3-USART
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第2章 UART异步串行通信
2.1 课前准备
2.1.1 学习方向
- 通信描述方式
- 什么是UART
- 为什么使用串口
- 怎么使用串口
- UART相关寄存器
- UART配置
- 实验
什么是串口 怎么配置串口 在什么情况下用串口
实验现象：使用UART和电脑（串口助手）进行通信
2.1.2 参考资料
原理图
芯片手册
《STM32F4xx中文参考手册》--26章节（USART）
2.1.3 常见通信的描述方式
通信协议：标准型（通用）串口 非标准型
通信的目的：一个设备和另一个设备发送数据，
协议：制定的规则，通信双方都要遵循这个规则
- 同步/异步
同步： 在通信过程中，通信双方需要同一时钟频率下（都会连接同一根时钟线）
异步： 在通信过程中，通信双方可以不在同一时钟频率下（不代表设备没有时钟）
例：A和B两个设备
同步：A和B打电话，双方都要接电话才能通信，其中一方挂断或不接就，就无法通信。
异步：A和B发邮箱，A发完之后可以去做其他事情，B有空时来查看或回复A。
如何去判断两个设备进行通信时同步，还是异步（判断是否有时钟线）。
同步需要时钟线，异步可以不需要时钟线，双方设备都有自己的时钟电路，必须在相同传输速率下进行通信，不然可能会造成数据丢失（波特率）。
同步和异步的区别：
（1）同步通信要求时钟频率一致，异步通信不要求时钟频率一致
（2）同步通信效率高，异步通信效率低
（3）同步通信较复杂，双方时钟的允许误差较小；异步通信简单，双方时钟可允许一定误差。
（4）同步通信可用于点对多；在同一时刻下，异步通信只适用于点对点。
- 串行/并行
串行：一帧数据的每个位都在一根数据线上传输，数据高位先发（MSB）还是低位先发(LSB)。
并行： 一帧的数据分为多条数据线发送。数据线的数量根据数据的位数。
串行与并行区别
串行优点：占用硬件资源少，结构简单
串行优点：传输速度慢
并行优点：传输速度快
并行缺点：占用硬件资源多，结构复杂。
- 单工/半双工/全双工
例：设备A和设备B
单工：数据传输方向只能一个方向，A->B
半双工：数据传输方向可以两个方向上传输，在某一个时间点，数据传输只能单向A->B或B->A
全双工：数据传输方向可以两个方向上传输。需要两根数据线，A->B并且B->A
2.1.4 通信速率
UART常用通信速率：9600bps、76800bps、115200bps
波特率：以码元为单位
比特率：以bit为单位
在二进制下，波特率和比特率是一样的，一个码元就是一个二进制位。
通信配置方式：
配置通信控制器（串口偏好控制器）
前提：该芯片有通信控制器
关注：通信控制器寄存器
IO口模拟时序（IO口模仿）
前提：有通信时序图
关注：把时序图转换成程序
通信控制器：芯片上用于通信的片上外设（UART）
协议：串口
UART这个器件可以将数据封装成串口这种协议给发送或接受。
2.2 UART通信介绍
2.2.1 UART概述
UART：通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）。特点异步通信
USART：通用同步/异步收发器（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）。
USART比UART多了同步的功能，其他功能没有太大区别。
UART/USART他们都是片上外设（器件） ，串口是协议。
2.2.2 UART作用
单片机与单片机相互通信
单片机和模块进行通信（WiFi 指纹模块）
单片机和PC（上位机----串口助手）（转换芯片—CH340）
2.2.3 物理总线
UART有两根数据线：TX(发送数据线)、RX（接收数据线）
USART通信特征: 异步串行全双工(常用)
2.3 串口数据帧格式
起始位+数据位+奇偶校验位（可有可无）+停止位
1.起始位
标志一个数据帧的开始,当没有数据发送时，数据线空闲处于逻辑“1”状态；先发出一个逻辑“0”信号，表示开始传输字符。（低电平有效）
2.数据位
紧随起始位之后，数据位表示真正要发送或接收的信息，位数一般为8位或9位。（常用8位）（低位先发）
3.奇偶校验位
数据位末尾可以选择是否添加奇偶校验位，用于检测数据传输是否正确（可以选择开启或者不开启）。
数据位加上奇偶校验位中1的奇偶性
1101 0101 + 0 开启奇校验 数据位加上校验位中的1的个数为奇数
1101 0101 + 1 开启偶校验 数据位加上校验位中的1的个数为偶数
4.停止位
