USART串口通信

一、串口 USARTUSARTUniversal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter通用同步 / 异步收发器是一种全双工、串行、逐位传输的通信接口核心是把单片机 / 处理器的并行数据转为串行数据发送或把串行数据转回并行数据接收支持异步UART和同步USRT两种模式嵌入式中90% 以上场景只用异步 UART 模式无时钟线、仅收发 2 根线。二、异步 UART最常用1. 物理接口硬件连接最少 2 根线TX发送、RX接收共地GND必须接保证电平基准一致电平标准关键TTL/CMOS 电平单片机内部 / 板间逻辑 13.3V/5V逻辑 00VRS-232 电平长距离 / PC 串口逻辑 1-3V~-15V逻辑 03V~15V需 MAX3232 等电平转换芯片RS-485多机、远距离、抗干扰差分信号半双工需收发使能接线规则交叉连接——A 端 TX → B 端 RXA 端 RX → B 端 TXGND 共接2. 通信协议时序与帧格式异步核心异步无同步时钟靠约定一致的波特率、数据位、校验位、停止位实现收发同步这 4 项必须收发双方完全相同否则乱码。波特率Baud Rate每秒传输的位数bit/s常用9600、115200、460800、921600波特率误差≤2% 才能正常通信数据位Data Bits传输有效数据通常8 位1 字节也可 5/6/7 位校验位Parity Bit检错用可选无校验None最常用偶校验Even数据 校验位中 1 的总数为偶数奇校验Odd数据 校验位中 1 的总数为奇数停止位Stop Bits标识一帧结束提供同步恢复时间常用1 位也可 1.5/2 位完整帧结构以 8N1 最标准为例起始位1 位固定低电平 0标志一帧开始唤醒接收器数据位8 位LSB 先传有效数据低位在前校验位0/1 位可选停止位1 位高电平 1帧结束空闲时保持高电平3. 工作原理发送并行数据→移位寄存器→按波特率逐位从 TX 输出起始→数据→校验→停止接收RX 检测起始位→按波特率采样移位→存入移位寄存器→转并行→读数据寄存器全双工TX、RX 独立硬件通道可同时收发三、同步 USRT 模式少用增加 1 根时钟线CLK/SCLK由主机提供同步时钟从机按时钟采样数据优点速率更高、同步更准、无波特率误差问题缺点多 1 根线、硬件复杂典型应用SPI 兼容、高速外设通信如蓝牙模块、WiFi 模块高速模式四、USART 核心寄存器与控制以 STM32 为例通用原理1. 关键寄存器SR状态寄存器标志位TXE 发送空、TC 发送完成、RXNE 接收非空、ORE 溢出、PE 校验错DR数据寄存器写 DR 发送读 DR 接收硬件自动移位BRR波特率寄存器配置分频系数计算波特率波特率 系统时钟 / (16 × 分频系数)CR1/CR2/CR3控制寄存器使能收发、设置数据位 / 校验 / 停止位、中断使能、硬件流控2. 两种工作方式查询Polling循环读 SR 标志如 while (!(USART-SR USART_SR_RXNE))简单、占用 CPU中断InterruptRXNE/TXE/TC 触发中断CPU 只在中断时处理效率高、适合多任务DMA直接内存访问数据直接在内存与 USART 间传输完全不占 CPU适合高速大数据五、硬件流控CTS/RTS解决收发速度不匹配增加 2 根线RTS请求发送、CTS清除发送原理发送方拉低 RTS→接收方准备好则拉低 CTS→发送方开始发接收方忙则拉高 CTS→发送方暂停适用高速、大数据、收发速率差异大场景如蓝牙、GPS 模块六、常见问题与注意事项乱码核心原因波特率 / 数据位 / 校验 / 停止位不匹配、电平不共地、波特率误差过大、时钟源不准电平不匹配烧毁TTL 直接接 RS-232 必烧必须加 MAX3232 转换溢出错误ORE接收数据未读新数据到来→覆盖丢失需及时读 DR 或用中断 / DMA距离限制TTL 串口≤1 米RS-232≤15 米RS-485 可达 1000 米 七、典型应用场景单片机与 PC 调试串口助手打印日志、下载程序单片机与外设蓝牙模块HC-05、GPS、WiFiESP8266、传感器、蓝牙打印机多机通信RS-485 总线、工业控制、物联网设备调试八、USART vs UART vs SPI vs I2C快速对比表格特性USART/UARTSPII2C线数2异步/3同步4SCK/MOSI/MISO/CS2SCL/SDA模式全双工全双工半双工时钟异步无 / 同步有主机提供主机提供速率中≤10Mbps高≤100Mbps低≤1Mbps距离中TTL 短RS485 长短板内短板内地址无点对点片选多从从机地址多从