一、串口通讯协议简介

串口通讯(Serial Communication)是一种设备间非常常用的串行通讯方式，因为它简单便捷，因此大部分电子设备都支持该通讯方式， 电子工程师在调试设备时也经常使用该通讯方式输出调试信息。

在计算机科学里，大部分复杂的问题都可以通过分层来简化。如芯片被分为内核层和片上外设；STM32标准库则是在寄存器与用户代码之间的软件层。 对于通讯协议，我们也以分层的方式来理解，最基本的是把它分为物理层和协议层。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。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。 简单来说物理层规定我们用嘴巴还是用肢体来交流，协议层则规定我们用中文还是英文来交流。

RS-232标准接口（又称EIA RS-232）是常用的串行通信接口标准之一
RS-232解析

1、物理层

串口通讯的物理层有很多标准及变种，我们主要讲解RS-232标准 ，RS-232标准主要规定了信号的用途、通讯接口以及信号的电平标准。

使用RS-232标准的串口设备间常见的通讯结构见图。

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2、电平标准

在上面的通讯方式中，两个通讯设备的“DB9接口”之间通过串口信号线建立起连接，串口信号线中使用“RS-232标准”传输数据信号。 由于RS-232电平标准的信号不能直接被控制器直接识别，所以这些信号会经过一个“电平转换芯片”转换成控制器能识别的“TTL标准”的电平信号，才能实现通讯。

根据通讯使用的电平标准不同，串口通讯可分为TTL标准及RS-232标准，TTL电平标准与RS232电平标准。

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电子电路中常使用TTL的电平标准，理想状态下，使用5V表示二进制逻辑1，使用0V表示逻辑0； 而为了增加串口通讯的远距离传输及抗干扰能力，它使用-15V表示逻辑1，+15V表示逻辑0。 使用RS232与TTL电平校准表示同一个信号时的对比见图 RS-232与TTL电平标准下表示同一个信号。

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3、信号线

RS-232串口标准常用于计算机、路由与调制调解器(MODEN，俗称“猫”)之间的通讯 ，在这种通讯系统中， 设备被分为数据终端设备DTE(计算机、路由)和数据通讯设备DCE(调制调解器)。我们以这种通讯模型讲解它们的信号线连接方式及各个信号线的作用。在旧式的台式计算机中一般会有RS-232标准的COM口(也称DB9接口)。

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4、协议层

串口通讯的数据包由发送设备通过自身的TXD接口传输到接收设备的RXD接口。在串口通讯的协议层中， 规定了数据包的内容，它由启始位、主体数据、校验位以及停止位组成，通讯双方的数据包格式要约定一致才能正常收发数据， 其组成见图 串口数据包的基本组成。

串口数据包的基本组成

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波特率：数据信号对载波的调制速率，串口异步通讯中由于没有时钟信号(如前面讲解的DB9接口中是没有时钟信号的)， 所以两个通讯设备之间需要约定好波特率，即每个码元的长度，以便对信号进行解码， 图 串口数据包的基本组成 中用虚线分开的每一格就是代表一个码元。常见的波特率为4800、9600、115200等。

通讯的起始和停止信号：串口通讯的一个数据包从起始信号开始，直到停止信号结束。数据包的起始信号由一个逻辑0的数据位表示， 而数据包的停止信号可由0.5、1、1.5或2个逻辑1的数据位表示，只要双方约定一致即可。

有效数据：在数据包的起始位之后紧接着的就是要传输的主体数据内容，也称为有效数据，有效数据的长度常被约定为5、6、7或8位长。

数据校验：在有效数据之后，有一个可选的数据校验位。由于数据通信相对更容易受到外部干扰导致传输数据出现偏差， 可以在传输过程加上校验位来解决这个问题。校验方法有奇校验(odd)、偶校验(even)、0校验(space)、1校验(mark)以及无校验(noparity)。
奇校验要求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。
偶校验与奇校验要求刚好相反，要求帧数据和校验位中“1”的个数为偶数， 比如数据帧：11001010，此时数据帧“1”的个数为4个，所以偶校验位为“0”。
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”。

二·、STM32的USART简介

通用同步异步收发器(Universal Synchronous Asynchronous Receiver and Transmitter)是一个串行通信设备， 可以灵活地与外部设备进行全双工数据交换。 有别于USART还有一个UART(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter)， 它是在USART基础上裁剪掉了同步通信功能，只有异步通信。 简单区分同步和异步就是看通信时需不需要对外提供时钟输出，我们平时用的串口通信基本都是UART。

串行通信一般是以帧格式传输数据，即是一帧一帧的传输，每帧包含有起始信号、数据信息、停止信息， 可能还有校验信息。USART就是对这些传输参数有具体规定，当然也不是只有唯一一个参数值，很多参数值都可以自定义设置，只是增强它的兼容性。

