CAST电子部单片机方向授课——串口通信预习文档

课前小准备

安装串口调试助手

第一步：进入Microsoft Store

第二步：在Microsoft Store中搜索 “串口调试助手”

第三步：点击获取，按要求安装即可

下载完成后，桌面上可能没有快捷方式，需要在win里搜索一下，然后拖到桌面上。

注：其他安装方法都可以，反正就是正常安装步骤，没什么特殊的。

知识预备

有关通信的一些知识：

说白了，通信其实就是一堆01的组合，不同的01序列表示不同涵义。

通信可以用以下的框图概括

并/串行通信

并行通信

定义：利用多条传输线将一个数据的各位同时传送。

传输方式：传输一个字节（8个位）的数据时，并口是将8个位一字排开，分别在8条连接线上同时传输。

特点：传输速度块，适用于短距离通信。

串行通信

定义：利用一条传输线将数据一位位地顺序传送。

传输方式：传输一个字节（8个位）的数据时，串口是将8个位排好队，逐个地在1条连接线上传输。

特点：通信线路简单，利用电话或电报线就可以实现通信，降低成本，适用于远距离通信，但传输速度慢。

一般来说，串行通信更加普遍实用。

串行通信的通信方向

单工

定义：数据只能在一个方向上传输，通信双方数据只能由一方传输到另一方

半双工

定义：数据可以错时双向传输，通信双方数据可以支持两个方向传输，但是同一时间只能由一方传输到另外一方。

全双工

定义：数据可以同时双向传输，通信双方数据可以同时进行双向传输，对于其中一个设备来说，设备需要支持发送数据时可以进行数据接收。

串行通信的通信方式

异步通信

异步通信就是通信双方之间可以在任意时刻发送数据。比如说qq，同学A准备给同学B发送消息1，同学B一直在等待接收；同学A敲下回车键，开始发送；同学B一接受到消息1，就将消息1存进自己的电脑里，完成消息接收。

更specifically的说法：

异步通信是一种很常用的通信方式。异步通信在发送字符时，所发送的字符之间的时间间隔可以是任意的。当然，接收端必须时刻做好接收的准备。发送端可以在任意时刻开始发送字符，因此必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志，即加上开始位和停止位，以便使接收端能够正确地将每一个字符接收下来。异步通信的好处是通信设备简单、便宜，但传输效率较低（因为开始位和停止位的开销所占比例较大）。

同步通信

同步通信就是通信双方之间有一个时间信号约束。比如说，同学A想给同学B发送消息2，同学A在不发送消息的时候，一直举着手（表示现在不发送消息）；当同学A放下手（表示消息开始发送），同学B急忙接收消息，然后将消息存储起来；当同学A消息发送完成后，同学A举手，同学B停止接收，这样就完成了一轮消息接收。在这个例子里，时钟信号就是同学A的手有没有举。

更specifically的说法：

同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同，通常含有若干个数据字符。

采用同步通信时，将许多字符组成一个信息组，这样，字符可以一个接一个地传输，但是，在每组信息（通常称为帧）的开始要加上同步字符，在没有信息要传输时，要填上空字符，因为同步传输不允许有间隙。在同步传输过程中，一个字符可以对应5～8位。当然，对同一个传输过程，所有字符对应同样的数位，比如说n位。这样，传输时，按每n位划分为一个时间片，发送端在一个时间片中发送一个字符，接收端则在一个时间片中接收一个字符。

同步传输时，一个信息帧中包含许多字符，每个信息帧用同步字符作为开始，一般将同步字符和空字符用同一个代码。在整个系统中，由一个统一的时钟控制发送端的发送和空字符用同一个代码。接收端当然是应该能识别同步字符的，当检测到有一串数位和同步字符相匹配时，就认为开始一个信息帧，于是，把此后的数位作为实际传输信息来处理。

串口通信（UART：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）

什么是通信协议？

所谓通信协议，就是双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。比如说：同学A给同学B发送消息，需要举左手；同学C给同学D发消息，需要举右手；那么举的是左手还是右手，就是两边通信协议的差别之一。

