通用同步/异步收发器USART串口

核心目标： 理解 USART 如何在 STM32 与外部设备（如 PC、传感器、模块）之间通过串行方式可靠地传输数据。

一、基本特征

二、USART 核心能力：

全双工： 同时 进行发送 (Transmit) 和接收 (Receive)。需要独立的发送线 (TX) 和接收线 (RX)。
异步或同步操作： 支持两种模式（异步 UART 最常用）。
可编程波特率： 数据传输速率可灵活配置。‘

可编程数据格式：
数据位长度：5, 6, 7, 8 或 9 位。
停止位长度：1, 1.5, 2 位。

校验位：无校验、偶校验、奇校验。
**硬件流控制 (**可选)： 使用 CTS (Clear To Send) 和 RTS (Request To Send) 信号线防止数据丢失（缓冲区溢出）。
多处理器通信： 支持在多个设备间寻址通信。
多种中断源： 提供丰富的状态标志和中断触发选项。
与 DMA 配合： 实现高效大数据量传输

三、USART 异步通信 (UART) 协议详解。

异步通信UART是USARST 最常用的模式，通常所说的“串口”就是指 UART。

物理连接：

TX (Transmit)： STM32 的发送引脚，连接到对方设备的 RX。
RX (Receive)： STM32 的接收引脚，连接到对方设备的 TX。
GND (Ground)： 共地线。绝对必需！ 提供共同的电压参考点。
(可选) CTS/RTS： 硬件流控制引脚。
信号电平： 通常是 TTL 电平 (0V = 逻辑0, 3.3V/5V = 逻辑1) 或 RS-232 电平 (负逻辑，±3V 到 ±15V)。STM32 引脚是 TTL 电平，连接 PC 串口 (RS-232) 需电平转换芯片 (如 MAX3232)。

数据帧格式：

每次传输一个 字符 (Character) 或 数据字节 (Data Byte) 是以一个 帧 (Frame) 的形式发送的。一个帧由以下部分组成：

1. 空闲状态 (Idle)： TX 线保持 高电平 (逻辑1)。

2. 起始位 (Start Bit)： 1 位 的 低电平 (逻辑0)。标志一个数据帧的开始。 接收方检测到这个下降沿就开始采样后续数据位。

3. 数据位 (Data Bits)： 要传输的实际数据。长度可配 (5-9 位)，通常 8 位 (1 字节)。先发送最低有效位 (LSB)。

4. 校验位 (Parity Bit)： 可选 1 位。 用于简单的错误检测。
   偶校验 (Even)： 数据位 + 校验位中 1 的总数为 偶数。
   奇校验 (Odd)： 数据位 + 校验位中 1 的总数为 奇数。
   无校验 (None)： 不发送校验位。

5. 停止位 (Stop Bit)： 1, 1.5 或 2 位 的 高电平 (逻辑1)。标志一个数据帧的结束，并确保线路回到空闲状态为下一个起始位做准备。通常用 1 位。

6. 帧长度示例 (8N1)： 最常用配置。1 起始位 + 8 数据位 + 无校验 + 1 停止位 =10位

波特率 (Baud Rate)：

定义： 每秒钟传输的 符号数 (Symbols per second)。在 UART 中，一个符号就是一位 (bit)。所以波特率 等于 比特率 (bits per second, bps)。

意义： 决定了数据传输的 速度。通信双方 必须设置相同的波特率！

通信过程：

1.发送：

CPU 或 DMA 将要发送的数据写入 发送数据寄存器 (USART_DR)。
硬件自动将数据从 USART_DR 移入 发送移位寄存器。
发送控制逻辑从 起始位 开始，按配置好的帧格式（数据位、校验位、停止位）逐位 将移位寄存器中的内容通过 TX 引脚 发送出去（低位在前）。
当整个帧发送完毕，设置 发送完成标志 (TC)，并可产生中断

2. 接收：

接收控制逻辑持续监测 RX 引脚。

检测到 起始位（下降沿）时，启动接收过程。

根据配置的波特率，在 每个数据位的中间位置 进行采样（通常采样多次取多数值以提高抗噪性）。

将采样到的位 逐位 移入 接收移位寄存器（低位在前）。

当接收到完整的一帧（包括停止位）后：

如果帧格式（停止位电平、校验位）检查通过，则将移位寄存器中的数据部分移入 接收数据寄存器 (USART_DR)。

设置 接收数据寄存器非空标志 (RXNE)，并可产生中断。

如果校验错误，设置 校验错误标志 (PE)。

如果停止位检测为低电平（应该是高），设置 帧错误标志 (FE)。

CPU 或 DMA 读取 USART_DR 获取接收到的数据。读取 USART_DR 会清除 RXNE 标志。

四、USART 关键特性与功能

1. 硬件流控制 (CTS/RTS)：
   目的：
   防止接收方缓冲区溢出导致数据丢失
   引脚：
   nCTS (Clear To Send - 输入)：对方设备告诉 STM32：“我现在可以接收数据了”
   nRTS (Request To Send - 输出)：STM32 告诉对方设备：“我现在准备好接收数据了”
   工作流程
   (STM32 作为发送方)：
   STM32 在发送数据前，会检查 nCTS 引脚。
   如果 nCTS 为低（有效），表示对方准备好，STM32 才发送数据。
   如果 nCTS 为高（无效），STM32 会暂停发送，直到 nCTS 变低。
   (STM32 作为接收方)：
   当 STM32 的接收缓冲区有空间时，它会将 nRTS 置为低（有效），告诉对方“可以发送”。
   当接收缓冲区快满时，它会将 nRTS 置为高（无效），告诉对方“暂停发送。

