串口通信（USART）

一、串口通信协议简介

       物理层：规定通讯系统中具有机械、电子功能部分的特性，确保原始数据在物理媒体的传输。其实就是硬件部分。

       协议层：协议层主要规定通讯逻辑，统一收发双方的数据打包、解包标准。其实就是软件部分。

       简单来说物理层规定我们用嘴巴还是肢体来交流。
       写一层规定我们用中文还是用英文来交流。

       补充：USART中“S”指的是同步（synchronization）。

1.RS232标准

这里先说一下RS-232电平和TTL电平的区别：

       TTL：直接从单片机或者直接从芯片出来的电平都叫TTL电平。高电平又5V或3.3V来表示。

       RS-232： 如上图，RS-232电平用-15V来表示高电平（也就是1），由+15V来表示低电平（也就是0）

RS-232标准串口通讯结构图：

       如图是两个设备的通讯（设备A和设备B），控制器A有两根线，一个发送一个接收，输出的TTL电平需经过一个电平转换芯片将TTL电平转换为RS-232电平，由DB9接口传输给设备B的DB9接口，然后在经过电平转换芯片将转换好的TTL电平送给控制器B。
DB9公头及母头：

       关于DB9接口，有兴趣的可以搜一下专门介绍这个的文章。
       RS232,RS485 标准DB9接口(串口通信线标准接口)

       ①RS232标准串口主要用于工业设备直接通信。工业设备可能静电比较多，还有震动，粉尘等，用-15V表示1，-15V表示0，峰峰值是30V，所以容错能力很强。
       ⑤电平转换芯片一般有MAX232，SP3232。

2.USB转串口（TTL）

       ①USB转串口主要用于设备跟电脑通信。
       ②电平转换芯片一般有CH340、PL2303、CP2102、FT232。
       ③使用的时候电脑端需要安装电平转换芯片的驱动。

3.原生的串口到串口（TTL —> TTL ）

       ①原生的串口通信主要是控制器跟串口的设备或者传感器通信，不需要经过电平转换芯片来转换电平，直接就用TTL电平通信。
       ②GPS模块、GSM模块、串口转WIFI模块、HC04蓝牙模块。

       起始位：由1个逻辑0的数据位表示，即就是0。

       结束位：由0.5个、1个、1.5个或2个逻辑1的数据位表示。

       有效数据：在起始位后紧接着的就是有效数据，有效数据的长度常被约定为5、6、7或8位长。

       校验位：可选，为的是数据的抗干扰性。
校验方法分为：
       1-奇偶校验（odd）、2-偶校验（even）
       3-0校验（space）、4-校验（mark）
       5-无校验（noparity）

       奇校验（odd）：有效数据和校验位中“1”的个数为奇数

       比如一个8位长的有效数据为：01101001，此时总共有4个“1”，为达到奇校验效果，校验位为“1”，最后传输的数据将是8位的有效数据加上1位的校验位总共9位。

       偶校验（even）：有效数据和校验位中“1”的个数为偶数

       比如一个8位长的有效数据为：01101001，此时总共有4个“1”，为达到偶校验效果，校验位为“0”，最后传输的数据将是8位的有效数据加上1位的校验位总共9位。

       0校验是不管有效数据中的内容是什么，校验位总为“0”。
       1校验是校验位总为“1”。
       无校验就是数据包中不包含校验位。

二、STM32串口相关寄存器及框图

USART框图：

1.引脚

       由图可以看出，USART有8个引脚，分别是：TX（数据发送）、RX（数据接收）、SCLK（时钟，仅同步通信时使用，但是我们一般使用异步，所以一般不使用这个时钟）、nRTS（请求发送）、nCTS（清除发送），“n”表示低电平有效，nRTS和nCTS这两个引脚也很少用。SW_RX、IRDA_OUT、IRDA_IN这些引脚也很少用，如果需要用到的话，可以查对应的IO引脚分配表。

2.寄存器

①关于字长：

       字长可以通过编程USART_CR1寄存器中的M位，选择8或9位。在起始位期间，TX脚处于低电平，在停止位期间处于高电平。

       其中n个停止位中的“n”是不确定的，它可以通过USART_CR2的STOP位来配置：

       我们常用的是1个停止位。

       可能的奇偶校验位由USART_CR1的PCE、PS和PEIE位配置：

       先设置PCE（校验控制使能）位进行使能，使能后再设置PS（校验选择）位决定是奇校验还是偶校验，使能PEIE（PE中断使能）位在校验结果和预期的结果不一样时产生中断。 产生中断以后就会有相应的标志位置位，就是USART_SR的PE位置位：

       将该位置为1表示奇偶校验出错。

       数据寄存器：USART_DR，9位有效，包含一个发送数据寄存器TDR和一个接收数据寄存器RDR。一个地址对应了两个物理内存。TDR寄存器提供了内部总线和输出移位寄存器之间的并行接口，RDR寄存器提供了输入移位寄存器和内部总线之间的并行接口。

②发送数据和接收数据的过程。

       发送数据之前需要先设置USART_CR1的UE、TE和RE位：

       UE（USART使能）位设为1则USART使能，即打开串口。

       TE（发送使能）可以让串口通过外部引脚对外发送数据。

       RE（接收使能）可以让串口通过引脚接收外部设备发送的数据。

       发送数据：
       设置UE=1，TE=1，

       发送的数据可以来自CPU或来自DMA请求，将数据写入到发送数据寄存器（TDR）中，然后发送数据寄存器里的数据会发送到发送移位寄存器中，这时候USART_SR寄存器的TXE位会被置1；然后发送移位寄存器会将数据一个bit一个bit发到TX端。当数据发送完成后USART_SR寄存器的TC位会被置1。

       接收数据：
       UE=1，RE=1。

       外部设备的数据由RX传到接收移位寄存器，当接收移位寄存器里的数据全部发送到接收数据寄存器后，USART_SR的RXNE位置1，表示数据已经收到，可以读出了。

       还有一些和发送接收数据相关的寄存器（都在USART_CR1中）：

③波特率

       波特率是由波特比率寄存器（USART_BRR）设置的。

这是波特率的公式：
       所以我们要设置波特率，只要算出USARTDIV的值就行，算出以后写入到USART_BRR寄存器中就设置好波特率了。下面是一些计算USARTDIV的例子：