现代农业园网站建设方案,食品包装设计要点,郑州网站制作_郑州网页制作_做网站设计_河南网站制作网,wordpress 发送请求文章目录前言常用通信协议分类及其特征介绍通信协议通信协议分类1.同步异步通信2.全双工/半双工/单工3.现场总线/板级总线4. 串行/并行通信5. 有线通信、无线通信STM32通信协议的配置方式使用通信协议控制器实现使用IO口模拟的方式实现STM32串口通信概述什么是串口通信STM32F40…
文章目录前言常用通信协议分类及其特征介绍通信协议通信协议分类1.同步异步通信2.全双工/半双工/单工3.现场总线/板级总线4. 串行/并行通信5. 有线通信、无线通信STM32通信协议的配置方式使用通信协议控制器实现使用IO口模拟的方式实现STM32串口通信概述什么是串口通信STM32F407的串口STM32串口通信的数据帧STM32串口通信硬件连接STM32串口通信的四要素STM32的串口框图串口数据的收发过程串口的控制过程波特率的计算过程总结嵌入式系列目录前言
上两篇文章中已经实现了GPIO的通用输出以及通用输出模式从本文开始笔者将开始有关GPIO的复用功能的介绍首先是最常用复用功能——串口本文主要是介绍一些关于通信以及串口的基本概念。
常用通信协议分类及其特征介绍
通信协议
通信协议通信双方进行信息交换接收或发送要满足的规则,而这个规则不仅有如下图所的软件层的规则软件层主要是双方互相约定了数据每一位的具体含义以及 ‘断句’ 位置还需要规定硬件层怎么连接用多少线连接每个线是什么功能等等。就比如常见的单总线协议就只使用了一个数据线连接主从机当然是在共地的情况下而最常见的串口就是两个线一个TX一个RX双方连接过程中还需要交叉连接这些都是属于硬件层或者说是物理连接的规则。
通信协议分类
关于通信协议的分类有着多种分法这里选用几种常见的分类方式来做个说明。
1.同步异步通信
所谓的同步异步通信主要区分在于通信双方在通信过程中是使用的同一个时钟一根绳上的蚂蚱还是双方各自使用自己的时钟自顾自的。如下图所示就是一种常见的同步通信通信双方使用同一个时钟线按照时钟线上的频率来传输和接收数据。 同步通信协议**通信双方在同一个时钟脉冲作用下工作时钟线**如IIC SPI 而异步通信通信双方没有共同的时钟线只有数据线双方通过约定数据发送的速率以及起始位停止位数据位的方式来实现数据传输。 异步通信协议通信双方不在同一个时钟脉冲作用下工作 如:UART USB can 单总线 这种分类方法的区别方式就是看通信双方有没有同步的时钟线有就是同步通信没有就是异步通信。
2.全双工/半双工/单工
全双工通信就是说同一时间设备A既可以给设备B发送数据也可以接收从设备B发送过来的数据。全双工最少要求有两个数据线发送和接收走的不同的数据线且互不干涉可以同时进行。 全双工有两个数据线发送线和接收线 如UART SPI 半双工一般就只有一根数据了也就是同一时间只能一个设备发送数据另一个设备接收数据不能两个设备同时发送和同时接收数据。半双工既能实现接收也能实现发送但是同一时刻同一设备只能接收或者只能发送不能同时进行。 半双工有一根数据线可以发可以收但不能同时进行 如单总线 单工 有一根数据线要么只能发送要么只能接收一般很少遇到大多数的外设都是需要发送和接收的
3.现场总线/板级总线
现场协议主要是应用在工业控制现场由于使用环境变得复杂各种干扰会出现并对通信造成影响所以这类通信协议一般采用差分信号或者提高高低电压范围的方式来提高抗干扰能力不同协议有不同的电压信号代表逻辑值0和1。 此图来自百度百科关于现场总线的解释。 现场总线工业控制现场总线可远距离传输数据 如485总线—千米级别 can总线—十千米级 板级通信见名知意就是应用在PCB板上的的通信协议主要是指SPI、IIC、UART、1-Wire这一类。 例如下图中白色的SCL与SDA这两个线就属于板级总线。 板级总线芯片之间通信距离长会被干扰 如IIC/SPI/8080
4. 串行/并行通信
按位传输一位一位的发送其优势在于传输数据所用的线极少一个数据线即可完成数据传输。但是速度不如并行通信。 并行一次发多位 多根线其优势是传输数据的速度快但是需要占用较多的IO口。
5. 有线通信、无线通信
有线通信就是通过线缆进行传输数据其优势在于可靠性强但缺点也在于对于复杂项目线缆过长会造成现场混乱。 而无线通信好处在于不需要线缆会比较方便但是相对也没有有线通信的稳定性高。GSM 蓝牙 433500m2.4Gwifi这些都是常用的无线通信。
STM32通信协议的配置方式
