一、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。（进行信息传递）
• 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。（双方规则）

通信规定引脚：

数据按照协议的规定在这些引脚上进行输入和输出，从而实现通信。

（1）USART

TX（D）：数据发送脚；RX（D）：数据接收脚。

（2）I2C

SCL（Serial Clock）：时钟；SDA（Serial Data）：数据。

  (3)SPI

SCLK:（Serial Clock）：时钟;  MOSI(Master Output Slave Input):主机输出数据脚;   MISO（Master Input Slave Output):主机输入数据脚;  CS(Chip Select):片选，用于指定通信的对象。

（4）CAN

CAN_H和CAN_L:差分数据脚(这两个数据表示一个差分数据)。

（5）USB通信

DP（Data Positive）D+ 和DM（Data Minus）D-：一对差分数据脚。

通信模式

（1）全双工：通信双方能够同时进行双向通信，一般来说，全双工的通信都要两根通信线，发送线路和接收线路互不影响。（串口：TX发送，RX接收，SPI：MOSI发送，MISO接收）

举例：全双工比半双工进了一步。在A 给B发信号的同时，B也可以给A发信号。典型的例子就是打电话，双方都能说，对方也能听到。

（2）半双工：半双工数据传输允许数据在两个方向上传输，但是在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信。（I2C、CAN、USB都只有一根数据线（CAN和USB的两根差分线组合成一根数据线））

举例：指A 能发信号给B，B也能发信号给A，但这两个过程不能同时进行。可以想象一下对讲机，你收到的回复并不是都马上就有的。而且前提是双方不能在同一个状态，如果双方同时处于收状态，或同时处于发状态，便不能正常通信了。

计算机主机用串行接口连接显示终端时， 在半双工方式中，输入过程和输出过程使用同一通路 。有些计算机和显示终端之间采用半双工方式工作，这时，从键盘打入的字符在发送到主机的同时就被送到终端上显示出来，而不是用回送的办法， 所以避免了接收过程和发送过程同时进行的情况。

（3）单工：数据传输只支持数据在一个方向上传输。（数据只能从一个设备到另一个设备，不能反着来）

举例：意思就是A只能发信号，B只能接受信号，通信是单向的。类比于灯塔发发出光信号，航船只能接受信号。

时钟特性

时钟信号告诉接收方什么时候需要采集数据。

（1）同步：I2C和SPI有单独的时钟线，所以它们是同步的，接收方可以在时钟信号的指引下进行采样。

（2）异步：USART、CAN、USB没有时钟线，需要双方约定一个采样频率，这就是异步通信，并且还需要增加一个帧头帧尾，进行采样位置的对齐。

电平特性

（1）单端信号：引脚的高低电平都是对GND的电压差。单端信号通信的双方必须要共地（把GND接在一起）。USART、I2C、SPI都应该加一个GND引脚，否则无法通信。

（2）差分信号：CAN和USB是差分信号，靠两个差分引脚的电压差来传输信号，可以不需要接GND。传输速度和距离都非常高。但USB有些协议需要单端信号,所以还是需要接地。

设备特性

(1)点对点：USART和USB都是点对点设备。（只有两个设备，直接传输数据即可）

(2)多设备：I2C！，SPI，CAN都可以在总线上挂载多个设备。（多设备，一个设备面向很多个设备，需要要一个寻址的过程，以确定通信的对象）

二、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。

图一：USB转串口模块

功能：（CH340）芯片可以把串口协议转换为USB协议，一边是USB口可以插在电脑上，一边是串口的引脚，可以接在支持串口的芯片上，这样就能实现单片机和电脑的通信了。

图二：陀螺仪传感模块

功能：可以测量角速度，加速度这些姿态参数，左右各有四个引脚，一边是串口的引脚，一边是I2C的引脚。

图三：蓝牙串口模块

功能：下面四个引脚是串口通信的引脚，上面的芯片可以和手机互联，实现手机遥控单片机的功能。

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（通信引脚，它们的高低电平是相对于GND的）
• 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（直接从控制器里出来的信号一般都是TTL电平，相同的电平才能互相通信）
• 如果两个设备都有独立供电则不需要接VCC，如果一个有一个没有，协议把两个设备的VCC接在一起。

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（每秒传输码元的个数）：串口通信的速率（串口一般使用异步通信，需要双方约定一个通信速率，比如A每隔一秒发送一位，B每隔一秒接收一位，如果接收快了，会重复接收某一位，如果接收慢了，会漏掉某些位，使用发送和接收必须约定好速率，这个速率就是波特率）

比特率(每秒传输比特（位）的个数，在二进制调制情况下，比特率=波特率)

1000bp（bite）/s ：1s要发1000位，每一位的时间就是1ms，发送方每隔1ms发生一位，接收方每隔1ms接收一位，这就是波特率，它决定了每隔多久发送和接收一位

