串行通信技術(shù)8.1通信技術(shù)基礎(chǔ)8.2STM32的異步串行通信8.3STM32的串口通信應(yīng)用組習(xí)題8

本章要點(diǎn)

☆通信技術(shù)的基本概念：單工、半雙工、全雙工、波特率、信號時鐘定位、調(diào)制/解調(diào)

☆串行通信與并行通信，異步通信與同步通信的區(qū)別

☆通信數(shù)據(jù)校驗和數(shù)據(jù)的表示

☆STM32USART的功能

☆STM32的串行通信應(yīng)用

8.1通信技術(shù)基礎(chǔ)

8.1.1概述1.數(shù)據(jù)傳送方式數(shù)據(jù)通信按信息在設(shè)備間傳送的方向和時間的不同，可分為單工、半雙工和全雙工三種方式，如圖8.1所示。圖8.1數(shù)據(jù)傳送方式

1）單工方式

只允許數(shù)據(jù)按照一個固定的方向傳送，即一方只能作為發(fā)送站，另一方只能作為接收站。

2）半雙工方式

數(shù)據(jù)能雙向，但是不能同時雙向傳送。

3）全雙工方式

允許通信雙方同時進(jìn)行發(fā)送和接收。

2.串行通信與并行通信

在微型計算機(jī)中，通信（數(shù)據(jù)交換）有兩種方式：串行通信和并行通信，如圖8.2所示。圖8.2串行通信與并行通信對比

串行通信——是指計算機(jī)與I/O設(shè)備之間僅通過1～2根傳輸線交換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位是按順序依次一位接一位進(jìn)行傳送。

并行通信——是指計算機(jī)與I/O設(shè)備之間通過多根傳輸線交換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)各位同時進(jìn)行傳送。

值得注意的是，所謂的串行和并行，僅是指I/O接口與I/O設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換是串行或并行，而CPU與I/O接口之間數(shù)據(jù)交換總是采用并行方式。本章主要討論串行通信。

3.調(diào)制和解調(diào)

對于遠(yuǎn)距離的信號傳輸，如果采用方波數(shù)字信號形式，容易發(fā)生信號畸變，誤碼率高。一般采用調(diào)制器把要發(fā)送的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成正弦模擬信號，送到通信線路上，接收方采用解調(diào)器把收到的模擬信號還原成數(shù)字信號，從而有效地消除數(shù)據(jù)通信中的信號失真，并可方便地利用各種傳輸介質(zhì)，如公用電話交換網(wǎng)、無線電波、微波等進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。大多數(shù)情況下，通信是雙向的，將調(diào)制/解調(diào)功能集成在一個裝置中，稱為調(diào)制解調(diào)器。

如圖8.3所示，Modem把從RS-232輸入的發(fā)送方方波數(shù)字信號調(diào)制成適合介質(zhì)傳輸?shù)恼{(diào)制波，送至模擬發(fā)送端輸出；同時它也把從模擬接收端收到的調(diào)制波解調(diào)還原成方波數(shù)字信號送至RS-232輸出接口，返回給通信發(fā)送方。圖8.3串行通信和調(diào)制解調(diào)器

用的調(diào)制方式有三種：調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM），分別用調(diào)制信號控制載波的振幅、頻率和相位，如圖8.4所示。圖8.4串行通訊調(diào)制方式

4.數(shù)據(jù)傳輸率

串行通信中常采用比特率和波特率來表示數(shù)據(jù)在信道中的傳輸速率。

1）比特率

比特率用單位時間內(nèi)傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼的有效位（bit）數(shù)來表示，其單位為每秒比特數(shù)bit/s（b/s）、每秒千比特數(shù)（kb/s）或每秒兆比特數(shù)（Mb/s）。

2）波特率

當(dāng)要將數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送時，往往是通過調(diào)制解調(diào)技術(shù)進(jìn)行。波特率即調(diào)制速率，指的是數(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)的改變次數(shù)來表示，它也是對信號傳輸速率的一種度量，通常以波特每秒（Baud/s）為單位。

8.1.2異步通信與同步通信

1.信號的時鐘定位

如圖8.5所示，為了正確地收發(fā)信息，在通信過程中，每一位持續(xù)時間是固定的，因此無論是發(fā)送還是接收，都必須由時鐘信號對傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，并且通信雙方的時鐘應(yīng)該同步。圖8.5信號的時鐘定位

1）發(fā)送時鐘

發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送入移位寄存器，然后在發(fā)送時鐘的控制下，將該并行數(shù)據(jù)逐位移位輸出。

