一文讀懂通信串口(物理接口）2

六、UART

1) 異步通信UART引腳連接方法:

UART是 異步 ，全雙工串口總線。它比同步串口復雜很多。有兩根線，一根TXD用于發(fā)送，一根RXD用于接收。UART的串行數(shù)據(jù)傳輸不需要使用時鐘信號來同步傳輸，而是依賴于發(fā)送設備和接收設備之間預定義的配置。對于發(fā)送設備和接收設備來說，兩者的串行通信配置應該設置為完全相同。

對于兩個芯片之間的連接，兩個芯片GND共地，同時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，兩個芯片之間就可以進行TTL電平通信了。

若是芯片與PC機（或上位機）相連，除了共地之外，就不能這樣直接交叉連接了。盡管PC機和芯片都有TXD和RXD引腳，但是通常PC機（或上位機）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)過電平轉(zhuǎn)換得到的。故，要想使得芯片與PC機的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。

經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后，芯片串口和RS232的電平標準是不一樣的：

單片機是TTL電平：+5V表示1，0V表示0

RS232是負邏輯電平，-3 to -15V為1，3 to 15V為0

RS-232通訊協(xié)議標準串口的設備間通訊結(jié)構(gòu)圖如下：

所以單片機串口與PC串口通信就應該遵循下面的連接方式：在單片機串口與上位機給出的RS232口之間，通過電平轉(zhuǎn)換電路(如下面圖中的Max232芯片) 實現(xiàn)TTL電平與RS232電平之間的轉(zhuǎn)換。下圖中的P10，也就是上文中提到的DB9。

STM32的UART特點

全雙工異步通信；

n 分數(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4.5Mbits/s；

n 可編程的數(shù)據(jù)字長度（8位或者9位）；

n 可配置的停止位（支持1或者2位停止位）；

n 可配置的使用DMA多緩沖器通信；

n 單獨的發(fā)送器和接收器使能位；

n 檢測標志：① 接受緩沖器 ②發(fā)送緩沖器空 ③傳輸結(jié)束標志；

n 多個帶標志的中斷源，觸發(fā)中斷；

n 其他：校驗控制，四個錯誤檢測標志。

串口通信過程

STM32中UART參數(shù)

起始位：表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始，電平邏輯為“0” 。數(shù)據(jù)位：可能值有5、6、7、8、9，表示傳輸這幾個bit 位數(shù)據(jù)。一般取值為8，因為一個ASCII 字符值為8 位。奇偶校驗位：用于接收方對接收到的數(shù)據(jù)進行校驗，校驗“1” 的位數(shù)為偶數(shù)(偶校驗) 或奇數(shù)(奇校驗)，以此來校驗數(shù)據(jù)傳送的正確性，使用時不需要此位也可以。停止位：表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。電平邏輯為“1”。如果用通用IO口模擬UART總線，則需一個輸入口，一個輸出口。

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位奇偶校驗位（可選）+1位停止位。如下圖所示：

奇偶校驗位分為奇校驗和偶校驗兩種，是一種簡單的數(shù)據(jù)誤碼校驗方法。奇校驗是指每幀數(shù)據(jù)中，包括數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位的全部9個位中1的個數(shù)必須為奇數(shù)；偶校驗是指每幀數(shù)據(jù)中，包括數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位的全部9個位中1的個數(shù)必須為偶數(shù)。

校驗方法除了奇校驗(odd)、偶校驗(even)之外，還可以有：0 校驗(space)、1 校驗(mark)以及無校驗(noparity)。0/1校驗：不管有效數(shù)據(jù)中的內(nèi)容是什么，校驗位總為0或者1。

UART框圖

這個框圖分成上、中、下三個部分，具體的可以看《STM32中文參考手冊》中的描述。

框圖的上部分，數(shù)據(jù)從RX進入到接收移位寄存器，后進入到接收數(shù)據(jù)寄存器，最終供CPU或者DMA來進行讀?。粩?shù)據(jù)從CPU或者DMA傳遞過來，進入發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，后進入發(fā)送移位寄存器，最終通過TX發(fā)送出去。

