USART，全称Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，意为通用同步/异步串行接收/发送器

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

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

通信的目的

比如STM32芯片，它里面集成了很多功能模块，定时器计数，pwm输出，ad采集等等，这些都是芯片内部的电路，这些电路的配置寄存器，数据寄存器都在芯片里面，操作这些寄存器非常简单，直接读写就行了，但是也有些功能是STM32内部没有的，比如我们想要蓝牙无线遥控的功能，测量姿态的功能，STM32没有，所以就只能外挂芯片来完成，那外挂的芯片它的数据都在STM32外面，就需要我们在这两个设备之间连接上一根或多根通讯线，通过通讯线路发送或者接收数据，完成数据交换，从而实现控制外挂模块和读取外挂模块数据的目的，所以在这里通信的目的是将一个设备的数据传送到另一个设备，单片机有了通信的功能，就能与众多别的模块互联，极大地扩展了硬件系统。

通信协议

通信协议的作用是制定通信的规则，通信双方按照协议规则进行数据收发，通信的目的是进行信息传递，双方约定的规则就是通信协议，还那最后在STM32里面就有下边这么多的通信协议。

名称	引脚	双工	时钟	电平	设备
USART	TX、RX	全双工	异步	单端	点对点
I2C	SCL、SDA	半双工	同步	单端	多设备
SPI	SCLK、MOSI、MISO、CS	全双工	同步	单端	多设备
CAN	CAN_H、CAN_L	半双工	异步	差分	多设备
USB	DP、DM	半双工	异步	差分	点对点

这个表只是列了一个最典型的参数，因为各种通信协议应用都非常宽泛，参数也很多，所以这里列出的仅是他最常用最简单的配置。

协议

USART串口，它的引脚是TX和RX，有的地方也叫TXD和RXD，这两种名称是一个意思，TX是数据发送引脚，RX是数据接收引脚。

IIC通信，引脚是SCL和SDA，SCL(Serial clock)是时钟，SDA(Serial Data)是数据。

SPI通信，引脚是 SCLK、MOSI、MISO、CS 。SCLK(Serial clock)是时钟，MOSI(Master Output Slave Input)是主机输出数据引脚，MISO(Master Input Slave Output)是主机输入数据引脚，CS(Chip Select)是片选用于指定通信的对象。

CAN通信，引脚是CAN_H和CAN_L，这两个是差分数据脚，用两个引脚表示一个差分数据

USB通信，引脚是DP (Data Positive)和DM (Data Minus)或者叫d+和d-，也是一对差分数据引脚 这就是这些通信协议规定的引脚数据，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

通信模式

接着看一下后面它们的特性（全双工：打电话。半双工：对讲机。单工：广播）

全双工模式，这里全双工就是指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有两根通讯线，比如串口一根TX发送一根RX接收，SPI，一根MOSI发送，一根MISO接收，接收发送线路和接收线路互不影响

半双工模式，IIC、CAN和USB都只有一根数据线，CAN和USB两根差分线也是组合成一根数据线的，所以都是半双工，

单工，单工是指数据只能从一个设备到另一个设备，而不能反着来，比如把串口的RX引脚去掉，那串口就退化成单工了

时钟特性

比如你发送一个波形，高电平然后低电平，接收方怎么知道你是1、0还是1、1、0、0呢，这就需要有一个时钟信号来告诉接收方，你什么时候需要采集数据，时钟特性分为同步和异步，这里I2C和SPI有单独的时钟线，所以他们是同步的，接收方可以在时钟信号的指引下进行采样，剩下的串口、CAN和USB没有时钟线，所以需要双方约定一个采样频率，这就是异步通信，并且还需要加一些帧头帧尾等，进行采样位置的对齐。

电平特性

USART、IIC、SPI都是单端信号，也就是他们引脚的高低电平都是对GND的电压差，所以单单信号通信的双方必须要共地，就是把GND接在一起，所以说这里通信的件前三个还应该加一个GND，不接GND是没法通信的，

CAN和USB是差分信号，它是靠两个差分引脚的电压差来传输信号的，是差分信号。在通信的时候可以，不需要GND，不过USB协议里面也有一些地方需要单端信号，所以USB还是需要共地的，使用差分信号可以极大地提高抗干扰特性，所以差分信号一般传输速度和距离都会非常高，性能也是很不错的，

