串口通讯协议的物理层和协议层看完你就懂了

1.定义

串口通讯(Serial Communication)是一种设备间非常常用的串行通讯方式，因为它简单便捷，因此大部分电子设备都支持该通讯方式，其通讯协议可分层为协议层和物理层。物理层规定通信协议中具有机械、电子功能的特性，从而确保原始数据在物理媒体的传播；协议层主要规定通讯逻辑，统一双方的数据打包、解包标准。通俗的讲物理层规定我们用嘴巴还是肢体交流，协议层规定我们用中文还是英文交流。下面分析一下串口通讯协议的物理层和协议层。
2.通信基础

1.通讯结构
串口通讯的物理层的主要标准是RS-232标准，其规定了信号的用途、通讯接口及信号的电平标准，其通讯结构如下：





在设备内部信号是以TTL电平标准传输的，设备之间是通过RS-232电平标准传输的，而且TTL电平需要经过电平转换芯片才能转化为RS-232电平，RS-232电平转TTL电平也是如此。
2.电平标准
根据使用的电平标准不同，串口通讯可分为 RS-232标准 及TTL标准，具体标准如下：





在电子电路中常使用TTL的电平标准，但其抗干扰能力较弱，为了增加串口的通讯距离及抗干扰能力，使用RS-232电平标准在设备之间传输信息，经常使用MA3232芯片对TTL电平及RS-232电平进行相互转换。
3.数据传输方式：
A同步:
传输以数据块为核心，在一个数据块内，字符间无间隔，接受发送同步，有sclk时钟，双方sclk连在一起，提供同步
特点：效率高，无间隔
B异步：
以字符为传输单位，每发一个字符，都得发送一个起始位，（告诉对方我开始发了）结束发送停止位。（我发完了）
特点：效率低，间隔任意
4.串口数据包组成
起始位、数据位（8位或者9位）、奇偶校验位（第9位）、起始停止位（1,15,2位）、波特率设置
5.速率类型：
比特：每秒传输的二进制位
波特：每秒传输的码源个数（串口常用）
注：这俩本质上其实是差不多的
6.通信类型
串行：一个一个传输 如：fsmc
特点：占用资源多，速度慢，看干扰强
并行：多个一起传输 如：spi usart
特点：占用资源少，速度快。抗干扰能力弱，距离近
7.通信方式
单工：数据传输只支持数据在一个方向上传输；如：打印机
半双工：允许数据在两个方向上传输。但是，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信；它不需要独立的接收端和发送端，两者可以合并一起使用一个端口。如：对讲机，spi
全双工：允许数据同时在两个方向上传输。因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，需要独立的接收端和发送端。如：spi，usart





8.概念补充
1.数据包
串口通讯的数据包由发送设备通过自身的TXD接口传输到接收设备得RXD接口，在协议层中规定了数据包的内容，具体包括起始位、主体数据（8位或9位）、校验位以及停止位，通讯的双方必须将数据包的格式约定一致才能正常收发数据。
2.波特率
由于异步通信中没有时钟信号，所以接收双方要约定好波特率，即每秒传输的码元个数，以便对信号进行解码，常见的波特率有4800、9600、115200等。STM32中波特率的设置通过串口初始化结构体来实现。
3.起始和停止信号
数据包的首尾分别是起始位和停止位，数据包的起始信号由一个逻辑0的数据位表示，停止位信号可由0.5、1、1.5、2个逻辑1的数据位表示，双方需约定一致。STM32中起始和停止信号的设置也是通过串口初始化结构体来实现。
4.有效数据
有效数据规定了主题数据的长度，一般为8或9位，其在STM32中也是通过串口初始化结构体来实现的。
5.数据校验
在有效数据之后，有一个可选的数据校验位。由于数据通信相对更容易受到外部干扰导致传输数据出现偏差，可以在传输过程加上校验位来解决这个问题。校验方法有奇校验(odd)、偶校验(even)、 0 校验(space)、 1 校验(mark)以及无(noparity)。这些也都可以在串口初始化结构体中实现的。





