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STM32外设学习之串口

news 2025/6/14 12:58:37

1. 概述

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)是一种常见的串行通信协议，用于设备之间的异步串行数据传输。它使用简单的两根线(TX和RX)进行全双工通信，不需要时钟信号，依靠预定义的波特率实现数据同步。

2. 主要特性

异步通信：不需要时钟信号
全双工传输：可同时发送和接收数据
可配置参数：
- 波特率(300bps-4Mbps常见)
- 数据位(5-9位)
- 停止位(1,1.5,2位)
- 校验位(无校验、奇校验、偶校验)
简单实现：仅需TX、RX和地线即可工作

3. 硬件接口

标准UART接口包含以下信号线：

信号名称	描述
TX	数据发送线
RX	数据接收线
GND	公共地线

注：有些实现可能包含硬件流控制信号(CTS/RTS)

4. 数据帧格式

一个标准的UART数据帧包含以下部分：

起始位：1位逻辑低电平，标志数据帧开始
数据位：5-9位，实际传输的数据(通常8位)
校验位：可选，用于错误检测(奇校验或偶校验)
停止位：1、1.5或2位逻辑高电平，标志数据帧结束

5. 波特率计算

波特率表示每秒传输的符号数(包括起始位、数据位、校验位和停止位)。

常用波特率：300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 38400, 57600, 115200等。

波特率计算公式：实际波特率 = 系统时钟频率 / (16 × UARTDIV)

其中UARTDIV是分频系数，通常存储在波特率寄存器中。

6. 典型工作流程

发送流程

配置波特率、数据位、停止位和校验位
等待发送缓冲区为空
将数据写入发送数据寄存器
硬件自动添加起始位、停止位和校验位(如启用)
通过TX引脚串行发送数据

接收流程

配置波特率、数据位、停止位和校验位(需与发送方匹配)
检测RX引脚上的起始位(下降沿)
按照波特率采样数据位
检查校验位(如启用)
检测停止位
将接收到的数据存入接收缓冲区
触发接收完成中断或设置状态标志

7. 错误检测

UART通常支持以下错误检测机制：

奇偶校验错误：接收到的数据与校验位不匹配
帧错误：未检测到有效的停止位
溢出错误：新数据到达时前一个数据未被读取
欠载错误：发送缓冲区为空时仍需发送数据

8. 软件实现示例

以下是基于C语言的UART初始化示例(伪代码)：

// UART初始化函数
void UART_Init(uint32_t baudrate) {// 1. 计算波特率分频值uint16_t uart_div = SYSTEM_CLOCK / (16 * baudrate);// 2. 禁用UARTUART->CR1 &= ~UART_ENABLE;// 3. 设置波特率UART->BRR = uart_div;// 4. 配置数据格式: 8位数据，无校验，1位停止位UART->CR1 &= ~(PARITY_ENABLE | DATA_BITS_9);// 5. 启用发送和接收UART->CR1 |= (TX_ENABLE | RX_ENABLE);// 6. 启用UARTUART->CR1 |= UART_ENABLE;
}// 发送单个字节
void UART_SendByte(uint8_t data) {while(!(UART->SR & TX_BUFFER_EMPTY)); // 等待发送缓冲区空UART->DR = data; // 写入数据寄存器
}// 接收单个字节
uint8_t UART_ReceiveByte(void) {while(!(UART->SR & RX_DATA_READY)); // 等待数据到达return UART->DR; // 读取数据寄存器
}

9. 应用场景

微控制器与PC通信
嵌入式设备间的简单数据交换
调试信息输出
与GPS模块、蓝牙模块等外设通信
工业控制设备的简单接口

10. 优缺点分析

优点：

实现简单，硬件要求低
全双工通信
不需要时钟信号
广泛支持，几乎所有微控制器都内置UART

缺点：

传输速率相对较低
传输距离有限(通常不超过15米)
没有硬件寻址机制，点对点通信
没有内置的错误纠正机制

11. 常见问题与解决方案

通信失败：
- 检查波特率、数据格式是否匹配
- 确认TX/RX线是否交叉连接
- 检查地线连接
数据错误：
- 降低波特率，特别是长距离通信时
- 启用奇偶校验
- 检查系统时钟精度
通信不稳定：
- 添加适当的终端电阻
- 使用屏蔽电缆减少干扰
- 考虑使用RS-232或RS-485转换芯片增强信号

12. 相关标准与扩展

RS-232：UART的电气标准，定义电压电平(-3V至-15V表示1，+3V至+15V表示0)
RS-422/RS-485：差分信号标准，支持更远距离和更高速度
USB转UART：通过USB接口实现UART功能(如FT232、CP2102等芯片)
软件UART：通过GPIO模拟UART协议(bit-banging)

附录A：常用波特率与传输时间

在UART通信中，一个字节的数据(8位) 在传输时会被封装成10位(或更多)的帧，这是因为UART协议添加了额外的控制位

波特率	传输1字节(10位)时间
9600	1.04ms
19200	0.52ms
38400	0.26ms
57600	0.17ms
115200	0.087ms

附录B：UART与其他串行协议比较

特性	UART	SPI	I2C
同步方式	异步	同步	同步
信号线数量	2(TX,RX)	3+(SCK,MOSI,MISO)	2(SDA,SCL)
最大速率	4Mbps	50Mbps+	3.4Mbps
寻址能力	无	无	有
全双工	是	是	半双工