USART满足外部设备对工业标准NRZ异步串行数据格式的要求，并且使用了小数波特率发生器， 可以提供多种波特率，使得它的应用更加广泛。USART支持同步单向通信和半双工单线通信；还支持局域互连网络LIN、 智能卡(SmartCard)协议与lrDA(红外线数据协会) SIR ENDEC规范。

USART支持使用DMA，可实现高速数据通信，有关DMA具体应用将在DMA章节作具体讲解。

USART在STM32应用最多莫过于“打印”程序信息，一般在硬件设计时都会预留一个USART通信接口连接电脑， 用于在调试程序是可以把一些调试信息“打印”在电脑端的串口调试助手工具上，从而了解程序运行是否正确

1、USART功能框图

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TX： 发送数据输出引脚。

RX： 接收数据输入引脚。

2、数据寄存器

USART数据寄存器(USART_DR)只有低9位有效，并且第9位数据是否有效要取决于USART控制寄存器1(USART_CR1)的M位设置， 当M位为0时表示8位数据字长，当M位为1表示9位数据字长，我们一般使用8位数据字长。

USART_DR包含了已发送的数据或者接收到的数据。USART_DR实际是包含了两个寄存器，一个专门用于发送的可写TDR， 一个专门用于接收的可读RDR。当进行发送操作时，往USART_DR写入数据会自动存储在TDR内；当进行读取操作时，向USART_DR读取数据会自动提取RDR数据。

TDR和RDR都是介于系统总线和移位寄存器之间。串行通信是一个位一个位传输的，发送时把TDR内容转移到发送移位寄存器， 然后把移位寄存器数据每一位发送出去，接收时把接收到的每一位顺序保存在接收移位寄存器内然后才转移到RDR。

USART支持DMA传输，可以实现高速数据传输。

3、控制器

USART有专门控制发送的发送器、控制接收的接收器，还有唤醒单元、中断控制等等。 使用USART之前需要向USART_CR1寄存器的UE位置1使能USART，UE位用来开启供给给串口的时钟。

发送或者接收数据字长可选8位或9位，由USART_CR1的M位控制。

4、发送器

当USART_CR1寄存器的发送使能位TE置1时，启动数据发送，发送移位寄存器的数据会在TX引脚输出， 低位在前，高位在后。如果是同步模式SCLK也输出时钟信号。

一个字符帧发送需要三个部分：起始位+数据帧+停止位。起始位是一个位周期的低电平，位周期就是每一位占用的时间； 数据帧就是我们要发送的8位或9位数据，数据是从最低位开始传输的；停止位是一定时间周期的高电平。

停止位时间长短是可以通过USART控制寄存器2(USART_CR2)的STOP[1:0]位控制，可选0.5个、1个、1.5个和2个停止位。 默认使用1个停止位。2个停止位适用于正常USART模式、单线模式和调制解调器模式。0.5个和1.5个停止位用于智能卡模式。

当选择8位字长，使用1个停止位时，具体发送字符时序图，如下

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编程重要的标志位：

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5、接收器

如果将USART_CR1寄存器的RE位置1，使能USART接收，使得接收器在RX线开始搜索起始位。 在确定到起始位后就根据RX线电平状态把数据存放在接收移位寄存器内。接收完成后就把接收移位寄存器数据移到RDR内， 并把USART_SR寄存器的RXNE位置1，同时如果USART_CR2寄存器的RXNEIE置1的话可以产生中断。

在接收数据时，编程的时候有几个比较重要的标志位我们来总结下。

6、校验控制

STM32F103系列控制器USART支持奇偶校验。当使用校验位时，串口传输的长度将是8位的数据帧加上1位的校验位总共9位， 此时USART_CR1寄存器的M位需要设置为1，即9数据位。将USART_CR1寄存器的PCE位置1就可以启动奇偶校验控制， 奇偶校验由硬件自动完成。启动了奇偶校验控制之后，在发送数据帧时会自动添加校验位，接收数据时自动验证校验位。 接收数据时如果出现奇偶校验位验证失败，会见USART_SR寄存器的PE位置1，并可以产生奇偶校验中断。

使能了奇偶校验控制后，每个字符帧的格式将变成：起始位+数据帧+校验位+停止位。

7、 USART初始化结构体详解

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

8、USART时钟初始化结构体

typedef struct {
    uint16_t USART_Clock;    // 时钟使能控制
    uint16_t USART_CPOL;     // 时钟极性
    uint16_t USART_CPHA;     // 时钟相位
    uint16_t USART_LastBit;  // 最尾位时钟脉冲
} USART_ClockInitTypeDef;