3.USART简介






USART(通用同步异步收发器)是一个串行通信设备，可以灵活地与外部设备进行全双工数据交换。有别于 USART 还有一个UART，它是在 USART 基础上裁剪掉了同步通信功能，只有异步通信。简单区分同步和异步就是看通信时需不需要对外提供时钟输出，我们平时用的串口通信基本都是 UART。USART 在 STM32 应用最多莫过于“打印”程序信息，一般在硬件设计时都会预留一USART 通信接口连接电脑，用于在调试程序是可以把一些调试信息“打印”在电脑端的串口调试助手工具上，从而了解程序运行是否正确、如果出错哪具体哪里出错等等。
4.串口结构体参数






5.串口相关函数

void USART_Init //初始化函数
(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);
void USART_Cmd //串口使能函数
(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);
void USART_ITConfig //中断配置函数
(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT, FunctionalState NewState);
void USART_SendData //串口发送函数
(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);
uint16_t USART_ReceiveData //串口接收读取函数
(USART_TypeDef* USARTx);
FlagStatus USART_GetFlagStatus //获取相应的串口标志位
(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
ITStatus USART_GetITStatus //中断状态位获取
(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);





6.串口配置

1.配置时钟：gpio，串口，引脚复用
2.配置gpioA9,10结构体
3.配置串口结构体
4.初始化，打开串口
5串口发送函数配置





附上参数.c文件代码





#include "stm32f10x.h"
#include "usart.h"


void usart_init(void)
{


        GPIO_InitTypeDef  gpioinitStructure;//结构体变量定义,结构体定义要在时钟之前


        USART_InitTypeDef usartinitStucture;
       
       
RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE );
RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE );
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);//配置gpio，串口，串口复用时钟




//先配置tx输出引脚io（pa9）
gpioinitStructure.GPIO_Pin  =GPIO_Pin_9;//选择引脚
gpioinitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;//选择电平大小，初始状态无电平
gpioinitStructure.GPIO_Mode =GPIO_Mode_AF_PP;//用推挽输出


GPIO_Init(GPIOA,&gpioinitStructure );//端口初始化
//再配置rx输出引脚io（pa10）
  gpioinitStructure.GPIO_Pin =GPIO_Pin_10;
gpioinitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;//选择电平大小，初始状态无电平


        gpioinitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;


GPIO_Init(GPIOA,&gpioinitStructure );//再次端口初始化，因为过程相同且都是gpio所以不用再定义


        //串口结构体的配置
usartinitStucture.USART_BaudRate                                                                =115200;//波特率


usartinitStucture.USART_HardwareFlowControl                        =USART_HardwareFlowControl_None;//无限流
usartinitStucture.USART_Parity                                          =USART_Mode_Rx  |  USART_Mode_Tx;//输入输出模式
usartinitStucture.USART_WordLength                                                        =USART_Parity_No;//无校验位
usartinitStucture.USART_StopBits                                                                =USART_StopBits_1;//一个停止位
usartinitStucture.USART_Mode                                                                                =USART_WordLength_8b;//有效数据长度8bit


USART_Init(USART1,&usartinitStucture);//串口1初始化
USART_Cmd(USART1,ENABLE);//打开串口1


7.串口中断配置

1.配置时钟：gpio，串口，引脚复用
2.串口中断组选择
3.配置gpioA9，10，串口结构体与初始化
4.串口与中断控制器联系配置
5.打开串口
6.串口发送函数配置
.c文件

#include "stm32f10x.h"
#include "usart.h"


void usart_init(void)//串口发送接收和串口中断配置
{


        GPIO_InitTypeDef  gpioinitStructure;//结构体变量定义,结构体定义要在时钟之前


        USART_InitTypeDef usartinitStucture;
        NVIC_InitTypeDef  NVICinitStucture;


