串口通訊協議簡介

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

對于通訊協議，以分層的方式來理解，可以把它分為物理層和協議層。

物理層規定通訊系統中具有機械、電子功能部分的特性，確保原始數據在物理媒體的傳輸。

協議層主要規定通訊邏輯，統一收發雙方的數據打包、解包標準。簡單來說物理層規定我們用嘴巴還是用肢體來交流，協議層則規定我們用中文還是英文來交流。

串口通訊的物理層

串口通訊的物理層有很多標準及變種，串口通訊的物理層的主要標準是RS-232標準，其規定了信號的用途、通訊接口及信號的電平標準，其通訊結構如下：

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”傳輸數據信號。由于RS-232電平標準的信號不能直接被控制器直接識別，所以這些信號會經過一個“電平轉換芯片”轉換成控制器能識別的“TTL 標準”的電平信號，才能實現通訊。

1、信號的電平標準

在設備內部信號是以TTL電平標準傳輸的，設備之間是通過RS-232電平標準傳輸的，而且TTL電平需要經過電平轉換芯片才能轉化為RS-232電平，RS-232電平轉TTL電平也是如此。如圖是TTL電平標準與RS-232電平標準。

電子電路中常使用 TTL 的電平標準，理想狀態下，使用 5V 表示二進制邏輯 1， 使用 0V 表示邏輯 0；

為了增加串口通訊的遠距離傳輸及抗干擾能力，所以RS-232信號線，理想狀態下，使用-15V 表示邏輯 1， +15V 表示邏輯 0。

2、RS-232 信號線

在最初的應用中，RS-232 串口標準常用于計算機、路由與調制調解器 (MODEN，俗稱“貓”) 之間的通訊，在這種通訊系統中，設備被分為數據終端設備 DTE(計算機、路由) 和數據通訊設備DCE(調制調解器)。在舊式的臺式計算機中一般會有 RS-232 標準的 COM 口 (也稱 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線的稱為公頭，以孔式引出信號線的稱為母頭。在計算機中一般引出公頭接口，而在調制調解器設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算機連接起來。通訊時，串口線中傳輸的信號就是使用前面講解的 RS-232 標準調制的。

DB9 接口中的公頭及母頭的各個引腳的標準信號線接法如下圖。

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信號 (RXD 與 TXD) 應交叉相連，所以調制調解器端的 DB9 母頭的收發信號接法一般與公頭的相反。

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制調解器，本機已準備好接收數據，0 則表示還沒準備就緒。

在目前的其它工業控制使用的串口通訊中，一般只使用 RXD、TXD 以及 GND 三條信號線，直接傳輸數據信號，而 RTS、CTS、DSR、DTR 及 DCD 信號都被裁剪掉了。

串口通訊的協議層

1、數據包

串口通訊的數據包由發送設備通過自身的 TXD 接口傳輸到接收設備的 RXD 接口。

在串口通訊的協議層中，規定了數據包的內容，它由啟始位、主體數據、校驗位以及停止位組成，通訊雙方的數據包格式要約定一致才能正常收發數據。

2、波特率

由于異步通信中沒有時鐘信號，所以接收雙方要約定好波特率，即每秒傳輸的碼元個數，以便對信號進行解碼，常見的波特率有4800、9600、115200等。STM32中波特率的設置通過串口初始化結構體來實現。

3、起始和停止信號

數據包的首尾分別是起始位和停止位，數據包的起始信號由一個邏輯0的數據位表示，停止位信號可由0.5、1、1.5、2個邏輯1的數據位表示，雙方需約定一致。STM32中起始和停止信號的設置也是通過串口初始化結構體來實現。

4、有效數據

在數據包的起始位之后緊接著的就是要傳輸的主體數據內容，也稱為有效數據，有效數據的長度常被約定為 5、6、7 或 8 位長。

5、數據校驗

在有效數據之后，有一個可選的數據校驗位。由于數據通信相對更容易受到外部干擾導致傳輸數據出現偏差，可以在傳輸過程加上校驗位來解決這個問題。

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

奇校驗要求有效數據和校驗位中“1”之和的個數為奇數，比如一個 8 位長的有效數據為：01101001， 此時總共有 4 個“1”，為達到奇校驗效果，校驗位為“1”，最后傳輸的數據將是 8 位的有效數據加上 1 位的校驗位總共 9 位。

