单片机开发中的通信协议——串口通信（UART）篇（3）

前言
串口通信（UART）是单片机开发中最常用的通信协议之一，广泛应用于单片机与传感器、上位机（如PC）以及其他设备之间的数据交互。掌握串口通信的原理和实现方法，对于嵌入式系统开发至关重要。
一、串口通信（UART）的基本原理
1.1 UART通信简介
UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种串行通信协议，用于设备之间的异步数据传输。其主要特点包括：
异步通信：发送和接收端使用独立的时钟，通过起始位和停止位同步数据。
简单的电气接口：通常使用两根线（RX和TX）进行数据传输。
可配置的波特率：通信速率（波特率）可以根据需要配置，常见的波特率有9600、115200等。
1.2 UART数据格式
UART通信的数据格式通常包括以下几个部分：
起始位：一个低电平信号，用于标识数据传输的开始。
数据位：通常为8位，表示要传输的实际数据。
校验位（可选）：用于数据校验，可以是奇校验、偶校验或无校验。
停止位：一个或两个高电平信号，用于标识数据传输的结束。
1.3 UART通信的应用场景
单片机与PC通信：通过串口模块（如CH340、CP2102）实现数据交互。
单片机与传感器通信：部分传感器（如温湿度传感器）支持串口通信。
设备间通信：多个单片机之间可以通过串口进行数据交互。
二、STM32平台上的UART实现
2.1 STM32的USART模块
STM32系列单片机提供了多个USART（通用同步/异步收发器）模块，用于实现UART通信。这些模块支持多种配置，包括波特率、数据位、停止位和校验位等。
2.2 USART模块的初始化
以下是基于STM32的UART初始化代码示例，使用标准库函数进行配置：

#include "stm32f10x.h"

void USART1_Init(uint32_t baudrate) {
    // 1. 使能USART1时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);

    // 2. 配置USART1参数
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = baudrate;  // 波特率
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;  // 数据位
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;  // 停止位
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;  // 校验位
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;  // 流控制
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;  // 模式：接收和发送
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

    // 3. 使能USART1
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

2.3 数据发送与接收
以下是发送和接收数据的代码示例：

// 发送单个字节
void USART1_SendByte(uint8_t data) {
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);  // 等待发送缓冲区为空
    USART_SendData(USART1, data);  // 发送数据
}

// 接收单个字节
uint8_t USART1_ReceiveByte() {
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET);  // 等待接收缓冲区非空
    return USART_ReceiveData(USART1);  // 读取数据
}

2.4 主函数示例
以下是一个简单的主函数示例，实现LED闪烁并通过串口发送数据：

int main(void) {
    // 初始化USART1，波特率为115200
    USART1_Init(115200);

    while (1) {
        USART1_SendByte('H');  // 发送字符'H'
        for (volatile int i = 0; i < 500000; i++);  // 延时
    }
}

三、串口通信的调试技巧
3.1 串口调试助手
串口调试助手是测试UART通信的常用工具，可以帮助你发送和接收数据。常见的串口调试助手包括PuTTY、SecureCRT和STC串口助手。
使用方法：
（1）配置波特率、数据位、停止位和校验位，确保与单片机一致。
（2）连接串口模块（如CH340）到PC，并将单片机的TX和RX引脚连接到模块。
（3）发送数据并观察单片机的响应。
3.2 逻辑分析仪
逻辑分析仪可以捕获串口通信的信号波形，帮助你分析时序问题。通过逻辑分析仪，你可以观察到起始位、数据位和停止位的波形。
使用方法：
（1）将逻辑分析仪的通道连接到单片机的TX和RX引脚。
（2）设置采样率和触发条件。
（3）捕获数据并分析波形。
3.3 常见问题排查
（1）波特率不匹配：确保单片机和上位机的波特率一致。
（2）硬件连接问题：检查TX和RX引脚是否连接正确。
（3）电源问题：确保串口模块和单片机的电源正常。
（4）数据错误：检查数据格式（如校验位）是否正确。

四、总结
本文详细介绍了串口通信（UART）的基本原理、STM32平台上的实现方法和调试技巧。通过学习这些内容，你可以实现单片机与上位机或其他设备的通信。如果你掌握了，你可以尝试增加难度比如串口的中断处理、DMA配合串口的空闲中断、以及串口发送和接收数据的缓冲buffer设计，另外扩展到RS485通讯中去。多多练习和尝试。

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