然而，UART的發(fā)送和接收都需要波特率來進行控制的，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進入的箭頭，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鐘、發(fā)送器時鐘。也就是說，異步通信盡管沒有時鐘同步信號，但是在串口內(nèi)部，是提供了時鐘信號來進行控制的。而接收器時鐘和發(fā)送器時鐘又是由什么控制的呢？

可以看到，接收器時鐘和發(fā)送器時鐘又被連接到同一個控制單元，也就是說它們共用一個波特率發(fā)生器。同時也可以看到接收器時鐘（發(fā)生器時鐘）的計算方法、USRRTDIV的計算方法。

七、物理接口

串行端口稱為串口，也稱為串行通信接口，即COM端口。

UART口（嵌入式里面說的串口，一般是指UART口。4個pin（Vcc,GND,RX,TX），用TTL電平）、COM口、USB口、RJ45以太網(wǎng)口是指的物理接口形式(硬件)。

TTL、RS-232(全雙工）、RS-485（半雙工） RS-422（全雙工）是指的電平標準(電信號)。

使用國際連接器標準定義的8個位置(8針)。修改后的插孔或插頭

單片機與PC通訊示意圖如下

UART接口 ：通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，UART是串口收發(fā)的邏輯電路，這部分可以獨立成芯片，也可以作為模塊嵌入到其他芯片里，單片機、SOC、PC里都會有UART模塊，UART有4個pin（VCC, GND, RX, TX）, 用的TTL電平, 低電平為0(0V)，高電平為1（3.3V或以上）。

COM 口 ： 即串行通訊端口，簡稱串口。這里區(qū)別于USB的“通用串行總線”和硬盤的“SATA”。一般我們見到的是兩種物理標準。D型9針插頭，和 4針杜邦頭兩種。這是常見的4針串口，在電路板上常見，經(jīng)常上邊還帶有杜邦插針。還有時候有第五根針，3.3V電源端。由于是預留在電路板上的，協(xié)議可以有很多種，要看具體設備，應用了串口通信時序和RS232的邏輯電平。

1）USB通用串行總線(Universal Serial Bus)縮寫為USB，（物理接口）

是一個外部總線標準，用于規(guī)范電腦與外部設備的連接和通訊，是應用在PC領域的接口技術(shù)，特點是傳輸速度快，支持熱插拔，可連接多個設備。

??我們在很多地方可以看到USB的身影，鼠標，鍵盤，手機充電器，現(xiàn)在幾乎所有的電子充電設備都是USB接口，如下是各個USB的物理接口。

USB接口是計算機主板上的四針接口。2根信號線(D+、D-)和2根電源線(+、-)

最常見的的Type-A型USB接口定義如下。

USB電纜分為屏蔽型和非屏蔽型。屏蔽電纜的傳輸速度可以達到12Mbps，價格更高。

非屏蔽電纜的速度為1.5Mbps，但價格便宜。

2、USB速率

1MB/s=8Mbps（1個Byte等于8bit）

USB1.0 低速（Low Speed） 傳輸速率為 1.5Mbps；

USB1.1 全速（Full Speed） 傳輸速率為 12Mbps；

USB2.0 高速（High Speed） 傳輸速率為 480Mbps；

USB3.0 超速（SuperSpeed） 傳輸速率為 5Gbps；

USB3.1 Gen2 超高速（SuperSpeed+） 傳輸速率為 10Gbps；

●USB Type-C

又稱USB-C，是一種通用串行總線（USB）的硬件接口形式，外觀上最大特點在于其上下端完全一致，與Micro-USB相比用戶不必再區(qū)分USB正反面。

但USB-C只是一個接口，不一定支持USB 3.1或Power Delivery。

自從2014年USB-C規(guī)范發(fā)布后，許多新款的Android移動設備、筆記本電腦、臺式機甚至是游戲機等3C設備開始使用這種連接端口。Windows 10原生支持Type-C。

4、USB轉(zhuǎn)RS-232

USB轉(zhuǎn)232，可以先將USB轉(zhuǎn)換為TTL，再將TTL轉(zhuǎn)換為RS232，當然市面上也有很多USB直接轉(zhuǎn)RS232的線材，線材內(nèi)部集成轉(zhuǎn)換電路，淘寶上某USB轉(zhuǎn)RS232用的兩個芯片是FT232和SP213。