【自学嵌入式：stm32】USART串口外设

目录

• USART串口外设
  • USART简介
  • USART框图
    • 引脚
    • 发送/接收数据寄存器
    • 硬件数据流控
    • 时钟输出
    • 唤醒单元（多设备串口通信）
    • 中断控制
    • 波特率发生器
  • USART引脚复用
  • USART基本结构
  • 数据帧
    • 字长设置
    • 配置停止位
    • 起始侦测位
    • 数据采样
  • 波特率发生器
  • USB转串口模块

USART串口外设

USART简介

• USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）通用同步/异步收发器

• USART是STM32内部集成的硬件外设，可根据数据寄存器的一个字节数据自动生成数据帧时序，从TX引脚发送出去，也可自动接收RX引脚的数据帧时序，拼接为一个字节数据，存放在数据寄存器里

• 自带波特率发生器，最高达4.5Mbits/s

• 可配置数据位长度（8/9）、停止位长度（0.5/1/1.5/2）

• 可选校验位（无校验/奇校验/偶校验）

• 支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN

• STM32F103C8T6 USART资源： USART1、 USART2、 USART3

【注】

• 硬件流控制：比如A设备有个TX向B设备的RX发送数据，A设备一直在发，发得太快了。B设备处理不过来，如果没有硬件流控制，那B就只能抛弃新数据或者覆盖原数据了，如果有硬件流控制，在硬件电路上，会多出一根线，如果B没准备好接收，就置高电平，如果准备好了，就置低电平，A接收到了B反馈的准备信号，就只会在B准备好的时候，才发数据，如果B没准备好，那数据就不会发送出去，这就是硬件流控制，可以防止因为B处理慢而导致数据丢失的问题。
• 智能卡、IrDA、LIN：这是其他的协议，因为和USART非常像，所以STM32对USART加了一些小改动，就能兼容这么多协议了，智能卡就是常用的饭卡、交通卡等；IrDA是红外通信，就是用一个红外发光管，另一边是红外接收管，靠闪烁红外光通信，它并不是遥控器的红外通信，所以并不能模拟遥控器；LIN是局域网的通信协议

USART框图

引脚

先看左上角的引脚部分：

如上图，这里有TX和RX，这两个就是发送和接收引脚，下面这里的SW_RX、IrDA_OUT/IN这些是智能卡和IrDA通信的引脚。

如上图，引脚这块，TX发送脚，就是从这里接出去的。

如上图，RX接收脚，就是通向这里

发送/接收数据寄存器

如上图，这部分是串口的数据寄存器，发送和接收字节的数据在这里，上面有两个寄存器，一个是发送数据寄存器TDR（Transmit DR），另一个是接收数据寄存器RDR（Receive DR），这两个寄存器占用同一个地址，和51单片机串口的SBUF寄存器一样，在程序上，只表现为一个寄存器，就是数据寄存器DR（Data Register），但实际硬件中是分成了两个寄存器，TDR用于发送，RDR用于接收，TDR是只写的，RDR是只读的，当你进行写操作时，数据就写入到了TDR，当你进行读操作时，数据就是从RDR读出来的。
下面是两个移位寄存器，一个用于发送，一个用于接收，发送移位寄存器的作用就是，把个字节的数据一位一位地移出去，正好对应串口协议的波形的数据位，比如你在某时刻给TDR写入了0X55这个数据，在寄存器里就是二进制存储，0101 0101，那么此时，硬件检测到你写入数据了，它就会检查，当前移位寄存器是不是有数据正在移位，如果没有，这个0101 0101就会立刻，全部移动到发送移位寄存器，准备发送。

如上图，当数据从TDR移动到移位寄存器时，会置一个标志位，叫TXE（TXEmpty），发送寄存器空，我们检查这个标志位，如果置1了，我们就可以在TDR写入下一个数据了，注意一下，当TXE标志位置1时，数据其实还没有发送出去，只要数据从TDR转移大发送移位寄存器，TXE就会置1，此时可以写入新的数据。

如上图，然后发送移位寄存器就会在下面这里的发生器控制的驱动下，向右移位，然后一位一位地，把数据输出到TX引脚，这里是向右移位的，所以正好和串口协议规定的低位先行，是一致的，当数据移位完成后，新的数据就会再次自动地从TDR转移到发送移位寄存器里来，如果当前移位寄存器移位还没有完成，TDR的数据就会进行等待，一但移位完成，就会立刻转移过来，有了TDR和移位寄存器的双重缓存，可以保证连续发送数据的时候，数据帧之间不会有空闲，提高了工作效率，简单来说，就是你数据一但从TDR转移到移位寄存器了，管你有没有移位完成，我就立刻把下一个数据放在TDR等着，一但移完了，新的数据就会立刻跟上，这样做，效率就会比较高。

如上图，接收端这里也是类似的，数据从RX引脚通向接收移位寄存器，在接收器控制的驱动下，一位一位地读取RX电平，“先放在最高位，然后向右移，移位8次之后，就能接收一个字节了，同样，因为串口协议规定是低位先行，所以接收移位寄存器是从高位往低位这个方向移动的，当一个字节移位完成之后，这一个字节的数据就会整体地一下子转移到接收数据寄存器RDR里来。

