代码收藏家 STM32通用同步和异步通信技术
一、通信
通信：CPU与外围设备之间的信息交换
通信协议：制定通信的规则，通信双方按照协议规则进行数据收发
1.1 通信分类
基本的通信方式有并行通信和串行通信
串行通信：将数据字节一位一位的依次传送的方式。串行通信的缺点是速度慢，优点是使用的传输线条数少，适用于远距离传输
并行通信：将数据字节的各位同时传送的方式。并行通信的优点是数据传送速度快，缺点是使用的传输线条数多，适用于近距离传输
1.2 通信方式
（1）单工通信：数据只允许向一个方向进行传送
（2）半双工通信：数据允许向两个方向进行传送，但传送与接收的过程不能同时进行
（3）全双工通信：数据允许向两个方向进行传送，并且传送与接收的过程可以同时进行
1.3 通信协议
单端：引脚的电平是对GND的电压差，单端通信的双方要共地
差分信号：差分引脚的电压差来传输信号，在通信时可不接GND（USB需要接GND）
如果通信双方的电平标准不一致时，需要加电平转换芯片，以串口通信为例
二、串行通信
STM32F103C8T6单片机提供强大的串行通信模块，即通用同步/异步收发器（USART，Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter），其支持同步和异步通信，也支持局部互联网（Local Interconnection NetWork,LIN），智能卡协议和红外数据组织（Infrared Data Association，IrDA）协议，以及调制解调器（CTS/RTS）操作，还允许是由DMA，实现数据的高速通信
STM32F103C8T6单片机 拥有USART1（APB2）、USART2（APB1）、USART3（APB1）串口资源
USART是STM32内部集成的硬件外设，可根据数据寄存器的一个字节数据自动生成数据帧时序，从TX引脚发送出去，也可自动接收RX引脚的数据帧时序，拼接为一个字节数据，存放在数据寄存器里
2.1 串行同步/异步通信
串行异步通信：一次通信传送一个字符帧。在发送字符时，发送的字符之间的时间间隔可以是任意的，但每个数据帧中的各位是以固定时间传送的，但每个数据帧要附加起始位、停止位，有时还要加上校验位。优点：通信设备简单、价格低廉，但因具有起始位和停止位，所以传输效率低
串行同步通信：采用一个同步时钟，设备在通信之前先建立同步，通过一条同步时钟线，加到收发双方，使其达到完全同步。此时，许多字符组成的信息组，一个接一个的传输。在发送信息时，将多个字符加上同步字符组成一个信息帧，把此后的数位作为实际传输信息来处理，在没有信息要传输时，要填上空字符，因为同步传输不允许有间隙
（注：STM32 USART的同步模式，只支持时钟输出，不支持时钟输入）
优点：传输速度快，可用于点对多点，缺点是需要使用专用的时钟控制线实现同步，对于长距离传输，成本较高，通信速率也会降低
2.2 串行异步通信的数据传输形式
串口参数：波特率（自带波特率发生器，最高达4.5Mbits/s）、起始位（低电平）、数据位（8/9）、奇偶校验位（数据位中1的个数的奇偶）、停止位（高电平，0.5/1/1.5/2）
另外，空闲状态下，默认为高电平
波特率：每秒钟传送的符号（码元）数量，单位baud/s。在通信系统中，携带数据信息的信号单元称为码元，也称为符号（symbol）。
比特率：每秒钟传送的比特数量，又称为传信率。比特率基本单位为bit/s或bps
| 码元类型 | 码元状态 | 码元状态总数量（N） | 单个码元所需比特位数（log₂N） |
| 2种状态的码元 | 0、1 | 2 | 1 |
| 4种状态的码元 | 00、01、10、11 | 4 | 2 |
| 8种状态的码元 | 000、001、010、011、100、101、110、110 | 8 | 3 |
在二进制中，一个码元就是一个比特。在数值上两者相等，但单位不同
不同位的停止位的使用：
2.3 USART的结构
USART的主要组成部分包括接收数据输入（RX）、发送数据输出（TX）、清除发送（nCTS）、发送请求（nRTS）和时钟输出（CK）等引脚
TX（Transmit Exchange，传输交换）、RX（Receive Exchange，接收交换）
发送数据寄存器（Transmit Data Register，TDR）、接收数据寄存器（Receive Data Register，RDR）占用同一个地址，在程序上只表现为一个数据寄存器（DR）
发送过程：把数据写入数据寄存器中，会自动清零TXE（TX Empty，发送寄存器空）。当数据转移到移位寄存器中，TXE被置1（表示TDR为空，可以写入下一字节数据）。而移位寄存器中的数据会在发送器控制下，从低到高依次移出到TX引脚