2）接收時鐘

接收串行數(shù)據(jù)時，在接收時鐘的上升沿對輸入數(shù)據(jù)采樣，進(jìn)行數(shù)據(jù)位檢測，并將其移入接收器的移位寄存器中，最后組成并行數(shù)據(jù)輸出。

3）波特率因子

在波特率指定后，輸入/輸出移位寄存器在接收/發(fā)送時鐘控制下，按指定的波特率速度進(jìn)行移位，一般幾個時鐘脈沖移位一次。

2.同步的問題

在數(shù)字通信中，同步是十分重要的，它保證了接收方能接收到與發(fā)送方一致的信息。按同步方式的不同，串行通信可分為異步傳輸和同步傳輸兩種方式。

當(dāng)發(fā)送器通過傳輸介質(zhì)向接收器傳輸數(shù)據(jù)信息時，如每次發(fā)出一個字符（或一個數(shù)據(jù)幀）的數(shù)據(jù)信號，接收器必須識別出該字符（或該幀）數(shù)據(jù)信號的開始位和結(jié)束位，以便在適當(dāng)?shù)臅r刻正確地讀取該字符（或該幀）數(shù)據(jù)信號的每一位信息，這就是接收器與發(fā)送器之間的同步問題。

當(dāng)以數(shù)據(jù)幀為單位傳輸數(shù)據(jù)信號時，為了保證傳輸信號的完整性和準(zhǔn)確性，除了要求接收器應(yīng)能識別每個字符（或數(shù)據(jù)幀）對應(yīng)信號的起止，以保證在正確的時刻開始和結(jié)束讀取信號，也即保持傳輸信號的完整性外，還要求使其時鐘與發(fā)送器保持相同的頻率，以保證單位時間讀取的信號單元數(shù)相同，也即保證傳輸信號的準(zhǔn)確性。

因此當(dāng)以數(shù)據(jù)幀傳輸數(shù)據(jù)信號時，要求發(fā)送器應(yīng)對所發(fā)送的信號采取以下兩個措施：

（1）在每幀數(shù)據(jù)對應(yīng)信號的前面和后面分別添加有別于數(shù)據(jù)信號的開始信號和結(jié)束信號；

（2）在每幀數(shù)據(jù)信號的前面添加時鐘同步信號，以保證接收器的時鐘同步。

異步傳輸以字符為單位傳輸數(shù)據(jù)，采用位形式的起止同步信號，發(fā)送器和接收器具有相互獨(dú)立的時鐘（頻率相差不能太多），并且兩者中任一方都不向?qū)Ψ教峁r鐘同步信號。

同步傳輸以數(shù)據(jù)幀為單位傳輸數(shù)據(jù)，可采用字符形式或位組合形式的幀同步信號（后者的傳輸效率和可靠性高），由發(fā)送器或接收器提供專用于同步的時鐘信號。

3.異步串行通信方式

1）異步串行通信方式的特點(diǎn)

所謂異步通信，是指數(shù)據(jù)傳送以字符為單位，字符與字符間的傳送是完全異步的，位與位之間的傳送基本上是同步的。異步串行通信的特點(diǎn)可以概括為：

（1）以字符為單位傳送信息。

（2）相鄰兩字符間的間隔可任意長。

（3）接收時鐘和發(fā)送時鐘只要頻率相近就可以。

簡單說就是：字符間異步，字符內(nèi)部各位同步。

2）異步串行通信方式的數(shù)據(jù)格式（字符格式）

異步串行通信數(shù)據(jù)格式的每個字符（每幀信息）由4個部分組成，如圖8.6所示。

（1）1位起始位，規(guī)定為低電平0。

（2）5～8位數(shù)據(jù)位，即要傳送的有效信息。

（3）1位奇偶校驗位。

（4）1～2位停止位，規(guī)定為高電平1。圖8.6異步串行通信數(shù)據(jù)格式

4.同步串行通信方式

1）同步串行通信方式的特點(diǎn)

所謂同步串行通信，是指數(shù)據(jù)傳送是以數(shù)據(jù)塊（一組字符）為單位，字符與字符之間、字符內(nèi)部的位與位之間都同步。同步串行通信的特點(diǎn)可以概括為：