如上图，在转移的过程中，也会置一个标志位，叫RXNE(RX Not Empty)，接收数据寄存器非空，当我们检测到RXNE置1之后，就可以把数据读走了，同样，这里也是两个寄存器进行缓存，当数据从移位寄存器转移到RDR时，就可以直接移位接收下一帧数据了，这就是USART外设整个的工作流程，发送加帧头帧尾，接收去除帧头帧尾都是有硬件自动执行这个操作。

硬件数据流控

如上图，看控制部分和增强功能，发送器控制用来控制发送移位寄存器的工作，接收器控制，用来控制接收移位寄存器的工作，然后左侧的硬件数据流控，简称流控，用于避免发送数据太快导致接收端收不过来的问题，这里流控有两个引脚，一个是nRTS，一个是nCTS，nRTS(RequestToSend)是请求发送，是输出脚，也就是告诉别人，我当前能不能接收，nCTS(ClearToSend)是清除发送，是输入脚，也就是用于接收别人nRTS的信号的，这里前面加个n意思是低电平有效，这个引脚需要有支持流控的串口，它的TX接到主机的RX，然后主机的RTS要输出一个能不能接受的反馈信号，接到对方的CTS，当我能接收的时候，RTS就置低电平，广请求对方发送，对方的CTS接收到之后，就可以一直发，当我处理不过来时，比如接收数据寄存器我一直没有读，又有新的数据过来了，现在就代表我没有及时处理，那RTS就会置高电平，对方CTS接收到之后，就会暂停发送，直到这里接收数据寄存器被读走，RTS置低电平，新的数据才会继续发送

如上图，那反过来，当我的TX给对方发送数据时，我们CTS就要接到对方的RTS，用于判断对方，能不能接收，TX和CTS是一对的，RX和RTS是对的，CTS和RTS也要交又连接，这就是流控的工作模式

时钟输出

如上图，这个模块用于产生同步的时钟信号，它是配合发送移位寄存器输出的，发送寄存器每移位一次，同步时钟电平就跳变一个周期，时钟告诉对方，我移出去一位数据了，你看要不要让我这个时钟信号来指导你接收一下？当然这个时钟只支持输出；不支持输入，所以两个USART之间，不能实现同步的串回通信，这个时钟信号有如下用途：

1. 兼容别的协议，比如串口加上时钟之后，就跟SPI协议特别像，所以有了时钟输出的串口，就可以兼容SPI，另外这个时钟也可以做自适应波特率，比如接收设备不确定发送设备给的什么波特率，那就可以测量一下这个时钟的周期，然后再计算得到波特率，不过这就需要另外写程序来时序这个功能。

唤醒单元（多设备串口通信）

唤醒单元的作用是实现串口挂载多设备，我们之前说，串口一般是点对点的通信，点对点，只支持两个设备互相通信，想发数据直接发就行，而多设备，在一条总线上，可以接多个从设备，每个设备分配一个地址，我想跟某个设备通信，就先进行寻址，确定通信对象，再进行数据的收发，这个唤醒单元就可以用来实现多设备的功能。

如上图，在这里可以给串口分配一个地址，当你发送指定地址时，此设备唤醒开始工作，当你发送别的设备地址时，别的设备就唤醒工作,这个设备没收到地址，就会保持沉默，这样就可以实现多设备的串口通信

中断控制

如上图，这部分是中断输出控制

如上图，中断申请位，就是状态寄存器这里的各种标志位，状态寄存器这里，有两个标志位比较重要，一个是TXE发送寄存器空，另一个是RXNE接收寄存器非空，这两个是判断发送状态和接收状态的必要标志位，中断输出控制就是配置中断是否能通向NVIC。

波特率发生器

如上图，是波特率发生器部分，波特率发生器其实就是分频器，APB时钟进行分频，得到发送和接收移位的时钟，这里时钟输入是fPCLKx（x=1或2），USART1挂载在APB2，所以就是PCLK2的时钟，一般是72M，其他的USART都挂载在APB1，所以是PCLK1的时钟，一般是36M，之后这个时钟进行一个分频，除一个USARTDIV的分频系数，

如上图，USARTDV是一个数值，并且分为了整数部分和小数部分，因为有些波特率，用72M除一个整数的话，可能除不尽，会有误差，所以这里分频系数是支持小数点后4位的，分频就更加精准。

如上图，之后分频完之后，还要再除个16，得到发送器时钟和接收器时钟，通向控制部分

然后右边这里，如果TE（TX Enable)为1，就是发送器使能了，发送部分的波特率就有效，如果RE（RXEnable）为1，就是接收器使能了。

USART引脚复用

USART基本结构

这个图是对刚才框图的总结，只补充一点，开关控制就是Cmd开启外设用

数据帧

字长设置

【注】这里的字长是指数据位长度

这里在每个数据位的中间都有一个时钟上升沿，时钟的频率和数据速率是一样的，接收端可以在时钟上升沿进行采样，后门的空闲帧和断开帧是局域网协议用的，8位字长最好选择无校验，要不然校验位占1位，有效载荷就只剩7位了，一个字节都发不了

