、前言

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什么是串口通訊？

串行通訊是指僅用一根接收線和一根發(fā)送線就能將數(shù)據(jù)以位進行傳輸?shù)囊环N通訊方式。盡管串行通訊的比按字節(jié)傳輸?shù)牟⑿型ㄐ怕谴诳梢栽趦H僅使用兩根線的情況下就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

典型的串口通信使用3根線完成，分別是地線、發(fā)送、接收。由于串口通信是異步的，所以端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時在另一根線上接收數(shù)據(jù)。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶的校驗。對于兩個需要進行串口通信的端口，這些參數(shù)必須匹配，這也是能夠?qū)崿F(xiàn)串口通訊的前提。

二、串口通訊的通訊協(xié)議？

最初數(shù)據(jù)是模擬信號輸出簡單過程量，后來儀表接口出現(xiàn)了RS232接口，這種接口可以實現(xiàn)點對點的通信方式，但這種方式不能實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，這就促生了RS485。

我們知道串口通信的數(shù)據(jù)傳輸都是0和1，在單總線、I2C、UART中都是通過一根線的高低電平來判斷邏輯1或者邏輯0，但這種信號線的GND再與其他設(shè)備形成共地模式的通信，這種共地模式傳輸容易產(chǎn)生干擾，并且抗干擾性能也比較弱。所以差分通信、支持多機通信、抗干擾強的RS485就被廣泛地使用了。

RS485通信最大特點就是傳輸速度可以達到10Mb/s以上，傳輸距離可以達到3000米左右。大家需要注意的是雖然485最大速度和最大傳輸距離都很大，但是傳輸?shù)乃俣仁菚S距離地增加而變慢的，所以兩者是不可以兼得的。

三、串口通訊的物理層

串口通訊的物理層有很多標準，例如上面提到的，我們主要講解RS-232標準，RS-232標準主要規(guī)定了信號的用途、通訊接口以及信號的電平標準。

在上面的通訊方式中，兩個通訊設(shè)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(shù)據(jù)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(jīng)過一個"電平轉(zhuǎn)換芯片"轉(zhuǎn)換成控制器能識別的"TTL校準"的電平信號，才能實現(xiàn)通訊。

下圖為DB9標準串口通訊接口：

DB9引腳說明：

上表中的是計算機端的DB9公頭標準接法，由于兩個通訊設(shè)備之間的收發(fā)信號(RXD與TXD)應(yīng)交叉相連，所以調(diào)制調(diào)解器端的DB9母頭的收發(fā)信號接法一般與公頭的相反，兩個設(shè)備之間連接時，只要使用"直通型"的串口線連接起來即可。

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(dāng)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(diào)制調(diào)解器，本機已準備好接收數(shù)據(jù)，0則表示還沒準備就緒。

四、波特率

波特率是指數(shù)據(jù)信號對載波的調(diào)制速率，它用單位時間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變的次數(shù)來表示；

比如波特率為9600bps；代表的就是每秒中傳輸9600bit，也就是相當(dāng)于每一秒中劃分成了9600等份。

因此，那么每1bit的時間就是1/9600秒=104.1666...us。約0.1ms。既然是9600等份，即每1bit緊接著下一個比特，不存在額外的間隔。兩臺設(shè)備要想實現(xiàn)串口通訊，這收發(fā)端設(shè)置的波特率必須相同，否則是沒辦法實現(xiàn)通訊的。

收發(fā)波特率一致可以實現(xiàn)通訊：

收發(fā)波特率不一致，導(dǎo)致RX端不能正常接收。

五、串口通訊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

起始位： 起始位必須是持續(xù)一個比特時間的邏輯0電平，標志傳輸一個字符的開始，接收方可用起始位使自己的接收時鐘與發(fā)送方的數(shù)據(jù)同步。

數(shù)據(jù)位： 數(shù)據(jù)位緊跟在起始位之后，是通信中的真正有效信息。數(shù)據(jù)位的位數(shù)可以由通信雙方共同約定。傳輸數(shù)據(jù)時先傳送字符的低位，后傳送字符的高位。

奇偶校驗位： 奇偶校驗位僅占一位，用于進行奇校驗或偶校驗，奇偶檢驗位不是必須有的。如果是奇校驗，需要保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有奇數(shù)個邏輯高位；如果是偶校驗，需要保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總共有偶數(shù)個邏輯高位。

停止位： 停止位可以是是1位、1.5位或2位，可以由軟件設(shè)定。它一定是邏輯1電平，標志著傳輸一個字符的結(jié)束。

空閑位： 空閑位是指從一個字符的停止位結(jié)束到下一個字符的起始位開始，表示線路處于空閑狀態(tài)，必須由高電平來填充。

六、單雙工通訊

單工： 數(shù)據(jù)傳輸只支持數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸；

半雙工： 允許數(shù)據(jù)在兩個方向上傳輸，但某一時刻只允許數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸，實際上是一種切換方向的單工通信，不需要獨立的接收端和發(fā)送端，兩者可合并為一個端口；

全雙工： 允許數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳輸，因此全雙工通信是兩個單工方式的結(jié)合，需要獨立的接收端和發(fā)送端。

七、STM32中的串口通訊

STM32串口通信接口有兩種，分別是：UART(通用異步收發(fā)器)、USART(通用同步異步收發(fā)器)，對于大容量STM32F10x系列芯片，分別由3個USART和兩個UART。

TXD：數(shù)據(jù)發(fā)送引腳；RXD：數(shù)據(jù)輸入引腳

對于兩芯片的間的連接，兩個芯片GND共地，同時TXD和RXD交叉連接，這樣兩個芯片間可進行TTL電平通信。

但如果對于芯片和PC機相連，除了共地條件外，不能使用如上的直接交叉連接，雖然兩者都有TXD和RXD引腳，但通常PC機使用的是RS232接口（9針），通常是TXC和RXD經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換得到，故如果要使芯片與PC機的RS232接口直接通信，需要將芯片的輸入輸出端口也電平轉(zhuǎn)換為RS232類型，再交叉連接，二者的電平標準不同：

單片機的點評標準(TTL電平）：+5V表示1，0V表示0；

RS232電平標準：+15/+13V表示0，-15/-13表示1。

因此單片機與PC機進行串口通信應(yīng)該遵循：在單片機串口與上位機給出的RS232口之間，通過電平轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)TTL電平與RS232電平間的轉(zhuǎn)換.