（1）以數(shù)據(jù)塊為單位傳送信息。

（2）在一個數(shù)據(jù)塊（信息幀）內(nèi)，字符與字符間無間隔。

（3）接收時鐘與發(fā)送時鐘嚴(yán)格同步。

同步串行通信數(shù)據(jù)格式的每個數(shù)據(jù)塊（信息幀）由3個部分組成，如圖8.7所示。

（1）2個同步字符作為一個數(shù)據(jù)塊（信息幀）的起始標(biāo)志。

（2）n個連續(xù)傳送的數(shù)據(jù)。

（3）2個字節(jié)循環(huán)冗余校驗碼（CRC）。圖8.7同步串行通信數(shù)據(jù)格式

8.1.3通信數(shù)據(jù)校驗

數(shù)字信號在傳輸線路上受各種干擾的影響，以致會產(chǎn)生誤碼，因此必須引入數(shù)據(jù)校驗技術(shù)來驗證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和有效性。目前，最為常見的校驗技術(shù)有奇偶校驗、循環(huán)冗余校驗、和校驗。下面將依次介紹這三種校驗技術(shù)的原理。

1.奇偶校驗

發(fā)送數(shù)據(jù)時，在數(shù)據(jù)位后附加1個二進(jìn)制位作為奇偶校驗位。奇校驗時，數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)與校驗位“1”的個數(shù)之和應(yīng)為奇數(shù)；偶校驗時，數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)與校驗位“1”的個數(shù)之和應(yīng)為偶數(shù)。

2.循環(huán)冗余校驗

奇偶校驗碼作為一種檢錯碼雖然簡單，但是漏檢率太高。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信中應(yīng)用最廣泛的檢錯碼，是一種漏檢率在0.0047％以下，也便于實(shí)現(xiàn)的循環(huán)冗余碼，又稱多項式碼。其特征是信息字段和校驗字段的長度可任意選定。

1）CRC校驗基本原理

2）CRC校驗和計算

關(guān)于生成多項式G（x），目前國際上有下面幾類標(biāo)準(zhǔn)：

3.和校驗

和校驗的基本原理與循環(huán)冗余校驗非常類似，也是在信息字段后面附加一個檢驗字段。只是這個檢驗字段的計算方法比較簡單，常采用累加和、異或運(yùn)算生成檢驗字段。

1）累加和校驗

發(fā)送方將即將發(fā)送的全部或部分字節(jié)的數(shù)值進(jìn)行算術(shù)累加，累加的初值一般取0，累加時不考慮進(jìn)位，將最終得到的一字節(jié)的累加和作為校驗碼附在數(shù)據(jù)字節(jié)后一并發(fā)送。

2）異或校驗

如果把累加和校驗中的累加運(yùn)算改成異或運(yùn)算，就得到了異或校驗。異或校驗在IC卡接口通信以及很多嵌入式系統(tǒng)的串口通信領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。異或時的初值一般也取0。

8.1.4數(shù)據(jù)的表示

在數(shù)字系統(tǒng)中，邏輯值通常用信號和電源地之間的電位差來表示，在二值邏輯系統(tǒng)中即使是兩個不同的電壓值，也可以用電流大/小來表示。每個數(shù)字系統(tǒng)都存在一個特定的閾值，信號電平比閾值低就是邏輯0，反之則為邏輯1，中間電平的邏輯狀態(tài)是未知的。

1.TTL電平

TTL電路是一種基于雙極性晶體管技術(shù)的數(shù)字電路，曾經(jīng)在計算機(jī)、工業(yè)控制、測試設(shè)備以及家用電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，它的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了計算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展。TTL電路采用5V電源，對輸入而言，信號電壓在2.0Ｖ～VCC之間時為邏輯1，信號電壓≤0.8Ｖ則為邏輯0，0.8～2.0Ｖ之間電壓的狀態(tài)是不確定的；TLL的輸出在0.0～0.4Ｖ之間時為邏輯0，在2.4Ｖ～VCC之間為邏輯1，TTL電路的噪聲容限為0.4Ｖ。

TTL電平是控制設(shè)備內(nèi)部集成電路間通信的標(biāo)準(zhǔn)，TTL電平信號可直接與集成電路連接而不需要額外的線路驅(qū)動器和接收器。TTL通信在大多數(shù)情況下采用并行數(shù)據(jù)傳輸方式，易于受到干擾，傳輸距離短。如IEEE488協(xié)議規(guī)定任意兩個設(shè)備間通信距離＜2ｍ，而串行通信距離可達(dá)1200ｍ。

