)信號接法一般與公頭的相反，兩個設備之間連接時，只要使用"直通型"的串口線連接起來即可。

串口線中的RTS、CTS、DSR、DTR及DCD信號，使用邏輯 1表示信號有效，邏輯0表示信號無效。例如，當計算機端控制DTR信號線表示為邏輯1時，它是為了告知遠端的調(diào)制調(diào)解器，本機已準備好接收數(shù)據(jù)，0則表示還沒準備就緒。

四、波特率

波特率是指數(shù)據(jù)信號對載波的調(diào)制速率，它用單位時間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變的次數(shù)來表示；

比如波特率為9600bps；代表的就是每秒中傳輸9600bit，也就是相當于每一秒中劃分成了9600等份。

因此，那么每1bit的時間就是1/9600秒=104.1666...us。約0.1ms。既然是9600等份，即每1bit緊接著下一個比特，不存在額外的間隔。兩臺設備要想實現(xiàn)串口通訊，這收發(fā)端設置的波特率必須相同，否則是沒辦法實現(xiàn)通訊的。

收發(fā)波特率一致可以實現(xiàn)通訊：

收發(fā)波特率不一致，導致RX端不能正常接收：

五、串口通訊的數(shù)據(jù)結構

起始位： 起始位必須是持續(xù)一個比特時間的邏輯0電平，標志傳輸一個字符的開始，接收方可用起始位使自己的接收時鐘與發(fā)送方的數(shù)據(jù)同步。

數(shù)據(jù)位： 數(shù)據(jù)位緊跟在起始位之后，是通信中的真正有效信息。數(shù)據(jù)位的位數(shù)可以由通信雙方共同約定。傳輸數(shù)據(jù)時先傳送字符的低位，后傳送字符的高位。

奇偶校驗位： 奇偶校驗位僅占一位，用于進行奇校驗或偶校驗，奇偶檢驗位不是必須有的。如果是奇校驗，需要保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有奇數(shù)個邏輯高位；如果是偶校驗，需要保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有偶數(shù)個邏輯高位。

停止位： 停止位可以是是1位、1.5位或2位，可以由軟件設定。它一定是邏輯1電平，標志著傳輸一個字符的結束。

空閑位： 空閑位是指從一個字符的停止位結束到下一個字符的起始位開始，表示線路處于空閑狀態(tài)，必須由高電平來填充。

六、單雙工通訊

單工： 數(shù)據(jù)傳輸只支持數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸；

半雙工： 允許數(shù)據(jù)在兩個方向上傳輸，但某一時刻只允許數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸，實際上是一種切換方向的單工通信，不需要獨立的接收端和發(fā)送端，兩者可合并為一個端口；

全雙工： 允許數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳輸，因此全雙工通信是兩個單工方式的結合，需要獨立的接收端和發(fā)送端。

七、STM32中的串口通訊

STM32串口通信接口有兩種，分別是：UART(通用異步收發(fā)器)、USART(通用同步異步收發(fā)器)，對于大容量STM32F10x系列芯片，分別由3個USART和兩個UART。

對于兩芯片的間的連接，兩個芯片GND共地，同時TXD和RXD交叉連接，這樣兩個芯片間可進行TTL電平通信。

但如果對于芯片和PC機相連，除了共地條件外，不能使用如上的直接交叉連接，雖然兩者都有TXD和RXD引腳，但通常PC機使用的是RS232接口（9針），通常是TXC和RXD經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換得到，故如果要使芯片與PC機的RS232接口直接通信，需要將芯片的輸入輸出端口也電平轉(zhuǎn)換為RS232類型，再交叉連接，二者的電平標準不同：

單片機的點評標準(TTL電平）：+5V表示1，0V表示0；RS232電平標準：+15/+13V表示0，-15/-13表示1。

因此單片機與PC機進行串口通信應該遵循：在單片機串口與上位機給出的RS232口之間，通過電平轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)TTL電平與RS232電平間的轉(zhuǎn)換。如果使用USB轉(zhuǎn)串口也可以實現(xiàn)串口通訊，USB轉(zhuǎn)串口電路圖如下所示。

來源：嵌入式資訊精選
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審核編輯 黃宇