使用STM32实现上面的那些通信协议时一般有两种方案一种是使用IO口模拟协议的时序另一种就是配置对应通信协议的片上外设通过片上外设来处理和获取数据。
使用通信协议控制器实现
配置好对应协议控制的功能
协议控制器会自己发送
不需要看相应时序
看框图找配置流程写初始化函数
IO口配置成复用功能使用IO口模拟的方式实现
通过IO口模仿对应协议的控制器
通过高低电平实现通信时序的功能
相对于控制器来说不是很稳定
IO口配置成通用功能
需要看时序图STM32串口通信概述
在了解了上面那么多有关通信的内容后现在开始进入主题什么是串口通信串口通信能干什么串口通信要怎么使用。
什么是串口通信
串口通信是一种设备间常用的串行通信方式串口按位bit发送和接收字节。尽管比特字byte的串行通信慢但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。
STM32F407的串口
通用同步异步收发器 (USART) 也就是STM32上的串口注意还有另外一种名称——UART二者的区别在于USART内部有智能卡协议、红外协议而UART则没有。 这里的命名既说了同步又说了异步收发按照上面的协议分类他应该只能属于一种协议才对是这样的STM32的USART设置的有同步时钟线如果硬件连接这个时钟线那就是同步通信如果不连接这个线那么就是异步通信在实际应用中大多使用异步通信。 所以参照上面的协议介绍串口通信属于异步、串行、全双工、有线通信。 那么STM32F407的串口一共有多少组呢这个在数据手册是有介绍的一共有六组其中USART有四组UART有一组。 既然看了数量那在顺便瞅一眼他们各自挂接的时钟线可以发现对于F407来说USART1与USART6挂接在APB2上而USART2、USART3、USAR4、USART5则是挂接在APB1上的每个串口对应在哪个时钟线上这点是需要知道的因为后买编程需要使用。
STM32串口通信的数据帧
所谓数据帧就是串口每次发出的数据包内容前面提到了串口通信在发送数据的时候是按照一位一位去发送的也就是单次发送的只有0或者1为了将这些“00100110101”解析成对应的数据通信双方需要约定帧格式。 例如上图这个传输过程就是传输了一个ascll 码为0x4D的字符 ‘M’ 在STM32的串口通信中常用的数据帧格式为 一个起始位 八位数据位 一个停止位没有使用奇偶校验例如我们发送一个字符A的数据帧就是如下图所示STM32 使用的是小端模式也就是说当我们给一个int型的变量存入0x12345678时其低地址存放的就是78h高地址存放的是12h。 数据帧传输一包数据 一帧数据 一帧发一个字节数据只能发送字符char类型的 起始位(1) 数据位(8-9)可配置 停止位(0.5/1/2)可配置
STM32串口通信硬件连接
由于STM32的串口输出是TTL电平的如果要与其他工控机通信的话需要使用到SP3232IDR的电平转换芯片才可以通信。
我们平时与PC机通信使用的大多是USB口USB的电平与TTL也不一样所以还也需要有电平转换的IC来实现中转这里常用的就是USB—TTL的CH340芯片在使用CH340之前需要我们安装其对应的驱动这也是为什么在之前搭建开发环境时需要安装这个驱动的原因。 一般的开发板外接USB转串口都是用使用的PA9和PA10这一组管脚没有统一的标准但是很多板子都是这么做的。
STM32串口通信的四要素
前面说了一堆关于串口的知识在这里做个小结 串口收发的本质实际上就是 接收和发送字符需要掌握的无非也就是串口的四个要素 串口的四要素分为波特率 数据位 停止位 奇偶校验位 串口通信的必要条件 两台设备进行通信要确保双方的四要素保持一致才能通信下图是PC端得四要素配置也就是说如果板子要和PC能够通信那么板子端的四要素也得跟PC端的配置一样。 那么怎么配置板子端的四要素呢继续往下看。
STM32的串口框图
在弄清了STM32串口的硬件连接方式以及通信数据帧格式后就该选取配置方案了对于串口这个模块绝大多数都是用的USART的控制器来实现的几乎没有人使用IO口模拟来做只有I2C、单总线才会更多的偏向使用IO口模拟通信。 关于怎么配置的问题参考前面学习GPIO的配置流程首先肯定要去查看其对应的框图根据框图搞清楚大致的通信流程然后再去查看对应的寄存器最后根据流程编写代码。 那么接下来开始分析USART的框图 串口的整体框图如下图所示一共分为了三个部分 1.最上端叫做串口数据的收发过程 2.中间叫做串口的控制过程 3.最下面叫做波特率的计算过程。 和之前的GPIO一样为了方便理解还是将框图拆开来一个个的分析。
串口数据的收发过程
