如何實(shí)現(xiàn)USART串口通信

　　串口通訊（Serial Communication）是一種設(shè)備間非常常用的串行通訊方式，因?yàn)樗?jiǎn)單便捷，大部分電子設(shè)備都支持該通訊方式，電子工程師在調(diào)試設(shè)備時(shí)也經(jīng)常使用該通訊方式輸出調(diào)試信息。

　　在計(jì)算機(jī)科學(xué)里，大部分復(fù)雜的問(wèn)題都可以通過(guò)分層來(lái)簡(jiǎn)化。如芯片被分為內(nèi)核層和片上外設(shè)；STM32標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)則是在寄存器與用戶代碼之間的軟件層。對(duì)于通訊協(xié)議，我們也以分層的方式來(lái)理解，最基本的是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)。

　　物理層：

　　串口通訊的物理層有很多標(biāo)準(zhǔn)及變種，我們主要講解 RS-232 標(biāo)準(zhǔn) ，RS-232標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了信號(hào)的用途、通訊接口以及信號(hào)的電平標(biāo)準(zhǔn)。

　　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校準(zhǔn)”的電平信號(hào)，才能實(shí)現(xiàn)通訊。

　　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。

　　協(xié)議層：

　　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)。

　　串口異步通訊，異步通訊中由于沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)（如前面講解的 DB9接口中是沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)的），所以兩個(gè)通訊設(shè)備之間需要約定好波特率，即每個(gè)碼元的長(zhǎng)度，以便對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，上圖中的每一格就是代表一個(gè)碼元。常見(jiàn)的波特率為 4800、9600、115200等。

　　串口通訊的一個(gè)數(shù)據(jù)包從起始信號(hào)開(kāi)始，直到停止信號(hào)結(jié)束。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，而數(shù)據(jù)包的停止信號(hào)可由 0.5、1、1.5或 2個(gè)邏輯 1的數(shù)據(jù)位表示，只要雙方約定一致即可。

　　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)。

　　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）。上圖就是無(wú)校驗(yàn)位的數(shù)據(jù)幀，在我日常使用中通常都配置成無(wú)校驗(yàn)的模式。

　　STM32芯片具有多個(gè)USART外設(shè)用于串口通訊，它是Universal SynchronousAsynchronous Receiver and Transmitter的縮寫(xiě)，即通用同步異步收發(fā)器可以靈活地與外部設(shè)備進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)交換。有別于 USART，它還有具有 UART 外設(shè)（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter），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。