       
        //1.串口中断组的选择
        NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_2);
       
        //2.打开gpio，引脚复用和串口时钟
        RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE );
        RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE );
        RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);//配置gpio，串口，串口复用时钟




//3.先配置tx输出引脚io（pa9）
gpioinitStructure.GPIO_Pin  =GPIO_Pin_9;//选择引脚
gpioinitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;//选择电平大小，初始状态无电平
gpioinitStructure.GPIO_Mode =GPIO_Mode_AF_PP;//选择输出方式，用推挽输出


GPIO_Init(GPIOA,&gpioinitStructure );//端口初始化
//4.再配置rx输出引脚io（pa10）
  gpioinitStructure.GPIO_Pin =GPIO_Pin_10;
        gpioinitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;//选择电平大小，初始状态无电平


        gpioinitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;


        GPIO_Init(GPIOA,&gpioinitStructure );//再次端口初始化，因为过程相同且都是gpio所以不用再定义


        //5.串口结构体的配置
usartinitStucture.USART_BaudRate                                                                =115200;//波特率


usartinitStucture.USART_HardwareFlowControl                        =USART_HardwareFlowControl_None;//无限流
usartinitStucture.USART_Parity                                          =USART_Mode_Rx  |  USART_Mode_Tx;//输入输出模式
usartinitStucture.USART_WordLength                                                        =USART_Parity_No;//无校验位
usartinitStucture.USART_StopBits                                                                =USART_StopBits_1;//一个停止位
usartinitStucture.USART_Mode                                                                                =USART_WordLength_8b;//有效数据长度8bit


USART_Init(USART1,&usartinitStucture);//串口1初始化
//6.串口和中断控制器联系配置
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE,ENABLE );


//7.打开串口1
USART_Cmd(USART1,ENABLE);


//8.串口中断控制器结构体配置与初始化
        NVICinitStucture.NVIC_IRQChannel                                                                        =USART1_IRQn;//中断通道，选择串口中断
        NVICinitStucture.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1;//配置中断优先级
        NVICinitStucture.NVIC_IRQChannelCmd                                                                =ENABLE;//使能打开
        NVICinitStucture.NVIC_IRQChannelSubPriority                                =1;//配置中断子优先级






        NVIC_Init(&NVICinitStucture);//串口结构体初始化


}
void USARTSendByte(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data)//串口发送字符函数封装
{
                 USART_SendData(USARTx, Data);//串口1发送字符0
                 while(USART_GetFlagStatus(USARTx,USART_FLAG_TXE)==RESET);//如果数据寄存器空标志位为空，则已经成功发送数据跳出
}
void USARTSendstr(USART_TypeDef* USARTx,char*str)//串口发送字符串函数封装
{
                uint16_t i=0;
                do
                {
                USARTSendByte(USARTx,*(str+i));//串口发送字符函数封装
                i++;


                }while(*(str+i)!='');
               
               
while(USART_GetFlagStatus(USARTx,USART_FLAG_TC)==RESET);//如果数据寄存器空标志位为空，则已经成功发送数据跳出
//检测字符串用tc，检测字符用txc
}




int fputc(int ch,FILE *f)//串口更改printf实现向电脑输出，这边只用单个字符的但函数进行多次调用
{
                         USART_SendData(USART1,(uint8_t) ch);//串口1发送字符
                        while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE)==RESET);//如果数据寄存器空标志位为空，则已经成功发送数据跳出
                        return   ch;
}
int fget(int ch,FILE *f)//串口更改scanf函数实现向电脑接收一个数据
{
                        while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_RXNE)==RESET);//如果数据寄存器空标志位为空，判断数据是否接受成功


//接受用rxne，输入用txe
        return (int)USART_ReceiveData(USART1);


       
}
main函数中断服务函数





注：这里不用清除中断标志位也行