串口通信（USART）

一、USART介绍

     USART即通用同步异步收发器，它利用分数比特率发生器提供宽范围的比特率选择，还支持同步单向通信和半双工单线通信。STM32F10x系列芯片的USART串口功能十分强大。它的接口通过3个引脚与其他设备连接在一起。任何USART双向通信至少需要2个脚：RX(接收数据)和TX(发送数据)。我们通常使用的接口称之为RS232接口，RS232-C接口连接器一般使用型号为DB-9的9芯插头座，只需3条接口线，即"发送数据"、"接收数据"和"信号地"即可传输数据，其9个引脚的定义如图1所示。

                                          

图1  RS232接口连接器

      在RS232的规范中，电压值在+3V~+15V（一般使用+6V）称为"0"或"ON"。电压在-3V~-15V（一般使用-6V）称为"1"或"OFF"；计算机上的RS232"高电位"约为9V，而"低电位"则约为-9V。RS232为全双工工作模式，其信号的电压是参考地线而得到的，可以同时进行数据的传送和接收。在实际应用中采用RS232接口，信号的传输距离可以达到15m。不过RS232只具有单站功能，即一对一通信。在串行通信中，数据通常是在两个站之间传送，按照数据在通信线路上的传送方向可分为3种基本的传送方式：单工、半双工和全双工，如图2所示。

图2 单工、半双工和全双工

      单工通信使用一根导线，信号的传送方和接收方有明确的方向性。也就是说，通信只在一个方向上进行。若使用同一根传输线既作为接收线路又作为发送线路，虽然数据可以在两个方向上传送，但通信双方不能同时收发数据，这样的传送方式称为半双工。采用半双工方式时，通信系统每一端的发送器和接收器，通过收发开关分时转接到通信线上，进行方向的切换。当数据的发送和接收，分别由两根不同的传输线传送时，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作，这样的传送方式就是全双工。在全双工方式下，通信系统的每一端都设置了发送器和接收器，因此，能控制数据同时在两个方向上传输。全双工方式无须进行方向的切换。

     串行通信可分为两种类型，一种是同步通信，另一种是异步通信。采用同步通信时，将所有字符组成一个组，这样，字符可以一个接一个地传输，但是，在每组信息的开始要加上同步字符，在没有信息要传输时，填上空字符，因为同步传输不允许有空隙。采用异步通信时，两个字符之间的传输间隔是任意的，所以，每个字符的前后都要用一些数据位来作为分隔位。比较起来，在传输率相同时，同步通信方式下的信息有效率要比异步方式高，因为同步方式的非数据信息比例比较小。但是，从另一方面看，同步方式要求进行信息传输的双方必须用同一个时钟进行协调，正是这个时钟确定了同步串行传输过程中每一个信息位的位置。这样一来，如果采用同步方式，那么，在传输数据的同时，还必须传输时钟信号。而在异步方式下，接收方的时钟频率和发送方的时钟频率不必完全一样，而只要比较相近，即不超过一定的允许范围就行了。在数据传输中，较为广泛采用的是异步通信，异步通信的标准数据格式如图3所示。

图3 异步通信数据格式

      从图3所列格式可以看出，异步通信的特点是一个字符一个字符地传输，并且每个字符的传送总是以起始位开始，以停止位结束，字符之间没有固定的时间间隔要求。每一次有一个起始位，紧接着是5~8个的数据位，再后为校验位，可以是奇检验，也可以是偶校验，也可不设置，最后是1比特，或1比特半，或2比特的停止位，停止位后面是不定长度的空闲位。停止位和空闲位都规定为高电平，这样就保证起始位开始处一定有一个下降沿，以此标识开始传送数据。

二、USART之队列收发数据 

     在大量数据发送接收过程中，一般数据的处理都会放到中断里，但是这不符合中断处理尽量简短的原则。因此，在实际应用中我们使用一个数据缓冲队列，为先进先出（FIFO），在这个队列中，有接收指针与发送指针，当有新数据写入队列时，接收指针加1；当队列中数据发送出去时，发送指针加1。FIFO是一个循环队列，首尾相连，理论上接收指针总是在前，但并不是说在前接收指针就大。图4为这种队列的示意图。

   

图4 FIFO循环队列示意图

  接收数据进队列：

<span style="font-size:14px;">void USART1_IRQHandler(void){      if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)  //如果是接收中断    {           uart1_trx[uart1_rx] = USART_ReceiveData(USART1);    //把数据放入队列中      uart1_rx++ ;                                        //接收指针加1      uart1_rx &= 0x3f;                                   //判断发送指针是否到0    }}</span>

   从队列中发送数据：  

<span style="font-size:14px;"> if(uart1_tx != uart1_rx)                    //判断是否有数据发送    {      Uart1_PutChar(uart1_trx[uart1_tx]);    //发送数据      uart1_tx++;      uart1_tx &= 0x3f;                      //判断发送指针是否到0    }</span>

    

      在最开始，接收和发送指针都为0，当然这时是没有接收到数据的。如果接收到一个数据，把数据放到数组0中，然后接收指针加1，发送指针就与接收指针不同，到主循环中，由于检测到接收1和发送0的指针不等，认为接收到新数据。发送指针0所指向的数据，即数组0中的数据，数据发送后，发送指针加1，这样发送指针也指向1的位置，这时的发送指针和接收指针相等，没有新数据。依次类推，当接收到第17个数据时，队列数组只有16位，这时就会把这个数据放到0位置，接收指针也会变成0，这时接收指针小于发送指针，所以在判断中不能用大于或小于判断，只能用不等于判断，16位的缓冲队列最多只能缓冲16个数据，当有17个数据要缓冲时，前面16个数据会被丢掉。因此，在实际的开发过程中要根据实际情况开辟合理的buffer或者加上超过最大buffer范围程序，如果超出做相应的处理。

三、总结

      许多人认为串口太简单，但是越简单的事情我们约容易出错，因此在开发过程中要重视。在调试过程中，要设置串口调试助手或上位机的波特率、校验位、数据位、停止位等参数与串口程序初始化里的一致，否则得到的数据是乱码。串口通信是硬件板子与用户之间的桥梁，在开发应用中占据着不可或缺的地位。这篇博文是本人调试串口总结的，有些内容引用其他一些文章或者资源。为了写这篇博客，花费了一个晚上的时间，中间过程由于网络原因没保存又重写了一部分内容。。。。。。