代表数据帧传输结束的标志位，可以是0.5位，1位，1.5位或2位。停止位的位数越多，数据传输的速率也越慢。（常用1位）
5.波特率
传送速率是指数据传输的速度。用b/s或bps（比特/秒）表示，称为比特率。在二进制的情况下，比特率与波特率数值相等，因而在单片机的串行通讯中，常称为波特率。
假设数据的传输速率为120个字符每秒，每个字符由1个起始位、8个数据位和1个结束位组成。
UART常用通信速率(波特率)：9600bps、76800bps、115200bps
配置的时候关注：UART四要素：数据位 奇偶校验位 停止位 波特率
两设备使用串口通信要保证四要素配置相同才能正常通信。
2.4 UART框图分析
说明：
发送数据要保证 上一次发送的数据已经发送完成
如何知道发送完成
寄存器发送完成位（上一次的发送完成，寄存器对应自动变为1）
读寄存器的这位是1，就可以再次发送数据
接收数据就是把数据读取到变量中，要保证数据已完整的接收完成
如何知道接收完成
寄存器接收完成位（接收完成了，寄存器对应位自动变为1）
读寄存器的这位是1，可以把串口控制器的数据读到变量里去
- 程序员只能操作到DR,往DR里面写会自动填到TDR中，从DR里面读会自动从RDR中读
通过该部分框图分析出需要封装两个函数：
//发送一个字节函数
void USART1_SendByte(u8 Byte)
{
//等待发送数据寄存器为空
//把数据发给DR
}
//接受一个字节函数
u8 USART1_RecvByte(void)
{
//等待接受数据寄存器不为空
//从DR中读出数据
//返回变量
}
2.5 CH340电平转换芯片
2.5.1 电平不匹配
为什么单片机和电脑通信需要CH340？——用“语言翻译官”来理解
问题背景：电平不匹配
电脑的USB口：用的是USB电平。
单片机的串口（UART）：用的是TTL电平。
直接连接？就像两个人一个说中文，一个说英文，互相听不懂，还可能烧坏电路！
CH340芯片其实干了两件事：
电平转换
把电脑USB的差分信号（D+和D-） ↔ 转换成单片机懂的TTL电平（TX/RX）。
类似把“高压电”变成“安全电压”，防止烧芯片。
协议转换
电脑的USB是复杂协议（需要驱动），而单片机串口是简单的UART（直接发01信号）。
CH340在中间当“翻译官”，把USB协议翻译成串口协议，反过来也一样。
现实类比：手机充电器
电脑USB口 → 家里的220V交流电（不能直接给手机充）。
CH340芯片 → 充电头（把220V转换成5V USB）。
单片机 → 手机（需要5V才能安全充电）。
如果没有CH340：就像直接用220V插手机，结果可能就是爆炸 💥！
2.6 USART的寄存器
2.6.1 状态寄存器SR
位 7 TXE：发送数据寄存器为空：判断什么时候可以发数据
当 TDR 寄存器的内容已传输到移位寄存器时，该位由硬件置 1。如果 USART_CR1 寄存器
中 TXEIE 位 = 1，则会生成中断。通过对 USART_DR 寄存器执行写入操作将该位清零。
0：数据未传输到移位寄存器
1：数据传输到移位寄存器
注意： 单缓冲区发送期间使用该位。
位 6 TC：发送完成 (Transmission complete)
如果已完成对包含数据的帧的发送并且 TXE 置 1，则该位由硬件置 1。如果 USART_CR1 寄存
器中 TCIE = 1，则会生成中断。该位由软件序列清零（读取 USART_SR 寄存器，然后写入
USART_DR 寄存器）。 TC 位也可以通过向该位写入‘0’来清零。建议仅在多缓冲区通信
时使用此清零序列。
0：传送未完成
1：传送已完成
位 5 RXNE：读取数据寄存器不为空 ：判断什么时候去读取数据
当 RDR 移 位 寄 存 器 的 内 容 已 传 输 到 USART_DR 寄 存 器 时，该 位 由 硬 件 置 1。如 果
USART_CR1 寄存器中 RXNEIE = 1，则会生成中断。通过对 USART_DR 寄存器执行读入
操作将该位清零。 RXNE 标志也可以通过向该位写入零来清零。建议仅在多缓冲区通信时使
用此清零序列。
0：未接收到数据
1：已准备好读取接收到的数据
2.6.1 数据寄存器DR
位 8:0 DR[8:0]：数据值
包含接收到数据字符或已发送的数据字符，具体取决于所执行的操作是“读取”操作还是
“写入”操作。
因为数据寄存器包含两个寄存器，一个用于发送 (TDR)，一个用于接收 (RDR)，因此它具有
双重功能（读和写）。
TDR 寄存器在内部总线和输出移位寄存器之间提供了并行接口（参见图 1）。
RDR 寄存器在输入移位寄存器和内部总线之间提供了并行接口。
