STM32 通用同步/异步收发器

串行通信基础

串行异步通信数据格式

USART%E4%BB%8B%E7%BB%8D-toc" style="margin-left:40px;">USART介绍

USART%E7%9A%84%E4%B8%BB%E8%A6%81%E7%89%B9%E6%80%A7-toc" style="margin-left:40px;">USART的主要特性

USART%E7%9A%84%E5%8A%9F%E8%83%BD-toc" style="margin-left:40px;">USART的功能

USART%E7%9A%84%E9%80%9A%E4%BF%A1%E6%97%B6%E5%BA%8F-toc" style="margin-left:40px;">USART的通信时序

USART%E7%9A%84%E4%B8%AD%E6%96%AD-toc" style="margin-left:40px;">USART的中断

串行通信基础

在串行通信中，参与通信的两台或多台设备通常共享一条物理通路。发送者依次逐位发送一串数据信号，按一定的约定规则被接收者接收。由于串行端口通常只是规定了物理层的接口规范，所以为确保每次传送的数据报文能准确到达目的地，使每一个接收者能够接收到所有发向它的数据，必须在通信连接上采取相应的措施。

串行异步通信数据格式

无论是RS-232还是RS-485，均可采用通用异步收发数据格式。通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver／Transmitter，UART）通信的数据格式如图

串行同步同步通信是由1～2个同步字符和多字节数据位组成，同步字符作为起始位以触发同步时钟开始发送或接收数据；多字节数据之间不允许有空隙，每位占用的时间相等；空闲位需发送同步字符。串行同步同步通信传送的多字节数据由于中间没有空隙，因而传输速度较快，但要求有准确的时钟实现收发双方的严格同步，对硬件要求较高，适用于成批数据传送。串行同步收发通信的数据格式如图

STM32的USART工作原理

通信是嵌入式系统的重要功能之一。嵌入式系统中使用的通信接口有很多，如UART、SPI、I2C、USB和CAN等。其中，UART是最常见、最方便、使用最频繁的通信接口。在嵌入式系统中，很多微控制器或者外设模块都带有UART接口

USART%E4%BB%8B%E7%BB%8D">USART介绍

通用同步/异步收发器可以说是嵌入式系统中除了GPIO外最常用的一种外设。USART常用的原因不在于其性能超强，而是因为USART简单、通用。自Intel公司20世纪70年代发明 USART以来，上至服务器、PC之类的高性能计算机，下到4位或8位的单片机几乎都配置了USART接口，通过USART，嵌入式系统可以和绝大多数的计算机系统进行简单的数据交换。USART接口的物理连接也很简单，只要2～3根线即可实现通信。 SM32F103微控制器的小容量产品有2个USART，中等容量产品有3个USART，大容量产品有3个USART＋2个UART。

USART%E7%9A%84%E4%B8%BB%E8%A6%81%E7%89%B9%E6%80%A7">USART的主要特性

USART主要特性如下：

（1）全双工，异步通信。

（2）NRZ标准格式。

（3）分数波特率发生器系统。发送和接收共用的可编程波特率，最高达10.5Mb/s。

（4）可编程数据字长度（8位或9位）。

（5）可配置的停止位（支持1或2个停止位）。

（6）LIN主发送同步断开符的能力以及LIN从检测断开符的能力。当USART硬件配置成LIN时，生成13位断开符；检测10/11位断开符。

（7）发送方为同步传输提供时钟。

（8）IRDA SIR编码器/解码器。在正常模式下支持3/16位的持续时间。

（9）智能卡模拟功能。智能卡接口支持ISO7816-3标准中定义的异步智能卡协议；智能卡用到0.5和1.5个停止位。

（10）单线半双工通信。

（11）可配置的使用DMA的多缓冲器通信。在SRAM中利用集中式DMA缓冲接收／发送字节。（12）单独的发送器和接收器使能位。

（13）检测标志：接收缓冲器满；发送缓冲器空、传输结束标志。

（14）校验控制：发送校验位、对接收数据进行校验。

（15）四个错误检测标志：溢出错误、噪声错误、帧错误、校验错误。

（16）10个带标志的中断源：CTS改变、LIN断开符检测、发送数据寄存器空、发送完成、接收数据寄存器满、检测到总线为空闲、溢出错误、帧错误、噪声错误、校验错误。

