USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter,通用同步/异步收发传输器)是STM32微控制器中常用的串行通信接口之一。它支持同步和异步通信模式,广泛应用于各种数据传输场景,如串口通信、GPS模块连接、蓝牙通信等。本文将详细介绍STM32的USART技术,包括其基本概念、工作原理、配置方法及实际应用。
一、USART简介
1.1 什么是USART
USART是一种能够实现串行数据通信的外设,支持同步和异步两种通信模式:
- 异步模式:无需共享时钟信号,通过预设的波特率实现数据同步。常用于PC与微控制器之间的通信。
- 同步模式:需要共享时钟信号,数据同步传输速度更高,适用于高速数据传输场景。
1.2 USART与UART的区别
UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)仅支持异步通信模式,而USART除了支持异步模式外,还支持同步模式。因此,USART功能更为强大和灵活。
二、STM32的USART外设
STM32系列微控制器中集成了多个USART外设,具体型号和数量根据不同的STM32系列有所不同。常见的STM32系列如F0、F1、F4、H7等,都配备了多个USART/USARTx外设,用户可以根据应用需求选择合适的USART端口。
2.1 主要功能
- 全双工通信:支持同时发送和接收数据。
- 多种数据格式:支持不同的数据位、停止位、奇偶校验配置。
- 硬件流控制:支持RTS/CTS硬件流控制,确保数据传输的可靠性。
- 多种工作模式:包括异步、同步、LIN、IrDA、SmartCard等模式。
- 中断与DMA支持:支持中断驱动和DMA传输,提升数据处理效率。
三、USART的工作原理
3.1 异步通信模式
在异步模式下,数据以帧的形式进行传输,每一帧通常包含:
- 起始位(Start Bit):标志数据帧的开始,通常为1位低电平。
- 数据位(Data Bits):通常为8位,但可以配置为7位、9位等。
- 奇偶校验位(Parity Bit)(可选):用于检测数据传输错误。
- 停止位(Stop Bit):标志数据帧的结束,通常为1位或2位高电平。
数据通过TX(发送)引脚发送,通过RX(接收)引脚接收。
3.2 同步通信模式
在同步模式下,除了TX和RX引脚外,还需要一个时钟引脚(CK)。发送和接收双方共享时钟信号,确保数据的同步传输。
四、配置与使用
4.1 硬件连接
- TX/RX连接:将STM32的USART TX引脚连接到目标设备的RX引脚,STM32的RX引脚连接到目标设备的TX引脚。
- 电平匹配:确保STM32和目标设备的通信电平匹配,必要时使用电平转换器。
- 流控制(可选):如果需要硬件流控制,连接CTS和RTS引脚。
4.2 软件配置
可以通过STM32的固件库(如STM32CubeMX、HAL库、LL库)进行USART配置。以下以STM32CubeMX为例简要介绍配置步骤:
- 打开STM32CubeMX,创建新工程并选择目标STM32型号。
- 启用USART外设:在“Peripherals”中选择“USARTx”并启用。
- 配置引脚:自动或手动分配TX、RX等引脚,确保与硬件连接一致。
- 设置参数:
- 波特率(Baud Rate):如9600、115200等。
- 数据位(Data Bits):通常为8位。
- 停止位(Stop Bits):通常为1位。
- 奇偶校验(Parity):无校验、偶校验或奇校验。
- 硬件流控制(Flow Control):None、RTS/CTS等。
- 中断/DMA配置(可选):根据需求启用中断或DMA支持。
- 生成代码:点击“Generate Code”生成初始化代码。
4.3 使用HAL库进行USART通信
以下是一个使用HAL库进行USART初始化和基本发送/接收的示例代码:
/* USART初始化 */
UART_HandleTypeDef huart1;
void MX_USART1_UART_Init(void)
{
huart1.Instance = USART1;
huart1.Init.BaudRate = 115200;
huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
{
// 初始化错误处理
Error_Handler();
}
}
/* 发送数据 */
uint8_t txData[] = "Hello, USART!";
HAL_UART_Transmit(&huart1, txData, sizeof(txData)-1, HAL_MAX_DELAY);
/* 接收数据 */
uint8_t rxData[100];
HAL_UART_Receive(&huart1, rxData, sizeof(rxData), HAL_MAX_DELAY);
4.4 使用中断进行USART通信
- 启用中断:在STM32CubeMX中启用USART中断,并在NVIC中配置优先级。
- 实现中断回调:
void USART1_IRQHandler(void)
{
HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
}
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
if (huart->Instance == USART1)
{
// 处理接收到的数据
}
}
- 启动接收中断:
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, rxData, sizeof(rxData));
五、编程示例
以下是一个简单的USART回显(Echo)示例,接收到的数据会被原样发送回发送端。
#include "main.h"
UART_HandleTypeDef huart1;
uint8_t rxBuffer[1];
uint8_t txBuffer[1];
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_USART1_UART_Init();
// 启动接收中断
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, rxBuffer, 1);
while (1)
{
// 主循环中可以执行其他任务
}
}
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
if (huart->Instance == USART1)
{
txBuffer[0] = rxBuffer[0]; // 将接收到的数据存入发送缓冲区
HAL_UART_Transmit(&huart1, txBuffer, 1, HAL_MAX_DELAY); // 发送数据
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, rxBuffer, 1); // 继续接收
}
}
六、常见应用
- 串口调试:通过USART与PC通信,实现数据调试和日志输出。
- GPS模块连接:接收GPS模块发送的位置信息。
- 蓝牙通信:与蓝牙模块进行数据交换,实现无线通信。
- 与其他微控制器通信:在多片STM32系统中实现数据共享与控制。
七、相关注意事项
- 波特率匹配:确保STM32和通信设备的波特率一致,否则会导致通信失败。
- 电平兼容:不同设备的通信电平可能不同,如STM32通常使用3.3V逻辑电平,需根据设备需求调整。
- 抗干扰设计:长距离通信时,考虑使用屏蔽线缆或差分信号(如RS-485)以提高抗干扰能力。
- 缓冲区管理:合理设置接收和发送缓冲区,避免数据溢出或丢失。
- 中断优先级:合理配置USART中断优先级,确保实时性和系统稳定性。
八、结论
STM32的USART外设功能强大,配置灵活,适用于多种串行通信应用。通过合理配置和编程,开发者可以实现稳定、高效的数据传输。掌握USART的基本原理和使用方法,是开发STM32应用的关键技能之一。