设备特性

串口和USB属于点对点的通信，IIC、SPI、CAN是可以在总线上挂载多个设备的。，点对点通信，就相当于老师找你去办公室谈话，只有两个人直接传输数据就可以了，多设备就相当于老师在教室里面对所有同学谈话，需要有一个寻址的过程，以确定通信的对象。

串口通信

串口是一种应用十分广泛的通信接口，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，在我们这个单片机的领域，串口其实是一种最简单的通讯接口，它的协议相比较IIC、SPI等已经是非常简单的了，而且一般单片机它里面都会有串口的硬件外设，使用也是非常方便的，一般串口都是点对点的通信，所以是两个设备之间的互相通信。

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，其中单片机和电脑通信，是串口的一大优势，可以接电脑屏幕，非常适合调试程序，打印信息 ，像IIC和SPI这些一般都是芯片之间的通信，不会接在电脑上，有了通信就是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

USB转串口模块，上面有个芯片，型号是ch340，这个芯片可以把串口协议转换为USB协议 ，它一边是USB口，可以插在电脑上，另一边是串口的硬件，可以和支持串口的芯片接在一起，这样就能实现串口和电脑的通信了。

陀螺仪传感器的模块，这姿态参数它左右各有四个引脚，一边是串口的硬件，另一边是IIC的硬件

蓝牙串口模块，上面的芯片可以和手机互联，实现手机遥控单片机的功能，那这些就是串口通信和一些使用串口通信的模块

硬件电路

下面这个图就是串口的接线图

一般串口通信的模块都有四个引脚，VCC、TX、RX、GND，VCC和GND是供电，TX和RX是通信的引脚，TX和RX是单端信号，他们的高低电平都是相对于GND的，所以严格上来说，GND应该也算是同一线，所以串口通信的TX RX GND是必须要接的，如果两个设备都有独立供电，那VCC可以不接，如果其中一个设备没有供电，比如这里设备一是STM32设备，那就需要把蓝牙串口的VCC和STM32的VCC接在一起，STM32通过这根线，向右边的子模块供电，当然供电的电压也需要注意一下，要按照子模块的要求来，这就是供电要求。

简单双向串口通信有两根通讯线。发送端TX和接收端RX这里是简单的串口通信，复杂一点的串口通信，还有其他引脚，比如时钟引脚，硬件流控制的硬件，这些引脚STM32的串口也有，不过我们最常用的还是简单的串口通信，也就是VCC、TX、RX、GND这四个引脚。

TX与RX要交叉连接。TX是发送，RX是接收，那肯定得是一个设备的发送 接 另一个设备的接收，一个设备的接收 接 另一个设备的发送，这样来接线。

当只需单向的数据传输时，可以直接一根通信线。比如你只需要设备一向设备二的单向通信，那就可以直接这一根TX到RX的线，另一根就可以不接，这就变成了单工的通行方式

当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片。串口也是有很多电平标准的，像这种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，不同的电平信号需要加一个电平转换芯片转接一。

串口常用的几种电平标准

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）

RS232电平一般在大型的机器上使用，由于环境可能比较恶劣，静电干扰比较大，所以这里电平的电压都比较大，而且允许波动的范围也很大

RS485电平参考是两线压差，所以RS485的电平是差分信号，差分信号抗干扰能力非常强悍，使用RS485电平标准，通信距离可以达到上千米，而TTL电平和RS232电平这两种电平最远只能达到几十米，再远就传不了了，这就是串口常用的这几种电平标准。

像单片机这种低压小型设备使用的都是TTL电平，之后的内容也都是基于TTL电平来讲，如果你做设备需要其他的电平，那就再加电平转换芯片就行，在软件层面，它们都属于串口，所以程序并不会有什么变化。

在硬件电路上，协议规定是一个设备使用TX发送高低电平，另一个设备使用RX接收高低电平，在线路中使用TTL电平，因为STM32是3.3伏的器件，所以如果线路对地3.3伏就代表发送了逻辑一，如果线路对地是零，就代表发生了逻辑零

串口协议的软件部分

如何用一和零来组成我们想要发送的一个字节数据，两个数据帧图。

波特率：串口通信的速率

起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平

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

停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平

这就是串口发送一个字节的格式，这个格式是串口协议规定的，串口中每一个字节都装载在一个数据帧里面，每个数据帧都有起始位、数据位和停止位组成，这里数据位有八个，代表一个字节的八位，在下面这个数据帧里面，还可以在数据位的最后加一个奇偶校验位，这样数据位总共就是九位，其中有效载荷是前八位，代表一个字节，校验位跟在有效载荷后面占一位，这就是串口数据帧的整体结构