如果使用USB轉(zhuǎn)串口也可以實現(xiàn)串口通訊，USB轉(zhuǎn)串口電路圖如下所示

STM32串口通訊代碼

STM32中串口通訊已經(jīng)給大家建好了相應(yīng)的庫函數(shù)，大家在使用和配置串口的時候直接進行調(diào)用庫函數(shù)和配置就行了，請大家參照一下代碼：

1、初始化結(jié)構(gòu)體代碼

typedef struct {
 uint32_t USART_BaudRate; // 波特率
 uint16_t USART_WordLength; // 字長
 uint16_t USART_StopBits; // 停止位
 uint16_t USART_Parity; // 校驗位
 uint16_t USART_Mode; // USART 模式
 uint16_t USART_HardwareFlowControl; // 硬件流控制
 } USART_InitTypeDef;

2、NVIC配置中斷優(yōu)先級

NVIC_Configuration(void)
{
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
  
  /* 嵌套向量中斷控制器組選擇 */
  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
  
  /* 配置USART為中斷源 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=DEBUG_USART_IRQ;
  /* 搶斷優(yōu)先級*/
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1;
  /* 子優(yōu)先級 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=1;
  /* 使能中斷 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;
  /* 初始化配置NVIC */
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

3、USART配置函數(shù)

節(jié)已經(jīng)說了怎樣利用串口實現(xiàn)其發(fā)送功能為，并給出里一個實現(xiàn)的demo，作一個通信接口，收發(fā)是其最基本的功能，接下來我們一起來看看單片機是如何通過串口接收數(shù)據(jù)的吧。

首先我們上節(jié)所說的發(fā)送起始已經(jīng)涉及到接收了，只是我們上節(jié)在發(fā)送的時候?qū)Χ耸亲鳛榻邮諄沓尸F(xiàn)了我們的發(fā)送的效果。如下圖所示，單片機在代碼的控制下循環(huán)的發(fā)送數(shù)據(jù)“hello world“，那pc作為接收方，接收了這個數(shù)據(jù)，并解析出來，只是相較于單純的串口接收來說，它多做了幾步，就是將串口收到的數(shù)據(jù)，通過usb-串口轉(zhuǎn)換線轉(zhuǎn)換成usb的數(shù)據(jù)，又通過usb接口將數(shù)據(jù)送給了運行于PC上的驅(qū)動程序，再通過windows系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用應(yīng)用程序獲取并顯示出對應(yīng)的字符串。

上面的過程盡管包含了接收，但是涉及的稍微多了一些，有點不太直觀。我們看看在單片機最簡單的接收流程是怎么樣的。簡單說來，數(shù)據(jù)從信號線上以發(fā)送端控制下以相關(guān)協(xié)議格式發(fā)送特定格式的bit流，在接收側(cè)，需要以對應(yīng)的幀格式去解析它，當(dāng)然一般來說是硬件干了這個事情（當(dāng)然軟件也可以干，只是一般不需要），但是需要接收端設(shè)置好幀格式，波特率等參數(shù)。硬件依據(jù)協(xié)議參數(shù)解析bit流，校驗成功之后（如果設(shè)置了）會將數(shù)據(jù)放在對應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器里，等待軟件處理。

前面說的是一般串口接收時，軟件感知到接收到數(shù)據(jù)之前發(fā)生的事情。因此，一般的mcu串口功能，在上節(jié)說的發(fā)送的基礎(chǔ)上，只需要再使能接收，在合適的時機去接收數(shù)據(jù)寄存器取數(shù)即可。

那什么是“合適的時機”？一個是我們知道需要接收數(shù)據(jù)的時候，這時候我們可以使用查詢等待的方式接收數(shù)據(jù)（當(dāng)然一般包含超時參數(shù)），查看對應(yīng)的狀態(tài)寄存器，如果有接收標記，就去取數(shù)據(jù)；另一個就是我們根本不知道數(shù)據(jù)什么時候會來，或者說我們也不想把寶貴的cpu資源浪費在查詢等待動作上，這時候我們會使用對應(yīng)的中斷機制，也就是說我們事先配置好對應(yīng)的中斷處理接口，在接收到數(shù)據(jù)的時候硬件會觸發(fā)一個中斷，最終調(diào)用我們配置好的中斷處理接口，在該接口中及時完成對應(yīng)的接收處理動作。

下面我們就看一個最簡單的接收demo。

出口基本功能初始化如上，同發(fā)送。此處只使用輪詢等待方式實現(xiàn)串口接收，在接收到換行符之后，將之前接收到的數(shù)據(jù)打印出來。實現(xiàn)如下：

實驗結(jié)果如下：

至此我們完成了一個簡單的輪詢式接收demo，當(dāng)然實際使用時就算是輪序狀態(tài)也會設(shè)置一個超時參數(shù)用以防止死在這里，或者消耗太多時間，各種參數(shù)需要根據(jù)實際的業(yè)務(wù)場景進行確定。

下一節(jié)我們一起看看基于中斷的，更靈活高效的串口接收方式。