重要性： 在高速通信或接收方处理速度较慢时，强烈建议使用硬件流控。
2. 中断：

USART 提供丰富的状态标志和对应的中断使能位。常用中断源：

TXE (Transmit Data Register Empty)： 发送数据寄存器 (USART_DR) 空。表示可以写入新的待发送数据。常用于 DMA 禁用时的发送中断驱动。
TC (Transmission Complete)： 整个帧（包括停止位）已从移位寄存器发送完毕。表示一次发送任务完成。
RXNE (Read Data Register Not Empty)： 接收数据寄存器 (USART_DR) 非空。表示收到了新数据，可以读取。最常用的接收中断！
IDLE (Idle Line Detected)： 检测到空闲状态（RX 线持续保持高电平超过一帧时间）。常用于不定长数据帧的接收判断。
ORE (Overrun Error)： 数据溢出错误。 新数据到来时，前一个数据还未被读取（RXNE 未清除），导致数据丢失。
…………
3. 与 DMA 配合：
接收： 当 RXNE 发生时（收到一个字节），触发 DMA 请求，DMA 自动将 USART_DR 中的数据搬运到指定的内存缓冲区。完美解决高速接收时 CPU 来不及处理或 ORE 问题。
发送： 当 TXE 发生时（发送寄存器空），触发 DMA 请求，DMA 自动将内存缓冲区中的下一个数据搬运到 USART_DR。高效发送大块数据。
优势： 解放 CPU，避免轮询或频繁中断，实现高速、稳定、大数据量传输。
4. 允许一个主机通过 USART 总线与多个从机通信。
数据帧使用 9 位数据模式。
第 9 位 (MSB) = 1：表示该帧是 地址帧 (Address)，包含目标从机地址。
第 9 位 (MSB) = 0：表示该帧是 数据帧 (Data)。

从机配置为多处理器模式。
默认处于静默状态（不接收数据帧）。
当接收到一个地址帧，且地址与自身匹配时，该从机退出静默状态，开始接收后续的数据帧。
其他地址不匹配的从机保持静默，忽略数据帧。
接收完数据帧后（或超时），从机自动回到静默状态。
主机发送时，先发送地址帧（第9位=1），再发送数据帧（第9位=0）

五、通信流程与注意事项

1. 发送数据：
   查询方式： 等待 TXE 标志置位 (USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_TXE))，然后写入 USART_DR。等待 TC 标志置位表示完全发送完毕。
   中断方式： 使能 TXE 中断。在中断服务函数中检查 TXE，写入下一个数据到 USART_DR。最后一个数据发送后，可等待 TC 中断或标志。
   DMA 方式： 配置好 DMA 源地址（内存）、目标地址 (&USARTx->DR)、数据量。启动 DMA 和 USART 发送。DMA 完成后产生中断（或查询标志）
2. 接收数据：
   查询方式： 轮询 RXNE 标志 (USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_RXNE))，置位后读取 USART_DR。
   中断方式 (最常用)： 使能 RXNE 中断。在中断服务函数中读取 USART_DR，清除 RXNE 标志（读 DR 自动清除）。
   DMA 方式 (高效)： 配置 DMA 源地址 (&USARTx->DR)、目标地址（内存）、数据量、模式（循环/单次）。启动 DMA 和 USART 接收。DMA 传输完成或半传输产生中断
3. 错误处理：

在中断或轮询中检查错误标志 (ORE, PE, FE, NE)。

读取 USART_DR 可以获取出错时的数据（但可能无效），更重要的是清除 RXNE 和相关错误标志（通常读 SR 再读 DR 或写 0 清除错误标志）。

分析错误原因（波特率不匹配、线路干扰、缓冲区溢出等）并做相应处理（如重发、复位接收状态）。
4. 电平转换：

连接 RS-232 设备（如 PC 串口）时，必须使用电平转换芯片（如 MAX3232CSE）将 STM32 的 TTL 电平 (0/3.3V) 转换为 RS-232 电平 (±3V to ±15V)，反之亦然。直接连接会损坏 STM32 引脚！

六、典型应用场景

调试输出 (Debug Console)： 使用 printf 重定向到 USART，通过串口助手查看程序运行信息、变量值。
与 PC 通信： 通过 USB 转 TTL 串口模块，实现 STM32 与 PC 上位机软件的数据交换。
连接模块： GPS 模块、蓝牙模块 (如 HC-05/06)、WiFi 模块 (如 ESP8266/ESP32)、GSM/GPRS 模块、串口屏、RFID 读卡器等常用串口通信。
设备间通信： 两个或多个 MCU 之间通过 USART 交换数据（注意共地）。
工业控制： 连接 PLC、传感器、变频器等支持 Modbus RTU (基于 RS-485, 物理层不同但协议基于串行帧) 的设备（需加 RS-485 收发器）。
固件升级 (ISP/IAP)： 通过串口引导程序 (Bootloader) 烧录或更新用户程序

总结： USART 是 STM32 与外界进行灵活、可靠、中低速串行通信的基石。深入理解其异步通信协议（帧格式、波特率）、关键特性（全双工、硬件流控、中断/DMA） 和配置要素是成功应用的基础。掌握 RXNE 中断接收、IDLE + DMA 接收不定长数据 以及错误处理是实际开发中的核心技能。牢记 电平转换 要求（连接 RS-232）和 共地 原则，避免硬件损坏和通信失败。对调试、连接模块，设备互联，USART 都是不可或缺的工具。