2.RS232電平

為解決數(shù)字終端設(shè)備（DTE）和數(shù)字通訊設(shè)備（DCE）間的通信問題，美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）于1962年制定了RS-232串行通訊標(biāo)準(zhǔn)，目前應(yīng)用最多的是EIA在1969年發(fā)布的RS-232C版本，即RS-232C。RS-232C采用標(biāo)準(zhǔn)D型（9針或25針）連接器，如圖8.8所示。圖8.8RS-232C連接器

1）信號線

RS-232C連接器引腳定義見表8.1。

2）邏輯電平

RS-232C的數(shù)據(jù)收/發(fā)采用各自獨(dú)立的電路，故可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信。

RS-232C利用一條信號線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，是不平衡傳輸方式（也稱單端傳輸），容易受到公共地線上的電位差和外部干擾信號的影響，這也是RS-232C采用較高邏輯電平的原因。RS-232C還存在以下不足之處：

（1）傳輸速率較低，最高傳輸速率為20ｋb/s；

（2）傳輸距離短，最大通信距離為15ｍ；

（3）信號電平明顯高于集成電路的邏輯電平，需要接口電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，方能與TTL電路連接。

3）RS－232Ｃ電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換

RS－232Ｃ是用正負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。

MAX-232是MAXIM公司生產(chǎn)的單電源（5Ｖ）電平轉(zhuǎn)換芯片。圖8.9為MAX-232引腳圖，圖8.10為MAX-232串口接線圖。圖8.9MAX-232引腳圖圖8.10MAX-232串口接線圖

3.RS－422標(biāo)準(zhǔn)

RS－422全稱是“差分電壓接口電路的電氣特性”。與RS－232Ｃ不同，其數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸（也稱平衡傳輸）方式，它使用兩根信號線（同相Y/A，反相Z/B）傳送相位差為180°的兩個信號來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通常情況下信號電壓差值≥0.2Ｖ為邏輯1，差值≤－0.2Ｖ則為邏輯0。與RS－232Ｃ的單端傳輸方式相比，采用雙絞線的差分傳輸具有較強(qiáng)的抗外部噪聲和共模干擾的能力，因而有較遠(yuǎn)的傳輸距離和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

RS－422沒有定義通信的鏈路層，因此盡管一個RS－422驅(qū)動器能夠連接最多10個接收器，但總線上只能有一個主機(jī)，其余為從機(jī)，從機(jī)之間不能通信。

RS－422的傳輸距離與傳輸速率成反比，在最高10Mb/s時傳輸距離僅為12ｍ，而在100ｋb/s時傳輸距離可達(dá)1200ｍ。在高速或遠(yuǎn)距離傳輸時，為提高可靠性，RS－422總線的接收端需要連接終端匹配電阻（阻值≈傳輸電纜特性阻抗）。采用MAXIM公司的MAX-488的RS-422全雙工通信連接參見圖8.11和表8.2。

4.RS－485標(biāo)準(zhǔn)

RS－485是從RS－422基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，所以RS－485的許多規(guī)定與RS－422相仿，如采用平衡傳輸方式、需要在傳輸線上接終端電阻等。較RS－422，RS－485常采用2線（半雙工）方式實(shí)現(xiàn)多設(shè)備互聯(lián)通信，也可以用四線（全雙工）方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)─點(diǎn)通信。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定總線最多連接32個設(shè)備，但提高接收器輸入阻抗連接設(shè)備數(shù)可達(dá)128。最大共模電壓RS－485為－7～＋12Ｖ，RS－422為±7Ｖ。RS－485滿足所有RS422的規(guī)定，所以RS－485的收發(fā)器可以用在RS－422網(wǎng)絡(luò)中。采用ＭＡＸ485的RS－485半雙工通信連接參見圖8.12。圖8.122線半雙工RS485通信

8.2STM32的異步串行通信

8.2.1STM32USART功能簡介STM32的通用同步異步收發(fā)器（USART）功能十分強(qiáng)大，除支持最基本的通用串行同步/異步通信以外，還支持局域互聯(lián)網(wǎng)LIN、IRDA（紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會）SIR編/解碼、智能卡以及調(diào)制解調(diào)器操作（CTS/RTS）。

1.USART的特點(diǎn)

USART模塊具有以下特點(diǎn)：

·全雙工的異步通信，同步模式下可輸出同步時鐘。

·支持不歸零（異步串行通信數(shù)據(jù)格式。

·采用小數(shù)波特率發(fā)生器，支持波特率范圍廣，最高達(dá)4.5Ｍb/s。

·支持8位或9位的數(shù)據(jù)長度以及1個或2個停止位。

·支持單工、半雙工以及多處理器通信。

·提供DMA方式（可配置多緩沖器通信），支持高速數(shù)據(jù)通信。

USART模塊擁有多個控制和狀態(tài)標(biāo)志位：

·發(fā)送器和接收器控制位：發(fā)送器和接收器有各自獨(dú)立的使能位。

·硬件奇偶校驗：計算、發(fā)送校驗位；對已接收數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗。

