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9 串口通信（一）

2023-05-16

9.串口通信

通信接口

通信的目的：将一个设备的数据传送到另一个设备，扩展硬件系统
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
名称引脚双工时钟电平设备
USARTTX、RX全双工异步单端点对点
I2CSCL、SDA半双工同步单端多设备
SPISCLK、MOSI、MISO、CS全双工同步单端多设备
CANCAN_H、CAN_L半双工异步差分多设备
USBDP、DM半双工异步差分点对点

引脚

TX代表发送器，是发送数据的引脚或设备；RX代表接收器，是接收数据的引脚或设备。

SCL（Serial Clock Line）是I2C总线的时钟信号线，SCL的频率是可变的，它的频率取决于主设备的时钟信号频率。
SDA（Serial Data Line）是I2C总线的数据信号线，主从设备都可以在SDA线上传输数据。

SCLK（Serial Clock）是SPI总线的时钟信号线。
MOSI（Master Output Slave Input）是主设备输出、从设备输入的信号线，用于主设备向从设备发送数据。
MISO（Master Input Slave Output）是主设备输入、从设备输出的信号线，用于从设备向主设备发送数据或状态信息。
CS (Chip Select) 是SPI总线的片选信号线，用于选择和控制从设备的片选。

CAN_H是CAN总线上的高电平信号线；
CAN_L是CAN总线上的低电平信号线。
在CAN总线的数据通信过程中，CAN_H和CAN_L信号线上的电压差(Differential Voltage)，被称为差分信号，用于在CAN总线上传输数据。

DP和DM是USB总线中的差分信号线，用于在USB设备之间传输数据。DP和DM分别表示正、负两个数据线，也称为USB D+和D-线。

全双工和半双工是两种不同的通信方式：

全双工（Full Duplex）通信中，发送端和接收端可以同时进行通信，即发送端可以一边发送数据，一边接收来自接收端的数据，而接收端也可以一边接收数据，一边发送数据给发送端。全双工通信方式的通信速度相对较快，对于对时同步要求较高的应用场景比较适用，如音频、视频等。
半双工（Half Duplex）通信中，发送端和接收端不能同时进行通信，即需要进行时钟同步，当发送端发送数据时，接收端会先停止接收数据，等待发送端发送完数据后再进行数据接收，这种方式通常比较简单，使用的硬件和软件成本也低，但通信效率较低。

单端和差分是电气信号传输中两种不同的传输方式：

单端传输（Single Ended Transmission）指信号源将信号通过一条信号线发送给接收端，接收端通过读取信号线上的电平来解码出信号信息。在单端传输中，信号源和接收端之间使用的是同一个接地电压，而信号的电压范围则由电源电压和接收器的输入范围共同决定。
差分传输（Differential Transmission）指信号源将一个信号的两个补码（即正补码和负补码）通过两条信号线同时传输给接收端，接收端通过在这两条信号线上相减或相加来得到差分信号。差分传输中的正负补码在传输过程中都是进行了加密和校验的，这样即使信号在传输过程中受到了干扰或失真，接收端也能够通过差分原理正确地解码出信号信息。在差分传输中，信号源和接收端之间没有共同的接地电压，而信号的电压范围可以通过调整两个补码的大小来实现。

9.1 USART串口协议

串口通信

•串口是一种应用十分广泛的通讯接口，串口成本低、容易使用、通信线路简单，可实现两个设备的互相通信
•单片机的串口可以使单片机与单片机、单片机与电脑、单片机与各式各样的模块互相通信，极大地扩展了单片机的应用范围，增强了单片机系统的硬件实力

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硬件电路

简单双向串口通信有两根通信线（发送端TX和接收端RX）
TX与RX要交叉连接
当只需单向的数据传输时，可以只接一根通信线
当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片

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电平标准

电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系，串口常用的电平标准有如下三种：
1.TTL电平：+3.3V或+5V表示1，0V表示0
2.RS232电平：-3~-15V表示1，+3~+15V表示0
3.RS485电平：两线压差+2~+6V表示1，-2~-6V表示0（差分信号）

串口参数及时序

波特率：串口通信的速率
起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平
数据位：数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平，低位先行
校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来
停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平

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串口时序

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Tx引脚输出定时的翻转的高低电平；Rx引脚定时读取引即的高低电平

9.2 USART串口外设

USART简介

1.USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）通用同步/异步收发器(主要还是学习异步通信)
2.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
3.自带波特率发生器（相当于分频器），最高达4.5Mbits/s
4.可配置数据位长度（8/9）、停止位长度（0.5/1/1.5/2）
5.可选校验位（无校验/奇校验/偶校验）
6.支持同步模式（clk时钟输出）、硬件流控制（防止B处理慢而导致数据丢失的问题）、DMA、智能卡、IrDA、LIN

STM32F103C8T6 USART资源： USART1（APB2）、 USART2（APB1）、 USART3（APB1）
一般常选波特率9600或者115200，数据位8位，停止位1位，无校验

USART框图

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USART基本结构

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数据帧

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一般选择：9位字长带校验，8位字长无校验

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一般选择一个停止位

起始位侦测

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确定下来起始位，对齐之后，以后就都在8，9，10处采样即可

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如果是2个0或2个1，噪声标志位NE置1

波特率发生器

发送器和接收器的波特率由波特率寄存器BRR里的DIV确定
计算公式：波特率 = fPCLK2/1 / (16 * DIV)

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CH340原理图

数据模式

HEX模式/十六进制模式/二进制模式：以原始数据的形式显示
文本模式/字符模式：以原始数据编码后的形式显示

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串口通信

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