配置停止位

起始侦测位

当输入电路侦测到一个数据帧的起始位后，就会以波特率的频率，连续采样一帧数据，同时，从起始位开始，采样位置就要对齐到位的正中间，只要第一位对齐了，后门就肯定都是对齐的，那为了实现这些功能，首先输入的这部分电路对采样时钟进行了细分

如上图，它会以波特率的16倍频率进行采样，也就是在一位的时间里，可以进行16次采样

如上两个图，然后它的策略是，最开始，空闲状态高电平，那采样就一直是1，在某个位置，突然采到一个0，那么就说明，在这两次采样之间，出现了下降沿，如果没有任何噪声，那之后就应该是起始位了，在起始位，会进行连续16次采样，没有噪声的话，这16次采样，肯定就都是0，这没问题，但是，实际电路还是会存在一些噪声的

如上两个图，所以这里即使出现下降沿了，后续也要再采样几次以防万一，那根据手册描述，这个接收电路，还会在下降沿之后的第3次、5次、7次，进行一批采样，在第8次、9次、10次，再进行一批采样，且这两批采样，都要要求每3位里面至少应有2个0，没有噪声，那肯定全是0，满足情况。

如上图，如果有一些轻微的噪声，导致这里3位里面，只有两个0，另一个是1，那也算是检测到了起始位，但是在状态寄存器里会置一个NE（Noise Error），噪声标志位，就是提醒你一下，数据我是收到了，但是有噪声，你悠着点用

如上图，如果这里3位里面，只有1个0，那就不算检测到了起始位，可能前面那个下降沿是噪声导致的，这时电路就忽略前面的数据，重新开始捕提下降沿，这就是STM32的串口，在接收过程中，对噪声的处理，如果通过了这个起始位侦测，那接收状态就由空闲，变为接收起始位，同时，第8、9、10次采样的位置，就正好是起始位的正中间，之后，接收数据位时，就都在第8、9、10次，进行采样，这样就能保证采样位置在位的正中间了，这就是起始位侦测和采样位置对齐的策略

数据采样

在一个数据位，有16个采样时钟，由于起始位侦测已经对齐了采样时钟，所以，这里就直接在第8、9、10次采样数据位，为了保证数据的可靠性，这里是连续采样3次，没有噪声的理想情况下，这3次肯定全为1或者全为0，全为1，就认为收到了1，全为0，就认为收到了0，如果有噪声，导致3次采样不是全为1或者全为0，那它就按照2：1的规则来，2次为1，就认为收到了1，2次为0，就认为收到了0，在这种情况下，噪声标志位NE也会置1，告诉你，我收到数据了，但是有噪声，你悠着点用，这就是检测噪声的数据采样

波特率发生器

• 发送器和接收器的波特率由波特率寄存器BRR里的DIV确定
• 计算公式：\(\text{波特率}= f_{\text{PCLK2/1}} / (16 * \text{DIV})\) （除16是因为内部还有一个16倍波特率的采样时钟）

比如配置波特率9600，则\(9600 = \frac{72\text{M}}{16\cdot \text{DIV}}\)
解得\(\text{DIV}=\frac{72\text{M}}{\frac{9600}{16}}=468.75\)
最终得到二进制数111010100.11

USB转串口模块

最左侧是USB端口

如上图，USB有4根线，GND，D+，D-，VCC，USB标准供电是5V，然后中间D+和D-是通信线，走的也是USB协议，所以这里需要一个CH340芯片转换一下，转换之后输出的就是TXD和RXD，是串口协议

如上图，最后，通过这里的排针引出来。

如上图，那需要注意的就是这边的供电策略，首先，所有的电都是从这个VCC+5V来的，然后VCC+5V，通过这个稳压管电路进行降压，得到VCC+3.3V。

如上图，之后，VCC+5V和VCC+3.3V，都通过排针引I出来了，所以这个第6脚和第4脚，是分别有5V和3.3V输出的，第5脚，板子上标的是VCC，它是通向了CH340芯片的VCC上，所以这个第5脚，实际上是CH340的电源输入脚，一般我们这个模块的排针会有一个跳线帽，这个跳线帽需要插在4、5脚，或者5、6脚上。

如上图，右边这里也有文字说明，短路5V到JVCC，CH340供电为5V，TTL电平为5V，短路3V3到VCC，CH340供电为3.3V，TTL电平为3.3V，所以这个跳线帽，是用来选择通信电平的，也是给CH340芯片供电的，所以最好不要拿掉，
如果你拿掉了，就相当于这整个芯片，没有供电，STM32通信需要3.3V，所以把跳线帽插在这里的4、5脚上就行了

如上图，右下角是指示灯和电源滤波，这里有PWR电源指示灯和TXD、RXD的指示灯如果引脚上有数据传输，这两个指示灯会对应闪烁。