第一个参数就是波特率，它的用途是规定串口通讯的速率，，串口一般是使用异步通信，所以需要双方约定一个通信速率，比如我每隔一秒发送一位，那你就也得每隔一秒接受一位，如果接收快了，那就会重复接收某些位，如果接收慢了，那就会漏掉某些位，所以说发送和接收必须要约定好速率，这个速率参数就是波特率，波特率本来的意思是每秒传输码元的个数，单位是码元/S或者直接叫波特(Baud)，另外还有个速率表示叫比特率，比特率的意思是每秒传输的比特数,单位是bit/s，或者叫Bps。

在二进制调制的情况下，一个码元就是一个bit，此时波特率就等于比特率，像我们单片机的串口通信基本都是二进制调制，也就是高电平表示一，低电平表示零，一位就是一bit的，所以说这个串口的波特率经常会和比特率混用，不过这也是没关系的，因为这两个说法的数值相等，如果是多进制调制，那波特率就和比特率不一样了，，那反映到波形上，比如我们双方规定波特率为1000Bps，那就表示一秒要发1000位，每一位的时间就是1ms，，发送方每隔1ms发送一位；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一位。

起始位，它是标志一个数据帧的开始，固定为低电平，看下面这个波形，首先串口的空闲状态是高电平，也就是没有数据传输的时候，硬件必须要置高电平作为空闲状态，然后需要传输的时候，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，那当发送八个一的时候，是不是数据线就一直都是高电平，没有任何波动，这样接收方怎么知道发送数据了呢？所以这里必须要有一个固定为低电平的起始位，产生下降沿来告诉接收设备，我要发送数据了。

同理在一个字节数据发送完成后，必须要有一个停止位，这个停止位的作用是用于数据帧间隔固定为高电平，同时这个停止位也是为下一个起始位做准备的。如果没有停止位，那当我数据最后一位是零的时候，下次再发动新的一帧，是不是就没法产生下降沿了，这就是起始位和停止位的作用。起始位固定为零，产生下降沿，表示传输开始。停止位固定为1，把引脚恢复成高电平，方便下一次下降沿，如果没有数据了，正好引脚也为高电平，代表空闲状态。

数据位，这里数据位表示数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平，低位先行，比如我要发送一个字节是0x0，f那就首先把0f转换为二进制，就是0000 1111，然后低位先行，所以数据要从低位开始发送，也就是1111 0000，像这样依次放在发送引脚上，，所以想发送0x0f这一个字节数据，那就按照波特率要求定时翻转引脚电平，产生一个波形就行了。

校验位，它的作用是用于数据验证，是根据数据位计算得来的，这里串口使用的是一种叫奇偶校验的数据验证方法，奇偶校验可以判断数据传输是不是出错了，如果数据出错了，可以选择丢弃或者要求重传，校验可以选择三种方式，无校验、奇校验和偶校验，无校验就是不需要校验位，波形就是上面这个起始位，数据位，停止位，总共三个部分。奇校验和偶校验的波形就是下面这个，起始位、数据位、校验位、停止位总共四个部分。

如果使用了奇校验，那么包括校验位在内的9位数据会出现奇数个1，比如如果你传输0000 1111，目前总共四个一是偶数个，那么校验位就需要再补一个1，连同校验位就是0000 1111 1，总共五个1，保证1为奇；如果数据是00001110，此时三个1，是奇数个，那么校验位就补一个0，连同校验位就是0000 1110 0，总共还是三个1，1的个数为奇数，发送方在发送数据后会补一个校验位，保证一的个数为奇数。接收方在接收数据后会验证数据位和校验位，如果1的个数还是奇数，就认为数据没有出错，如果在传输中因为干扰有一位由1变成0或者由0变成1了，那么整个数据的奇偶特性就会变化，接收方已验证发现一的个数不是奇数，那就认为传输出错，就可以选择丢弃或者要求重传，这就是奇校验的差错控制方法。

如果选择双方约定偶校验，那就是保证一的个数是偶数，校验方法也是一样的道理，当然奇偶校验的检出率并不是很高，比如如果有两位数据同时出错，奇偶特性不变，那就校验不出来了，所以奇偶校验只能保证一定程度上的数据校验，如果想要更高的检出率，可以了解一下CRC校验，这个校验会更加好用，当然也会更复杂，我们这个STM32内部也有CRC的外设，可以了解一下。