• 起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平（串口空闲状态是高电平，也就是没用数据传输的时候引脚必须要置高电平，作为空闲状态，需要传输的时候，必须要先发送一个起始位，这个起始位必须是低电平，来打破空闲状态的高电平，产生一个下降沿，这个下降沿就告诉接收设备这一帧数据要开始了。如果没有起始位，若我发送8个1，数据线一直都是高电平，没用任何波动，那接收方就不知道我发送了数据）
• 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（偶校验：包括校验位在内有偶数个1。奇校验：包括校验位在内有奇数个1。根据奇偶校验规则，校验位补0/1）
• 停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平（同起始位，在一个字节数据发送完成后，必须要有一个停止位，为下一个起始位做准备，如果没有停止位，当我数据最后一位是0时，下次再发送新的一帧，就没办法产生下降沿）

串口时序

三、USART

作用：按照串口协议来产生和接收高低电平信号，实现串口通信。

USART简介

• USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）通用同步（只支持时钟输出，不支持时钟输入）/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（可以避免因为接收设备处理数据慢而丢失数据1）、DMA（如果有大量数据进行收发，用DMA转运数据，可以减轻CPU的负担）、智能卡（公交卡，水卡）、IrDA（外红1通信：一个红外发光管，另一边是红外接收管，靠闪烁1红外光通信）、LIN（局域网通信协议）。
• STM32F103C8T6 USART资源： USART1、 USART2、 USART3。

USART框图

TDR和RDR占用同一个地址，在程序上只表现为一个寄存器，就是数据寄存器DR（Data Register），在硬件中实际为两个数据寄存器。

TDR（只写）：当进行写操作时，数据就写入到TDR

发送移位寄存器作用：把一个字节的数据一位一位地移出去，正好对应串口协议的波形的数据位，当数据从TDR移动到移位寄存器时，会置一个标志位叫TXE（TX Empty），发送寄存器空，如果标志位置1，我们就可以在TDR写入下一个数据了，TXE置1时，数据还没发送出去，只要数据从TDR转移到发送移位寄存器，TEX就会置1，然后发送移位寄存器会在发送器的控制下向右移位，一位一位地把数据输出到TX引脚

接收移位寄存器作用与发送移位寄存器同理。

RDR（只读）：当进行读操作时，数据就从RDR读出来。

硬件数据流控：如果发送设备发的太快，接收设备来不及处理，就会发生丢失或覆盖数据，硬件数据流控可以避免这个问题。流控有两个引脚，一个是nRTS，一个是nCTS。

nRTS（Request To Send）：是请求发送，是输出脚，也就是告诉别人我现在能不能接收。

nCTS(Clear To Send):是清除发送，是输入脚，用于接收别人nRTS信号的。（n的意思是低电平有效）

当我们的TX和外界的RX连接时，RTS要发送一个请问能不能输出的信号，接收到外界来的CTS，当能接收时，RTS就置低电平，请求对方发送，对方的CTS接收到之后，就可以一直发，当没有及时数据数据/数据处理不过来时，RTS就会置高电平，对方CTS接收到之后，就会暂停发送。

TX和CTS是一对的，RX和RTS是一对的。（TX和RX交叉连接，CTS和RTS也要交叉连接）

SCLK控制：发送寄存器每移位一次，同步时钟电平就跳变一个周期。（时钟告诉对方，我移出去一位数据了，你看要不要我这个时钟信号来指导你一下。）这个时钟支持输出，不支持输入，所以两个USART之间不能实现同步的串口通信。

SCLK作用：

1.兼容SPI协议（串口+时钟）

2.自适应波特率（接收设备不知道发送设备给的什么波特率，那么就可以通过时钟周期来计算波特率）

唤醒单元：实现多设备功能

USART基本结构

数据帧

起始位侦测

串口的输出TX比输入RX简单，输出只需要定时翻转高低电平即可，输入需要保证采样频率和波特率一致，还要保证每次输入采样的位置正好处于每一位的正中间，这样读取的高低电平才是最可靠的，如果采样点过于靠前或靠后，那有可能高低电平还正在翻转，电平还不稳定，或者稍有误差，数据就采样错了，另外输入最好对噪声有一定的判断能力，如果是噪声，最好能置个标志位提醒一下。

输入部分的电路对采样时钟进行了细分，以波特率的16倍进行采样，也就是在一位的时间里，可以进行16次采样。

最开始空闲状态是高电平，那采样就一直是1，在某个位置突然采到0，那就说明在这两次采样之间产生了下降沿，如果没有任何噪声，那之后就应该是起始位了，在起始位会进行连续的16次采样，如果没有噪声，16次采样都是0，但在实际过程中是有噪声的，所以后续要再采样几次，以防万一。

如果每3位里面只有一个0，那么可能是噪声引起的，此时电路就忽略前面的数据，重新开始捕捉下降沿。（STM32对噪声的处理）

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 = fPCLK2/1 / (16 * DIV)

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。

HEX数据包

• 固定包长，含包头包尾

• 可变包长，含包头包尾

文本数据包

• 固定包长，含包头包尾

• 可变包长，含包头包尾

HEX数据包接收

对于包头、数据、包尾这3种状态，我们要有不同的处理逻辑，所以需要设计一个能记住不同状态的机制，在不同状态执行不同的操作，同时还要进行状态的合理转移，这种程序设计思维，就叫做状态机 。每个状态都需要用变量来标志，状态机有多标志位！

文本数据包接收