在使能奇偶校验位的情况下（USART_CR1 寄存器中的 PCE 位被置 1）进行发送时，由于
MSB 的写入值（位 7 或位 8，具体取决于数据长度）会被奇偶校验位所取代，因此该值不
起任何作用。
在使能奇偶校验位的情况下进行接收时，从 MSB 位中读取的值为接收到的奇偶校验位。
2.6.1 控制寄存器CR1
位 10 PCE：奇偶校验控制使能 ：控制是否启用奇偶校验
该位选择硬件奇偶校验控制（生成和检测）。使能奇偶校验控制时，计算出的奇偶校验位被
插入到 MSB 位置（如果 M=1，则为第 9 位；如果 M=0，则为第 8 位），并对接收到的数据
检查奇偶校验位。此位由软件置 1 和清零。一旦该位置 1， PCE 在当前字节的后面处于活动
状态（在接收和发送时）。
0：禁止奇偶校验控制
1：使能奇偶校验控制
位 9 PS：奇偶校验选择：选择奇校验还是偶校验
该位用于在使能奇偶校验生成/检测（PCE 位置 1）时选择奇校验或偶校验。该位由软件置 1 和
清零。将在当前字节的后面选择奇偶校验。
0：偶校验
1：奇校验
位 13 UE： USART 使能 :开启USART
该位清零后， USART 预分频器和输出将停止，并会结束当前字节传输以降低功耗。此位由软
件置 1 和清零。
0：禁止 USART 预分频器和输出
1：使能 USART
位 3 TE：发送器使能 ：开启发送器
该位使能发送器。该位由软件置 1 和清零。
0：禁止发送器
1：使能发送器
位 2 RE：接收器使能：开启接收器
该位使能接收器。该位由软件置 1 和清零。
0：禁止接收器
1：使能接收器并开始搜索起始位
位 15 OVER8：过采样模式
0： 16 倍过采样
1： 8 倍过采样
位 12 M：字长
该位决定了字长。该位由软件置 1 或清零。
0： 1 起始位， 8 数据位， n 停止位
1： 1 起始位， 9 数据位， n 停止位
位 13:12 STOP：停止位 (STOP bit)
这些位用于编程停止位。
00： 1 个停止位
01： 0.5 个停止位
10： 2 个停止位
11： 1.5 个停止位
2.6.2 波特率寄存器 (USART_BRR)
位 15:4 DIV_Mantissa[11:0]： USARTDIV 的尾数
这 12 个位用于定义 USART 除数 (USARTDIV) 的尾数位 3:0 DIV_Fraction[3:0]： USARTDIV 的小数
这 4 个位用于定义 USART 除数 (USARTDIV) 的小数。当 OVER8 = 1 时，不考虑 DIV_Fraction3位，且必须将该位保持清零。
波特率采用：115200bit/s 16倍过采样
波特率 = Fck/(8*(2-OVER8)*DIV)
DIV=Fck/(8*(2- OVER8)*波特率 Fck=84Mhz OVER8 = 0
DIV= 45.572
DIV整数部分= 0x2D
DIV小数部分=0x9
USART1->BRR = 0x2D9
以上出现各种使能：
UART时钟使能 提供时钟保证能够工作
UART使能 相当于器件总开关
发送器使能 内部小开关（控制发送）
接收器使能 内部小开关（控制接受）
2.7 串口助手介绍
2.8 UART实验
2.8.1 配置UART去和串口助手进行通信
说明：
每个IO口都有自己固定的复用功能，并不是每个IO口都可以复用任何功能
如何知道IO口具体的复用功能------------查表
如何配置复用功能
①确定IO（根据具体的复用功能确定IO）
根据自己需要的复用功能去查看哪个管脚支持这个复用功能（STM32F407ZGT6） ------ 通常通过原理图就可以确定
②确定寄存器和寄存器的位
配置复用功能寄存器AFR[0](4~7)（参考手册） AFR[0](0~7) ------
③确定标识
查表（数据手册3.9） ------
④确定数值
去查看具体寄存器下面的说明（中文参考手册）
编程思路：
//初始化
void USART1_Init(void)
{
/*配置IO口*/
//IO口时钟使能
//配置复用模式
//不开上下拉
//复用推挽
//输出速度
//复用USART
//配置USART1
//USART1的时钟使能
//配置波特率(BRR)
//CR1
//CR2
//USART使能
}
//发送一个字节函数
void USART1_SendByte(u8 Byte)
{
//等待发送数据寄存器为空
//把数据发给DR
}
//接受一个字节函数
u8 USART1_RecvByte(void)
{
//等待接受数据寄存器不为空
//从DR中读出数据
//返回变量
}
2.9 Printf的使用
浙公网安备 33010602011771号