偶校驗與奇校驗要求剛好相反，要求幀數據和校驗位中“1”之和的個數為偶數，比如數據幀：11001010， 此時數據幀“1”的個數為 4 個，所以偶校驗位為“0”。

0 校驗是不管有效數據中的內容是什么，校驗位總為“0”。

1 校驗是不管有效數據中的內容是什么，校驗位總為“1”。

STM32 的 USART 簡介

通用同步異步收發器 (Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter) 是一個串行通信設備，可以靈活地與外部設備進行全雙工數據交換。

UART(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)跟 USART不一樣的是：它是在 USART 基礎上裁剪掉了同步通信功能，只有異步通信。簡單區分同步和異步就是看通信時需不需要對外提供時鐘輸出，我們平時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據，即是一幀一幀的傳輸，每幀包含有起始信號、數據信息、停止信號，可能還有校驗信息。USART 就是對這些傳輸參數有具體規定，當然也不是只有唯一一 個參數值，很多參數值都可以自定義設置，只是增強它的兼容性。

USART 滿足外部設備對工業標準 NRZ 異步串行數據格式的要求，并且使用了小數波特率發生器，可以提供多種波特率，使得它的應用更加廣泛。

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)，智能卡協議和IrDA(紅外數據組織)SIR ENDEC規范，以及調制解調器(CTS/RTS)操作。它還允許多處理器通信。USART 支持使用 DMA，可實現高速數據通信。

STM32在硬件設計時一般都會預留一個 USART 通信接口連接電腦，用于在調試程序是可以把一些調試信息“打印”在電腦端的串口調試助手工具上，從而來用串口調試助手來驗證自己的程序是否出了問題。

USART功能概述

接口通過三個引腳與其他設備連接在一起USART框圖。任何USART雙向通信至少需要兩個腳：接收數據輸入(RX)和發送數據輸出(TX)。

RX：接收數據串行輸入。通過過采樣技術來區別數據和噪音，從而恢復數據。

TX：發送數據輸出。當發送器被禁止時，輸出引腳恢復到它的I/O端口配置。當發送器被激活，并且不發送數據時，TX引腳處于高電平。在單線和智能卡模式里，此I/O口被同時用于數據的發送和接收。

● 總線在發送或接收前應處于空閑狀態

● 一個起始位

● 一個數據字(8或9位)，最低有效位在前

● 0.5，1.5，2個的停止位，由此表明數據幀的結束

● 使用分數波特率發生器 —— 12位整數和4位小數的表示方法。

● 一個狀態寄存器(USART_SR)

● 數據寄存器(USART_DR)

● 一個波特率寄存器(USART_BRR)，12位的整數和4位小數

● 一個智能卡模式下的保護時間寄存器(USART_GTPR)

USART框圖

功能引腳

TX：發送數據輸出引腳。

RX：接收數據輸入引腳。

SW_RX：數據接收引腳，只用于單線和智能卡模式，屬于內部引腳，沒有具體外部引腳。

nRTS：請求以發送 (Request To Send)，n 表示低電平有效。如果使能 RTS 流控制，當 USART 接收器準備好接收新數據時就會將 nRTS 變成低電平；當接收寄存器已滿時，nRTS 將被設置為高電平。該引腳只適用于硬件流控制。

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

SCLK：發送器時鐘輸出引腳。這個引腳僅適用于同步模式。

STM32F103ZET6 系統控制器有三個 USART 和兩個 UART，其中 USART1 和時鐘來源于 APB2 總線時鐘，其最大頻率為 72MHz，其他四個的時鐘來源于 APB1 總線時鐘，其最大頻率為 36MHz。UART 只是異步傳輸功能，所以沒有 SCLK、nCTS 和 nRTS 功能引腳。

與USART有關的寄存器

USART寄存器地址映像

USART寄存器描述

1、USART狀態控制器(USART_SR)

2、數據寄存器（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)

使用寄存器來配置USART

數據寄存器

USART 數據寄存器 (USART_DR) 只有低 9 位有效，并且第 9 位數據是否有效要取決于 USART 控制寄存器 1(USART_CR1) 的 M 位設置，當 M 位為 0 時表示 8 位數據字長，當 M 位為 1 表示 9 位 數據字長，我們一般使用 8 位數據字長。USART_DR 包含了已發送的數據或者接收到的數據。USART_DR 實際是包含了兩個寄存器，一 個是專門用于發送的可寫 TDR，另一個是專門用于接收的可讀 RDR。當進行發送操作時，往USART_DR 寫入數據會自動存儲在 TDR 內；當進行讀取操作時，向 USART_DR 讀取數據會自動提取 RDR 數據。