如下图所示其中的TX、RX就是STM32的串口通信管脚TX对应的是STM32的发送脚从图中可以看出TX的数据来自发送移位寄存器而且是通过串行传输方式一位一位的传输的而方位移寄存器的数据又是来自上方的发送数据寄存器且是并行传输也就是说需要发送数据时CPU通过总线将数据写入到发送数据寄存器中发送数据寄存器直接并行传输一次性将一个字符存入发送位移寄存器然后发送位移寄存器一位一位的将数据传输到外接通信设备。 这里有几个需要注意和思考的点 1.CPU写数据到发送数据寄存器之前要检测之前的发送是否完成上一帧数据发送完成了才可以写到发送数据寄存器如果上一帧数据发送未完成则要等待发送完成 2.那么CPU如何检测之前的数据是否发送完成这是由于在内部有相应的发送完成标志位当数据发送完成后会有对应的寄存器被置位具体的到后面的寄存器讲解部分再做介绍。 然后是接收部分同样的外界的数据通过RX一位一位的进入接收移位寄存器当接收移位寄存器检测到接收完成时会将数据传输给接收数据寄存器然后CPU再从接收数据寄存器中将接收到的数据读走。 注意CPU在读数据前要检测是否接收完成 接收完成就可以读到变量中如果没有接收完成要等待接收完成再读到变量中。 思考如何检测是否接收完成与发送一样内部也有相应的接收完成标志位通过检测对应的寄存器即可这个在后面的寄存器介绍中会详细描述。
开发人员需要做的工作 如果是发送数据判断上一帧有没有发送完发送完了就往发送数据寄存器中写入数据1帧没有发送完就继续等待接收完成。 如果是接收数据判断上一帧数据有没有接收完毕接收完毕了就从接收数据寄存器中读取数据1帧没有接收完毕就等待接收完毕。 这一块的伪代码
发送数据的过程
{等待发送移位寄存器为空 确保每一帧 每一帧是分开的发送数据
}接收过程
{等待接收移位寄存器为满接收数据
}串口的控制过程
如下图所示图中看得出来有很多的寄存器对发送控制和接收控制单元进行配置了具体的配置放到后面的寄存器介绍再说然后两个橙色框内的硬件流以及同步时钟引脚这些我们都用不到所以暂时也不看。 这部分我们需要知道就是以下三点 1.此部分是配置串口发送和接收的使能以及前面提到的四要素中的绝大部分具体怎么配置再下一篇的寄存器中描述只需要知道这部分就是代码中初始化串口所需要进行配置的就行了。 2.上一步的发送位移寄存器是受到本部分的发送控制器控制的 3.上一步接收移位寄存器实受到本部分的接收控制器控制的。 伪代码以及配置了流程也留到下一篇的寄存器介绍中。
波特率的计算过程
最后是框图的第三部分也就是波特率的计算过程 所谓的波特率就是表示数据的传输速率常用的就是115200与9600使用的时候注意将通信双方配置为波特率一致即可上一步骤配置了四要素中的三个这一步是专门用来管理第四个要素波特率的。 这个框图也不需要看的太过认真需要了解的就是DIV_Mantissa存放的是USARTDIV的整数位DIV_Fraction存放的是USARTDIV的小数位 这个计算过程参考下面的这个公式即可,实际上也就是上图下方的公式做了变形: 整个公式中fck是对应时钟线的频率这个是通过数据手册可以查到的就用USART1来说它在APB2上时钟频率为86 000 000HZ 然后波特率我们也知道要与上位机一致这里设置为115200 然后是OVER8这个是串口的8倍过采和16倍过采在寄存器中有介绍我们一般选择16倍超采也就是OVER8的值为0 这样一替换就只剩下了USARTDIV是一个未知数也就是说我们需要对应配置的只有这个USARTDIV上面提到了由于它有小数所以在写入USART_BRR寄存器时需要做一点处理这里我们举个栗子以串口USART1 16倍过采来做个计算看最终USART_BRR的数据如何写入。 公式转换 USARTDIVFCK/过采样/波特率 USARTDIVfck/过采样*波特率
使用串口1
波特率115200 时钟大小84000000 过采样16float USARTDIV;
unsigned int DIV_M
unsigned int DIV_F;
USARTDIV84000000/16/115200 // 45.57291666666667
DIV_M u32 USARTDIV//读取整数部分
DIV_F (USARTDIV- DIV_M)*160.5 f //考虑四舍五入
USART1-BRR DIV_M4 | DIV_F;总结
关于串口的基础概述就写到这下一篇分析寄存器以及编写初始化代码实现串口的通信。文中如有不妥之处欢迎大家批评指正。
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