（17）多处理器通信：如果地址不匹配，则进入静默模式。

（18）从静默模式中唤醒：通过空闲总线检测或地址标志检测。

（19）两种唤醒接收器的方式：地址位（MSB，第9位），总线空闲。

USART%E7%9A%84%E5%8A%9F%E8%83%BD">USART的功能

任何USART双向通信至少需要两个引脚：接收数据输入（RX）和发送数据输出（TX）。 RX：接收数据串行输入。通过过采样技术区别数据和噪声，从而恢复数据。 TX：发送数据串行输出。当发送器被禁止时，输出引脚恢复到它的I/O端口配置。当发送器被激活，并且不发送数据时，TX引脚处于高电平。在单线和智能卡模式中，此I/O被同时用于数据的发送和接收。

（1）总线在发送或接收前应处于空闲状态。

（2）一个起始位。

（3）一个数据字（8或9位），最低有效位在前。

（4）0.5、1.5、2个的停止位，由此表明数据帧结束。

（5）使用分数波特率发生器－12位整数和4位小数的表示方法。

（6）一个状态寄存器（USART_SR）。

（7）数据寄存器（USART_DR）。

（8）一个波特率寄存器（USART_BRR），12位的整数和4位小数。

（9）一个智能卡模式下的保护时间寄存器（USART_GTPR）。在同步模式下需要引脚CK：发送器时钟输出。此引脚输出用于同步传输的时钟。这可以用来控制带有移位寄存器的外部设备（如LCD驱动器）。时钟相位和极性都是软件可编程的。在智能卡模式下，CK可以为智能卡提供时钟。

在IrDA模式里需要下列引脚：

（1）IrDA_RDI：IrDA模式下的数据输入。

（2）IrDA_TDO：IrDA模式下的数据输出。

在硬件流控模式下需要以下引脚：

（1）nCTS：清除发送，若是高电平，在当前数据传输结束时阻断下一次的数据发送。

（2）nRTS：发送请求，若是低电平，表明USART准备好接收数据。

1. 波特率控制

波特率控制即图下部虚线框的部分。通过对USART时钟的控制，可以控制USART的数据传输速度。 USART外设时钟源根据USART的编号不同而不同：对于挂载在APB2总线上的USART1，它的时钟源是fpcLk2；对于挂载在APB1总线上的其他USART（如 USART2和USART3等），它们的时钟源是fpcLk1。以上USART外设时钟源经各自USART的分频系数——USARTDIV分频后，分别输出作为发送器时钟和接收器时钟，控制发送和接收的时序。通过改变USART外设时钟源的分频系数USARTDIV，可以设置USART的波特率。

2. 收发控制

收发控制即图的中间部分。该部分由若干个控制寄存器组成，如USART控制寄存器（Control Register）CR1、CR2、CR3和USART状态寄存器（Status Register）SR等。

3. 数据存储转移

数据存储转移即图8-3 上部灰色的部分。它的核心是两个移位寄存器：发送移位寄存器和接收移位寄存器。这两个移位寄存器负责收发数据并进行并串转换。

1）USART数据发送过程当USART 发送数据时，内核指令或DMA外设先将数据从内存（变量）写入发送数据寄存器（TDR）。然后，发送控制器适时地自动把数据从TDR加载到发送移位寄存器，将数据一位一位地通过Tx引脚发送出去。

2）USART数据接收过程 USART数据接收是USART数据发送的逆过程。

USART%E7%9A%84%E9%80%9A%E4%BF%A1%E6%97%B6%E5%BA%8F">USART的通信时序

可以通过编程USART_CR1寄存器中的M位，选择8或9位字长。在起始位期间，TX引脚处于低电平，在停止位期间，TX引脚处于高电平。空闲符号被视为完全由1组成的一个完整的数据帧，后面跟着包含了数据的下一帧的开始位。断开符号被视为在一个帧周期内全部收到0。在断开帧结束时，发送器再插入1或2个停止位（1）应答起始位。发送和接收由一共用的波特率发生器驱动，当发送器和接收器的使能位分别置位时，分别为其产生时钟。