TDR 和 RDR 都是介于系統總線和移位寄存器之間。串行通信是一個位緊接著一個位傳輸的。

發送時把 TDR 內容轉移到發送移位寄存器，然后把移位寄存器數據每一位發送出去；接收時把

接收到的 每一位順序保存在接收移位寄存器內然后才轉移到 RDR。

USART 支持 DMA 傳輸，可以實現高速數據傳輸。

控制器

USART 有專門控制發送的發送器、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 位用來開啟供給給串口 的時鐘。發送或者接收數據字長可選 8 位或 9 位，由 USART_CR1 的 M 位控制。

發送器

當 USART_CR1 寄存器的發送使能位 TE 置 1 時，啟動數據發送，發送移位寄存器的數據會在 TX 引腳輸出，低位在前，高位在后。如果是同步模式 SCLK 也輸出時鐘信號。

一個字符幀發送需要三個部分：起始位 + 數據幀 + 停止位。起始位是一個位周期的低電平，位周期就是每一位占用的時間；數據幀就是我們要發送的 8 位或 9 位數據，數據是從最低位開始傳輸的；停止位是一定時間周期的高電平。

停止位時間長短是可以通過 USART 控制寄存器 2(USART_CR2) 的 STOP[1:0] 位控制，可選 0.5 個、1 個、1.5 個和 2 個停止位。默認使用 1 個停止位。2 個停止位適用于正常 USART 模式、單線模式和調制解調器模式。0.5 個和 1.5 個停止位用于智能卡模式。當選擇 8 位字長，使用 1 個停止位時，具體發送字符時序圖見圖字符發送時序圖 。

例如：當選擇 8 位字長，使用 1 個停止位時，具體發送字符時序圖見圖字符發送時序圖 。

當發送使能位 TE 置 1 之后，發送器開始會先發送一個空閑幀 (一個數據幀長度的高電平)，接下來就可以往 USART_DR 寄存器寫入要發送的數據。在寫入最后一個數據后，需要等待 USART 狀態寄存器 (USART_SR) 的 TC 位為 1，表示數據傳輸完成，如果 USART_CR1 寄存器的 TCIE 位置 1，將產生中斷。

在發送數據時，編程的時候有幾個比較重要的標志位我們來總結下。

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 線開始搜索起始位。在確定到起始位后就根據 RX 線電平狀態把數據存放在接收移位寄存器內。接收完成后就把接收移位寄存器數據移到 RDR 內，并把 USART_SR 寄存器的 RXNE 位置 1，同時如果 USART_CR2 寄存器的 RXNEIE 置 1 的話可以產生中斷。

在接收數據時，編程的時候有幾個比較重要的標志位我們來總結下。

USARTDIV的計算

波特率指數據信號對載波的調制速率，它用單位時間內載波調制狀態改變次數來表示，單位為比特。比特率指單位時間內傳輸的比特數，單位 bit/s(bps)。對于 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概念。波特率越大，傳輸速率越快。 USART 的發送器和接收器需要使用相同的波特率。

計算公式如下：

其中，fPLCK為 USART 時鐘，USARTDIV 是一個存放在波特率寄存器 (USART_BRR) 的一個無符號定點數。其中 DIV_Mantissa[11:0] 位定義 USARTDIV 的整數部分，DIV_Fraction[3:0] 位定義USARTDIV 的小數部分。

例如：DIV_Mantissa=24(0x18)，DIV_Fraction=10(0x0A)，此時 USART_BRR 值為 0x18A；那么 USARTDIV 的小數位 10/16=0.625；整數位 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，最接近的正整數為 11，所以 DIV_Fraction[3:0] 為 0xB；DIV_Mantissa= 整數 (27.68)=27，即為 0x1B。

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

我們知道 USART1 使用 APB2 總線時鐘，最高可達 72MHz，其他 USART 的最高頻率為 36MHz。

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

115200=72000000/16*USARTDIV

解得USARTDIV=39.0625，可算得 DIV_Fraction=0.0625*16=1=0x01，DIV_Mantissa=39=0x27，即應該設置 USART_BRR 的值為 0x271。