我们这里的数据位有两种表示方法，一种是把校验位作为数据位的一部分，就像上面这个时序一样，分为八位数据和九位数据，其中九位数据就是八位有效载荷和一位校验位，另一种就是把数据位和校验位独立开，数据位就是有效载荷，校验位就是独立的1位，像上面的描述，就是把数据位和较量位分开描述了，在串口助手软件里也是用的这种分开描述的方法，数据为八位，校验位为一位，总之无论是合在一起还是分开描述，描述的都是同一个东西，

串口通信的实际波形

这些波形是用示波器实测的，操作方法是把探头的GND接在负极，探头接在发送设备的TX引脚，然后发送数据就能捕捉到这些波形了

0x55，9600，8位数据，1位停止，无校验

这个波形是发送一个字节数据0x55，，在TX引脚输出的波形，波特率是9600，所以每一位的时间就是1÷9600，大概是104微秒，可以看到这里一位就是100微秒，多一点就是104微秒，没发送数据的时候是空闲状态高电平，数据帧开始，先发送起始位，产生下降沿，代表数据帧开始，数据0x55 转为二进制，低位先行，就是依次发送1010 1010，然后这个参数是八位数据，一位停止，无效验，所以之后就是停止位，把引脚置回高电平，这样一个数据帧就完成了。

在STM32中，这个根据字节数据翻转高低电平，自由USART外设自动完成的，不用我们操心，当然也可以软件模拟产生这样的波形，那就是定时器定一个104微秒的时间，时间到之后按照数据恢要求，调用GPIO_WriteBit置高低电平，产生一个和这一模一样的波形，这样也是可以完成串口通信的，TX引脚发送就是置高低电平，那在RX引脚接收，显然就是读取高低电平了，这也可以由USART外设自动来完成，不用我们操心，如果想要软件模拟的话，那就是定时调用GPIO_ReadInputDataBit来读取每一位，最终拼接成一个字节。当然接收的时候应该还需要一个外部中断，在起始位的下降沿触发，进入接收状态，并且对齐采样时钟，然后依次采样八次，这就是接收的逻辑。

0xAA，9600，8位数据，1位停止，无校验

如果发送0xAA波形就是这样的，起始位，然后0101 0101，停止位，结束。

0xFF，9600，8位数据，1位停止，无校验

如果发送0x ff就是八个一，那波形就是这样，起始位，8个1，停止位，结束。在起始位下降沿之后的一个数据帧的时间内，这个高电平就是作为数据一来看的，当数据帧结束后，这里虽然还是一没有任何变化，但此时的一已经是属于空闲状态了，他需要等待下一个下降沿来开启新的一帧数据。

0x00，9600，8位数据，1位停止，无校验

如果发送0x00 就是八个零，那波形就是，起始位，八个零，停止位，置回高电平。

0x55，4800，8位数据，1位停止，无校验

波特率改成4800，也就是波特率变为一半，那相应的波形时长就会变为原来的二倍，可以看到这里十位数据总共大概2ms多一点，具体应该在2.08ms，那一位就是208微秒，是之前的二倍，数据波形的时间拉宽，波形的变化趋势是不变的

0x55，9600，8位数据，1位停止，偶校验

这里加了一个偶校验位，数据是0x55 数下1的个数是四个，已经是偶数了，所以输出的校验位是零，低电平，此时包括校验位在内的数据总共是偶数个1。

0x55，9600，8位数据，1位停止，无校验

停止位的变化，串口的停止位是可以进行配置的，可以选择1位、1.5位、2位等，这上面的波形是一位停止位 ，连续发送两个0x55，两个数据真会接在一起，中间没有空闲状态，下面这个波形是两位停止位。

0x55，9600，8位数据，2位停止，无校验

连续发送两个0x5 ，可以看到这里停止位就是两位的宽度，中间也没有空间状态，不过这样数据分隔的就更宽一些了，这就是不同长度停止位的现象。

总结

TX引脚输出定时翻转的高低电平，RX引脚定时读取引脚的高低电平，每个字节的数据加上起始位，停止位，可选的校验位，打包为数据帧，依次输出在TX引脚，另一端RX引脚依次接收，这样就完成了字节数据的传递，这就是串口通信。 ，

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