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USART串口协议

news 2026/2/9 11:26:21

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

全双工：指通信双方能够同时进行双向通信，一般来说，全双工的通信都有两根通信线，发送线路和接收线路互不影响；

半双工：数据传输指数据可以在一个信号载体的两个方向上传输，但是不能同时传输；

单工：指数据只能从一个设备到另一个设备，不可以反着来；

时钟的作用：如果输出了一段高电平的波形，就是依靠时钟来判断波形是两个高电平信号还是一个高电平信号，即告诉接收方什么时候需要采集数据，I2C和SPI都有单独的时钟线，接收方可以在时钟信号的指引下进行采样，其他的没有时钟线，所以需要双方约定一个采样频率，为异步通信；

电平：单端：引脚的高低电平都是对GND的电压差，所以单端信号通信的双方都必须要共地，即把GND接在一起；差分：靠两个差分引脚的电压差来传输信号的，在通信时可以不需要GND，差分信号可以极大地提高抗干扰特性，所以差分信号的传输速度和距离都会非常高。

设备特性：多设备：可以在总线上挂载多个设备，还需要寻址的操作；点对点：两个设备直接传输数据；

串口

• 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

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

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：

• TTL 电平： +3.3V 或 +5V 表示 1 ， 0V 表示 0

• RS232 电平： -3~-15V 表示 1 ， +3~+15V 表示 0

• 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（决定了每隔几秒发送一位数据）

• 起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平（产生下降沿，表示开始）

• 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

（即先发送数据的低位，由低位到高位输出）

• 校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来（奇校验和偶校验，效果不如CRC校验）

• 停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平（产生上升沿，表示结束，方便下一次的下降沿开始）

USART简介

• USART （ Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter ）通用同步 / 异步收发器

• 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

• 自带波特率发生器，最高达 4.5Mbits/s

• 可配置数据位长度（ 8/9 ）、停止位长度（ 0.5/1/1.5/2 ）

• 可选校验位（无校验 / 奇校验 / 偶校验）

• 支持同步模式、硬件流控制、 DMA 、智能卡、 IrDA 、 LIN

•

• STM32F103C8T6 USART 资源： USART1 、 USART2 、 USART3

USART框图

引脚处只需要注意TX（发送）和RX（接收）引脚即可

发送数据寄存器和接收数据寄存器共用一个地址DR的，TDR是只写的，RDR是只读的，当我们想要写入DR时，写入的是TDR，读出DR时，读出的是RDR。

发送移位寄存器工作方式：当我们给TDR写入一个数据时，此时硬件检测到写入数据了，就会检查当前移位寄存器是否有数据正在移位，如果没有，那么我们输入的数据就会立刻全部移动到发送移位寄存器中，准备发送，在数据从TDR移动到移位寄存器时，会置一个标志位TXE，发送寄存器空，我们就可以检查这个标志位，如果置1了，我们就可以给TDR写入下一个数据了。然后发送移位寄存器就会在发生器控制的驱动下，向右一位一位地把数据输出到TX引脚（低位先行），当移位完成后，新的数据就会再次自动地从TDR转移到发送移位寄存器中来；如果移位寄存器中的数据还未移位完成，那么TDR就会进行等待，一旦移位完成就会立马把数据转移过来。（双重缓存）

接收移位寄存器同理。置的标志位位RXNE

SCLK：作用1可以兼容别的协议，作用2可以做自适应波特率

硬件数据流控制：用得少，不解释

唤醒单元：可以用来实现多设备通信的功能

波特率发生器部分：实际上就是分频器，USART1挂载在APB2，所以就是PCLK2的时钟，一般是72M，其他的USART都挂载在APB1，所以是PCLK1的时钟，一般是36M，之后这个时钟进行一个分频，除一个USARTDIV的分频系数，之后分频完之后再除个16，的带发送器时钟和接收器时钟，通向控制部分。如果TE为1，则发送部分的波特率有效，RE为1，则接收部分的波特率有效。

USART基本结构

数据帧

字长设置

停止位

起始位侦测（排除噪声）（P26-25:36）

数据采样

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 = f PCLK2/1 / (16 * DIV)

DIV分为整数部分和小数部分，可以实现更细腻的分频

代码实操

串口发送

根据引脚定义，我们计划使用USART1的TX和RX引脚，所以要接到PA9和PA10上，注意接收脚和发送脚要交替相接；

介绍相关函数

老朋友

void USART_DeInit(USART_TypeDef* USARTx);
void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);
void USART_StructInit(USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);
void USART_Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);
void USART_ITConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT, FunctionalState NewState);

配置同步时钟输出（时钟是否需要输出，时钟的极性相位等）

void USART_ClockInit(USART_TypeDef* USARTx, USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct);
void USART_ClockStructInit(USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct);

开启USART到DMA的触发通道

void USART_DMACmd(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_DMAReq, FunctionalState NewState);

发送数据和接收数据（即写DR寄存器和读DR寄存器）

void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);

四个标志位函数（完成和中断）

FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
void USART_ClearFlag(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);
void USART_ClearITPendingBit(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);

按照下图流程编写初始化函数

1、开启时钟，把需要用到的USART和GPIO的时钟打开

	//开启时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

2、GPIO初始化，把TX配置成复用输出，RT配置成输入

	//GPIOGPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;//TX是USART外设控制的输出脚，使用复用推挽输出//RX是USART外设数据输入表，使用输入模式//因为串口波形空闲状态时高电平，所以一般使用浮空输入或者上拉输入//此代码只需要发送GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

3、配置USART

	//USARTUSART_InitTypeDef USART_InitStructure;//波特率(直接写我们需要的波特率即可，函数可以帮我们算好相对应的分频系数USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;//硬件流控制(只使用RTX或者CTX、或者不用、或者都用)USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//USART模式(TX或者RX，当两者都想用时就可以使用|符号，类似GPIO选择两个引脚)USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;//校验(Odd奇校验，Even偶校验，No无)USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//停止位USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//字长USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

4、开启开关（如果需要接收信息，还需要配置中，这样就需要再加上ITConfig和NVIC的代码）

	USART_Cmd(USART1, ENABLE);

5、创建一个发送数据的函数

void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{USART_SendData(USART1, Byte);//判断TDR的数据是否转移到移位寄存器//第二个参数：传输数据寄存器TDR空标志//在数据手册25.6.1中对TXE描述为再次对DR进行写操作时,即再次调用SendData函数时//标志位会自动置0，所以我们不用手动清零了while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);}

再在主函数中调用试一下

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"int main(void)
{OLED_Init();Serial_Init();Serial_SendByte(0x41);while(1){}
}

得到