單片機(jī)串口通訊及通信分類、特點(diǎn)、基本原理、參數(shù)與設(shè)計(jì)計(jì)算方法(圖文并茂解析)

單片機(jī)串口通訊及通信分類、特點(diǎn)、基本原理、參數(shù)與設(shè)計(jì)計(jì)算方法一、按照數(shù)據(jù)傳送方向分類1、單片機(jī)的通訊功能就是由串口實(shí)現(xiàn)的，在串口的基礎(chǔ)上可以擴(kuò)展出RS232、RS485、LIN等。2、單工：數(shù)據(jù)傳輸只支持?jǐn)?shù)據(jù)在一個(gè)方向上傳輸。3、半雙工：允許數(shù)據(jù)在兩個(gè)方向上傳輸。但是，在某一時(shí)刻，只允許數(shù)據(jù)在一個(gè)方向上傳輸，它實(shí)際上是一種切換方向的單工通信；它不需要獨(dú)立的接收端和發(fā)送端，兩者可以合并一起使用一個(gè)端口。4、全雙工：允許數(shù)據(jù)同時(shí)在兩個(gè)方向上傳輸。因此，全雙工通信是兩個(gè)單工通信方式的結(jié)合，需要獨(dú)立的接收端和發(fā)送端分別如下圖中的a、b、c所示。1/9二、按照通信方式分類1、同步通信：帶時(shí)鐘同步信號(hào)傳輸。比如：SPI，IIC通信接口。2、異步通信：不帶時(shí)鐘同步信號(hào)。比如：UART(通用異步收發(fā)器)，單總線在同步通訊中，收發(fā)設(shè)備上方會(huì)使用一根信號(hào)線傳輸信號(hào)，在時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下雙方進(jìn)行協(xié)調(diào)，同步數(shù)據(jù)。例如：通訊中通常雙方會(huì)統(tǒng)一規(guī)定在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿或者下降沿對(duì)數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣。在異步通訊中不使用時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，它們直接在數(shù)據(jù)信號(hào)中穿插一些用于同步的信號(hào)位，或者將主題數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，以數(shù)據(jù)幀的格式傳輸數(shù)據(jù)。通訊中還需要雙方規(guī)約好數(shù)據(jù)的傳輸速率（也就是波特率）等，以便更好地同步。常用的波特率有4800bps、9600bps、115200bps等。在同步通訊中，數(shù)據(jù)信號(hào)所傳輸?shù)膬?nèi)容絕大部分是有效數(shù)據(jù)，而異步通訊中會(huì)則會(huì)包含數(shù)據(jù)幀的各種標(biāo)識(shí)符，所以同步通訊效率高，但是同步通訊雙方的時(shí)鐘允許誤差小，稍稍時(shí)鐘出錯(cuò)就可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)亂，異步通訊雙方的時(shí)鐘允許誤差較大。三、STM32串口通信基礎(chǔ)1、STM32的串口通信接口有兩種，分別是：UART（通用異步收發(fā)器）、USART（通用同步異步收發(fā)器）。而對(duì)于大容量STM32F10x系列芯片，分別有3個(gè)USART和22/9個(gè)UART。2、UART引腳連接方法：①、RXD：數(shù)據(jù)輸入引腳，數(shù)據(jù)接收；②、TXD：數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，數(shù)據(jù)發(fā)送；對(duì)于兩個(gè)芯片之間的連接，兩個(gè)芯片GND共地，同時(shí)TXD和RXD交叉連接。這里的交叉連接的意思就是，芯片1的RxD連接芯片2的TXD，芯片2的RXD連接芯片1的TXD。這樣，兩個(gè)芯片之間就可以進(jìn)行TTL電平通信了。若是芯片與PC機(jī)（或上位機(jī)）相連，除了共地之外，就不能這樣直接交叉連接了。盡管PC機(jī)和芯片都有TXD和RXD引腳，但是通常PC機(jī)（或3/9上位機(jī)）通常使用的都是RS232接口（通常為DB9封裝），因此不能直接交叉連接。RS232接口是9針（或引腳），通常是TxD和RxD經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換得到的。要想使得芯片與PC機(jī)的RS232接口直接通信，需要也將芯片的輸入輸出端口也電平轉(zhuǎn)換成RS232類型，再交叉連接。