·數(shù)據(jù)傳送：RX數(shù)據(jù)寄存器滿、TX數(shù)據(jù)寄存器空和傳輸結(jié)束標(biāo)志。

·出錯檢測：溢出錯誤、噪音錯誤、幀錯誤以及奇偶校驗錯誤。

·10個帶標(biāo)志的中斷源：CTS改變、LIN斷開檢測、TX數(shù)據(jù)寄存器空、發(fā)送完成、RX數(shù)據(jù)寄存器滿、檢測到總線空、溢出錯誤、幀錯誤、噪音錯誤和奇偶校驗錯誤。

2.USART模式配置

STM32有5個USART模塊，其中USART4和UART5不支持同步模式和其他幾個功能。USART模式配置見表8.3，NA表示不支持該應(yīng)用。USART的功能較為復(fù)雜，有些功能并不常用，下面只討論異步工作模式。

8.2.2USART工作過程分析

STM32USART內(nèi)部框圖如圖8.13所示，USART從上至下主要由三個部分組成，分別是串行數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收、發(fā)送/接收控制以及波特率產(chǎn)生部分。

1.波特率

改變發(fā)送器/接收器時鐘頻率可以改變波特率，USART的波特率和波特率寄存器USART＿BRR中的串口時鐘分頻值USARTDIV有關(guān)。USARTDIV包括DIV＿M(jìn)antissa（整數(shù)部分）和DRVFraction（小數(shù)部分），計算公式為

時鐘（PCLK1或PCLK2）經(jīng)過USARTDIV分頻后作為發(fā)送器及接收器時鐘，控制發(fā)送和接收的時序。

fPCLK

是外設(shè)時鐘頻率（PCLK1或PCLK2，PCLK2僅供USART1用），USARTCIV是一個無符號的定點(diǎn)數(shù)，在USARTDIV寫入USART＿BRR之后，波特率計數(shù)器值會被新值替換。因此，不要在通信過程中改變波特率寄存器的值。常用波特率的USARTDIV

值見表8.4。

2.數(shù)據(jù)長度和校驗位

STM32的USART數(shù)據(jù)長度可以設(shè)成8位或9位，由于8位剛好是一個字節(jié)，因此在實(shí)際應(yīng)用中更多使用的是8位。USART＿CR1（USART控制寄存器1）的Ｍ位定義數(shù)據(jù)長度，PCE位配置奇偶檢驗。USART幀格式如表8.5所示。

3.串行數(shù)據(jù)發(fā)送、接收

當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，CPU或DMA把數(shù)據(jù)寫入到TX數(shù)據(jù)寄存器后，發(fā)送控制器將適時地自動把數(shù)據(jù)從緩沖器加載到發(fā)送移位寄存器，然后通過串口線TX把數(shù)據(jù)一位一位地發(fā)送出去。當(dāng)數(shù)據(jù)從TX數(shù)據(jù)寄存器轉(zhuǎn)移到移位寄存器時，會設(shè)置TX數(shù)據(jù)寄存器空標(biāo)志（TXE），當(dāng)數(shù)據(jù)從移位寄存器全部發(fā)送出去時，會產(chǎn)生發(fā)送完成標(biāo)志（TC）。

4.USART中斷

USART中斷事件如表8.6所示。USART的所有中斷事件被連接到同一個中斷向量US?ARTX＿IRQn，如圖8.14所示，如果設(shè)置了使能控制位，這些事件就可以產(chǎn)生中斷。圖8.14USART中斷映射圖

8.3STM32的串口通信應(yīng)用

串口既可作為MCU的重要外部接口，同時也是軟件開發(fā)過程中重要的調(diào)試手段（借助PC串口調(diào)試助手等軟件，可以把程序運(yùn)行過程中的變量值返回計算機(jī)顯示，這比LED能顯示更多的調(diào)試信息）。

1.PC上的串口配置

近年來，通用串行總線USB（通信技術(shù)以其易插拔、速度快、即插即用和獨(dú)立供電等特點(diǎn)，已得到廣泛的應(yīng)用。而現(xiàn)有PC幾乎沒有