串口通信简介

UART串口通信，是一种串行、异步、全双工的通信协议。在STM32单片机中，串口通信只需要两根线，RX和TX（除了VCC和GND）。RX就是接收线（Recieve）；TX就是发送线（Transmit）；在单独一条线上，只能进行单向发送。在UART通信协议中，高电平表示 ‘1’，低电平表示 ‘0’ 。UART的特点是：通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，大大降低了成本，但传送速度较慢。

通信过程

在通信前，我们需要将线缆正确连接。一般来说，我们用单片机的TX连接另一个模块/单片机的RX，RX连接TX（就是发送端口连接接收端口）。在其中一条线上（比如单片机的TX——模块的RX这条线），通信是这样进行的：

在单片机没有消息发送给模块的时候，线缆上一直为高电平，表示没有消息发送；当单片机要给模块发送消息时，单片机将线缆上电平拉低，变为低电平；经过一个信号周期后（就是传输一位数据，两个信号周期就是两位数据），单片机开始进行数据位的发送，这个数据可以是5，6，7，8，9位的二进制数，传输的方法就是让线缆上的电平发生跳变（比如说传输一位数据 ‘1’，就是将线缆上电平变为高电平，然后持续一个信号周期......）；当单片机发送完数据位后，模块可能需要检验刚刚接收到的数据是否正确，于是会有一个校验位的传输：单片机会给模块传输0_{1位的奇偶校验位（后面会说），然后模块会通过这0}1位的数据来检验刚刚传输的数据是否正确；最后，单片机给模块传输1~2位的停止位，表示数据传输完成；停止位发送完毕后，单片机将电平拉高，表明线缆上无信号传输，一轮数据传输完成。

数据协议

波特率 (baud rate)：表示传输数据的速度，单位为bps。比如说某串口通信波特率为9600bps，那么在该通信中传输一位二进制数据所需要的时间就是1/9600 = 104.2us。

空闲位：空闲状态里信号线的电平。通过上述例子可以看出，UART的空闲位是高电平1 。

起始位：通信中发送方发送起始位，表示数据即将开始传输。比如在串口通信中，我们以一位数据 ‘0’ 为标志（其实是空闲位’1‘到起始位’0‘的跳变），表示数据马上开始传输。

数据位：表示传输的二进制数据。数据可以是5，6，7，8，9位二进制数据，但一般都是8位（一个字节）。发送过程中，从发送数据的最低位（LSB）开始发送（即小端模式）。

奇偶校验位：数据位传送完成后，要进行奇偶校验，校验位其实是调整个数，串口校验分几种方式：

1.无校验（no parity）

2.奇校验（odd parity）：如果数据位中’1’的数目是偶数，则校验位为’1’，如果’1’的数目是奇数，校验位为’0’。

3.偶校验（even parity）：如果数据为中’1’的数目是偶数，则校验位为’0’，如果为奇数，校验位为’1’。

4.mark parity：校验位始终为1

5.space parity：校验位始终为0

停止位：数据结束标志，可以是1位，1.5位，2位的高电平。

串口通信的代码实现

进入cubeMX，新建F401工程，然后进行SystemCore中RCC和SYS的配置，以及ClockConfiguration中时钟树的配置，完成如下界面（不详细演示了，大家应该都很熟练了，不记得的可以翻第一次授课的ppt，后面有。）

选择左栏的Connectivity，选择USART1，在Mode里选择Asynchronous，其余默认，如下图

进行Project Manager里的配置，同见第一次授课的ppt

Generate Code，进入keil工程，进入榔头界面，修改工程属性（也不详细演示了，第一次授课ppt也有，修改结果参照下图）

在main.c中添加如下代码

把烧录器和单片机四个烧录引脚连接起来（连接方法见第一次授课ppt，GND-GND, SCK-SWCLK, DIO-SWDIO, VCC-VREF）；然后将烧录器上的TX引脚连接单片机的A10引脚，RX连接A9（就是TX-RX, RX-TX）；然后将代码烧录进单片机中。

打开串口调试助手，设置如下图（只要改波特率和串口号），然后点击 “打开串口”

按下CAST学习板上的RESET按键，就可以看到串口调试助手软件上显示的信息啦~