3、經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后，芯片串口和RS232的電平標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的：①、單片機(jī)是TTL電平：+5V表示1，0V表示0；②、RS232是負(fù)邏輯電平，-3~-15V為1，+3~+15V為0；4、RS-232通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)串口的設(shè)備間通訊結(jié)構(gòu)圖如下：所以單片機(jī)串口與PC串口通信就應(yīng)該遵循下面的連接方式：5、在單片機(jī)串口與上位機(jī)給出的RS232口之間，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路(如下面圖中的Max232芯片)實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS232電4/9平之間的轉(zhuǎn)換。下圖中的P10，也就是上文中提到的DB9。四、STM32的UART特點(diǎn)1、全雙工異步通信；2、分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器系統(tǒng)，提供精確的波特率。發(fā)送和接受共用的可編程波特率，最高可達(dá)4.5Mbits/s；3、可編程的數(shù)據(jù)字長(zhǎng)度（8位或者9位）；4、可配置的停止位（支持1或者2位停止位）；5、可配置的使用DMA多緩沖器通信；6、單獨(dú)的發(fā)送器和接收器使能位；7、檢測(cè)標(biāo)志：①接受緩沖器。②發(fā)送緩沖器空。③傳輸結(jié)束標(biāo)志。5/98、多個(gè)帶標(biāo)志的中斷源，觸發(fā)中斷；9、其他：校驗(yàn)控制，四個(gè)錯(cuò)誤檢測(cè)標(biāo)志。五、串口通信過(guò)程六、STM32中UART參數(shù)1、串口通訊的數(shù)據(jù)包由發(fā)送設(shè)備通過(guò)自身的TXD接口傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備的RXD接口，通訊雙方的數(shù)據(jù)包格式要規(guī)約一致才能正常收發(fā)數(shù)據(jù)。2、STM32中串口異步通信需要定義的參數(shù)：起始位、數(shù)據(jù)位（8位或者9位）、奇偶校驗(yàn)位（第9位）、停止位（1,15,2位）、波特率設(shè)置。3、UART串口通信的數(shù)據(jù)包以幀為單位，常用的幀結(jié)構(gòu)為：1位起始位+8位數(shù)據(jù)位+1位奇偶校驗(yàn)位（可選）+1位停止位。如下圖所示：6/94、奇偶校驗(yàn)位分為奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)兩種，是一種簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)誤碼校驗(yàn)方法。奇校驗(yàn)是指每幀數(shù)據(jù)中，包括數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位的全部9個(gè)位中1的個(gè)數(shù)必須為奇數(shù)；偶校驗(yàn)是指每幀數(shù)據(jù)中，包括數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位的全部9個(gè)位中1的個(gè)數(shù)必須為偶數(shù)。校驗(yàn)方法除了奇校驗(yàn)(odd)、偶校驗(yàn)(even)之外，還可以有：0校驗(yàn)(space)、1校驗(yàn)(mark)以及無(wú)校驗(yàn)(noparity)。0/1校驗(yàn)：不管有效數(shù)據(jù)中的內(nèi)容是什么，校驗(yàn)位總為0或者1。7/95、UART框圖：8/9這個(gè)框圖分成上、中、下三個(gè)部分，具體的可以看《STM32中文參考手冊(cè)》中的描述?？驁D的上部分，數(shù)據(jù)從RX進(jìn)入到接收移位寄存器，后進(jìn)入到接收數(shù)據(jù)寄存器，最終供CPU或者DMA來(lái)進(jìn)行讀??；數(shù)據(jù)從CPU或者DMA傳遞過(guò)來(lái)，進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，后進(jìn)入發(fā)送移位寄存器，最終通過(guò)TX發(fā)送出去。然而，UART的發(fā)送和接收都需要波特率來(lái)進(jìn)行控制的，波特率是怎樣控制的呢？這就到了框圖的下部分，在接收移位寄存器、發(fā)送移位寄存器都還有一個(gè)進(jìn)入的箭頭，分別連接到接收器控制、發(fā)送器控制。而這兩者連接的又是接收器時(shí)鐘、發(fā)送器時(shí)鐘。也就是說(shuō)，異步通信盡管沒(méi)有時(shí)鐘同步信號(hào)，但是在串口