通信接口

通信协议及特征

• 通信目的：将一个设备数据传送到另一个设备，扩展硬件系统，如 STM32 外挂芯片需通信实现数据交换和控制。
• 通信协议作用：制定通信规则，双方按规则收发数据，STM32 有多种通信协议，下面列出了典型参数配置。
• 各协议引脚：Usart 串口引脚 TX 和 RX 等，I2C 是 SCL 和 SDA ，SPI 有 SCLK ，MOSI， MISO，CS 等，CAN 是CAN_H，CAN_L 差分数据脚，USB 是 DP 和 DM 等。
• 双工模式：全双工通信双方能同时双向通信，有两根通信线；I2C、CAN 和 USB 是半双工，只有一根通信线，单工数据只能单向传输。
• 时钟特性：I2C 和 SPI 有单独时钟线为同步通信，串口、CAN 和 USB 无时钟线是异步通信，需约定采样频率并对齐采样位置。
• 电平特性：前三种协议是单端信号，通信双方需共地，CAN 和 USB 是差分信号，抗干扰强，USB 部分地方需单端信号仍需供电。
• 设备特性：串口和 USB 是点对点通信，中间三种可挂载多个设备，多设备通信需寻址确定对象。

串口通信

串口通信优势：应用广泛，成本低、易使用、线路简单，可实现设备互相通信，单片机串口能与电脑等通信，扩展应用范围。

相关模块：USB 转串口模块（芯片 CH340 可转换协议实现串口与电脑通信）、陀螺仪传感器模块（有串口和 I2C 引脚）、蓝牙串口模块（可与手机互联实现遥控）。

硬件电路

硬件电路连接：串口通信模块一般有 VCC、TX、RX、GND 引脚，VCC 供电视情况连接（需要按照从设备供电等），TX 与 RX 交叉连接，单向传输可只接一根通信线，电平标准不一致需加转换芯片。，也可以看做3根通信线，因为数字信号的输出和接收都是以GND为基准进行判断的。

电平标准

• 电平标准：规定数据 0 和 1 的表达方式，常见 TTL 电平（5 伏或 3.3 伏表示逻辑 1，0 伏表示逻辑 0 ），还有 RS232 电平（负三到负十五伏表示 1，正三到正 15 伏表示 0 ）、RS485 电平（两线压差正 2 到正 6 伏表示 1，负二到负六伏表示 0 ）。
• RS485电平为差分信号，抗干扰能力强，传输距离远。

串口参数及时序

软件层面数据帧：由起始位、数据位、停止位组成，数据位 8 位代表一个字节，可加奇偶校验位，校验位用于数据验证，有奇校验和偶校验等方式。

串口参数：波特率规定通信速率，反映每秒传输码元个数，二进制调制下波特率等于比特率；起始位固定为低电平标志数据帧开始；停止位固定为高电平用于数据帧间隔；数据位表示有效载荷，低位先行；校验位根据数据位计算，可判断传输是否出错。

串口参数

一、波特率（Baud Rate）

1. 定义与作用

• 核心功能：规定串口通信的速率，即每秒传输的码元个数，单位为 波特（Baud）。
• 异步通信基础：串口采用异步通信，需通信双方预先约定波特率，确保发送与接收的节奏一致，避免数据错位（如漏收或重复接收）。

2. 技术细节

• 与比特率的关系
  • 在二进制调制（如 TTL 电平，高电平为 1、低电平为 0）中，1 个码元 = 1 比特（bit），此时波特率等于比特率（单位为 bit/s 或 BPS）。
  • 在多进制调制中，波特率与比特率不同（如 1 个码元携带 2 比特信息时，比特率 = 波特率 × 2）。
• 典型取值：常见波特率有 9600、19200、115200 等，数值越大，通信速度越快，但抗干扰能力可能下降。
• 波形示例
  • 波特率为 9600 时，每一位的传输时间为 1/9600 ≈ 104.17 微秒；
  • 波特率为 4800 时，时间延长至 约 208.33 微秒（时长与波特率成反比）。

二、起始位（Start Bit）

1. 定义与作用

• 标志数据帧开始：固定为 低电平（逻辑 0），用于打破串口的空闲状态（空闲状态为高电平），通过下降沿通知接收方 “数据即将传输”。
• 关键意义：若无起始位，连续发送高电平（如 8 个 1）时，接收方无法判断数据帧的起始点，导致同步失败。

2. 技术特性

• 长度：固定为 1 位，占 1 个波特率周期（如 9600 波特率下为 104 微秒）。
• 波形表现：空闲状态为高电平，起始位触发下降沿，随后进入数据位传输阶段。

三、数据位（Data Bits）

1. 定义与作用

• 有效载荷载体：传输实际数据的部分，通常为 8 位（对应 1 字节），可扩展为 9 位（含 1 位校验位，见下文）。
• 传输顺序：低位先行（LSB First），即先发送字节的最低位（如字节 0X0F，二进制为 00001111，实际发送顺序为 11110000）。

2. 技术细节

• 电平表示：逻辑 1 为高电平（如 TTL 电平的 3.3V 或 5V），逻辑 0 为低电平（0V）。
• 与校验位的关系
  • 当使用校验位时，数据位为 8 位，校验位单独占用 1 位；
  • 若不使用校验位，数据位可直接为 9 位（但较少见）。

四、停止位（Stop Bit）

1. 定义与作用

• 标志数据帧结束：固定为 高电平（逻辑 1），用于分隔相邻数据帧，同时将引脚恢复为空闲状态，为下一个起始位的下降沿做准备。
• 防止数据粘连：若无停止位，前一帧的最后一位（如 0）与下一帧的起始位（0）无法区分，导致帧同步错误。

2. 技术特性

• 长度可配置：常见为1 位、1.5 位或 2 位，具体取决于串口协议配置。
  • 1 位停止位：数据帧紧凑，适用于高速通信；
  • 2 位停止位：增加帧间隔，适合干扰较大的场景。
• 波形表现：数据位传输完毕后，引脚维持高电平至少 1 个波特率周期（如 1 位停止位）。

五、校验位（Parity Bit）

1. 定义与作用

• 数据验证机制：通过奇偶校验算法，检测数据传输过程中是否出现单比特错误。
• 工作原理
  • 发送方：根据数据位中 “1 的个数” 生成校验位（0 或 1），使总个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）；
  • 接收方：对接收到的数据位和校验位进行校验，若 “1 的个数” 不符合约定（如奇校验下为偶数），则判定传输错误。

2. 类型与特性

校验类型	规则	波形结构
无校验	不添加校验位，仅起始位、数据位、停止位	3 部分：起始位 + 数据位 + 停止位
奇校验	数据位 + 校验位中 “1 的个数” 为奇数	4 部分：起始位 + 数据位 + 校验位 + 停止位
偶校验	数据位 + 校验位中 “1 的个数” 为偶数	4 部分：同上

3. 局限性与扩展

• 检出率：仅能检测单比特错误，无法检测双比特或偶数个错误（如两位同时翻转，奇偶性不变）。
• 替代方案：若需更高可靠性，可使用 CRC 校验（循环冗余校验），STM32 的 USART 外设支持该功能，但实现复杂度更高。

串口时序

仔细观察下面时序会更加了解串口通信。