接收过程：字节数据通过RX引脚，到达接收移位寄存器。当移位寄存器中的字节数据转移到RDR中，RXNE（RX Not Empty，接收数据寄存器非空）被置1，此时RDR中的字节数据可被读出
nRTS(Request To Send，发送请求)，nCTS(Clear To Send，清除发送)（n：表示低电平有效）
当接收端可以接收数据时，nRTS置低电平发送收端的nCTS接收后就可以进行发送；当数据没有及时处理时，接收端的nRTS置高电平，发送端的nCTS接收后就停止发送
CK引脚是与TX引脚一起联合工作的，只有在使能了发送器(TE＝1)，并且发送数据时(写入数
据至USART_DR
寄存器
)才提供时钟。
发送移位寄存器每移位一次，同步时钟电平就跳转一个周期
用途：①
兼容其他通信协议，例如：SPI
②
自适应波特率。通过测量时钟的周期，通过计算得到波特率
唤醒单元：实现串口挂载多设备。可以给串口分配一个地址，当发送指定地址时，此设备唤醒开始工作
中断控制：
波特率发送器：
TE：发送器波特率使能控制位，RE：接收器波特率使能控制位
USARTDIV是由1
2位整数和4位小数组成的无符号定点数
Fck
：指挂在对应总线说的时钟（APB1、APB2）
16：内部有一个16倍波特率的采样时钟
起始位检测的策略：
当检测到起始位，之后每位的数据都可以在其中间（8、9、10位采样点）采样，提高了准确性
如果不全相等，噪声标志位也会置1
三、串口收发数据包
对于实际应用中，通常需要将多个字节数据打包成为一个整体，连续进行发送。比如，陀螺仪传感器需要将实时采集的数据（x、y、z）发送至CPU进行处理，这时，对于CPU而言，就需要清楚了明白对应数据的含义
数据包的格式：
对于格式：格式是由个人或其他人定义的，上述格式并不固定
发送数据包：在发送数据前先要发送包头，之后发送数据，最后发送包尾
接收数据包：每收到一个字节数据，都需要进入一次中断。接收完成之后，就需要退出中断。
每接收到一字节数据都是一个独立的过程
对于数据包而言，由包头、数据、包尾组成，具有前后关联性。对于数据包的三部分而言，每部分都需要有不同的处理逻辑。
在不同的状态执行不同的操作，同时还需要进行状态的合理转移，称为状态机。在这里使用状态的方法接收一个数据包，状态转移图如上图所示
每个状态需要使用一个变量标志一下。当S = 0时，判断是否接收到包头，如果接收到包头，将状态变量置1，否则一直等待接收包头；当S = 1时，开始进行接收数据，此时还需要使用一变量记录接收数据的个数，当接收完成后，将状态变量置2，判断是否接收到包尾，如果接收到包尾，将状态变量置0，否则一直等待接收包尾
使用包头+数据+包尾这种的数据格式，可以预防因数据和包头重复造成的错误
四、串口相关库函数
（1）初始化：USART_Init()
（2）中断配置USART_ITConfig()
（3）发送数据：USART_SendData()
（4）接收数据：USART_ReceiveData()
四、串口收发数据配置
（1）开启串口、GPIO（使用对应通道的引脚）的时钟
如果选择重映射的方式，先要使能AFIO时钟，并进行重映射配置
如果重映射的方式，还需要将调式的功能关闭
（2）进行GPIO口的配置
发数据：复用推挽输出
收数据：浮空输入或上拉输入
（3）配置串口，完成初始化
USART_InitTypeDef USART_InitStruct; //初始化USART
USART_InitStruct.USART_BaudRate = 9600;
USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; //硬件流控制：失能
USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; //模式：发送和接收
USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No; //奇偶校验
USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1; //停止位：1位
USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; //字长：8位
USART_Init(USART1,&USART_InitStruct);（4）配置串口中断控制
USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE); //开启接收中断（5）配置NVIC优先级分组
（6）配置NVIC，完成初始化
（7）使能串口
作者：℡☞小白☜ღ
