UART通信

理论知识#

物理信号#

硬件电路引脚#

• 实现模块点对点通信
• 在两模块均已供电的情况下，只需3条线即可（ Rx，Tx，GND）
  • Rx，Receiver，接收端
  • Tx，Transmitter，发送端
  • GND，Ground，接地端：两模块需共地，以区分 Rx & Tx 线上的电平高低
  • 部分具有流控策略的设备还需 RTS & CTS 两根线

接地方式#

信号与电平格式#

• 传输0/1码元
• 高电平为1（3.3V），低电平为0（0V）

比特率与波特率#

• 比特率（ bit/s，bps ）：每秒钟传输二进制码元数量
• 波特率（ symbol/s )：每秒钟传输有效信息码元的数量
• UART通信中，比特率=波特率
• 例 十六进制字符编码中，如果一秒传输1000个字符，每个字符对应一种唯一的电平信号，那么波特率就是1000symbol/s；由于一个十六进制字符要用四位二进制编码表示，那么它的比特率就是4000bit/s

异步通信（Async）#

不需等待某一方时钟信号同步后再发送，但通信内容较长时可能会因时钟不统一而错位。

如何解决错位问题呢？

可通过多次采样发现甚至解决错位问题（常见采样次数为8和16）

* 对于USART（即UART & SART）通信，这种SART具有时钟线同步策略。

收发模式#

仅接受、仅发送、收发双向。

链路传输#

UART协议#

• 点到点通信
• 仅有校验与帧格式
• 没有地址或ID的概念
• 没有冲突检测、避免和仲裁的说法
• 没有地址便没有滤波器与掩码

误码校验#

Why?

减少硬件偶然错误的信息编码被解析利用

但仍可能存在强干扰化境导致信道电压波动而改变电平

如何实现？

奇偶校验算法

• 对已发送的一段比特流进行计算，统计1的个数决定1bit的校验位
  • 偶数个1为0，奇数个1为1，则是偶校验
  • 奇数个1为0，偶数个1为1，则是奇校验
• 等效于异或操作，对前面的比特流进行异或
  • 异或结果直接作为校验位，是偶校验
  • 异或结果取反作为校验位，是奇校验
• 例 01010101，偶校验位为0，奇校验位为1

UART帧数据格式#

通信方式#

阻塞式通信#

发送一段数据，在没有发送完所有数据之前，一直停留在此发送函数（可设定阻塞时间），这个过程中会阻塞别的程序运行；

中断式通信#

发送数据的过程在中断中进行，这个中断实际上是发送数据寄存器空的中断。

比如说你要发送10个字节的数据，那么这10个字节肯定不会一次性发送完，只能是一个一个字节地发送。每发送一个字节，发送数据寄存器就会有一个为空的标志，以提示可以发送下一个字节了，这样在发送数据的过程中CPU不会一直在等待，而是用中断来提示需要进行发送的时候再发送。不影响主程序进行。

DMA中断通信#

DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）是一种计算机系统中用于数据传输的机制。它允许数据在外设和内存之间直接传输，而不需要CPU的介入，从而减轻了CPU的负担，提高了数据传输的效率。

举个栗子：

想象一下我们搬家的场景：你要把家里的一些东西从旧房子搬到新房子。在传统的情况下，你可能要亲自搬每一箱东西，把它们从旧房子搬到新房子。这就相当于CPU传统地处理数据传输的方式。 现在，有一支搬家队，他们专门负责搬家。你只需要告诉他们从哪里搬，搬到哪里，然后他们就会自己完成这项任务。而你可以利用这段时间去做其他事情，不需要亲自动手。这就有点类似于DMA的工作原理。 在计算机中，CPU通常会处理数据的传输工作，就像你亲自搬家一样。但有了DMA，就好比有了一支专门负责数据传输的队伍。CPU只需要告诉DMA从哪里搬，搬到哪里，然后就可以去处理其他任务了。DMA负责在外设和内存之间直接传输数据，而不需要CPU一直参与。

简而言之，DMA就像是一支搬家队伍，负责在不需要CPU亲自操劳的情况下完成数据传输任务，从而提高了系统的效率。

该内容摘抄自CSDNTM32CubeMx+HAL库：USART串口收发数据的三种方式

空闲中断#

当单片机的UART歇下来的时候，会把之前连续接收的内容自动拼装成一段有效的信息存到缓冲区中

DMA空闲中断#

代码示例#

阻塞式#

• 配置UART通信模块USART1
• 设置USART1为 asynchronous 模式
  • 设置波特率为115200
  • 设置数据长度为8bit
  • 不需要奇偶校验
  • 一位停止位
  • 收发双向通信

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//声明变量以存储UART的收发数据
uint8_t RxData[10];
uint8_t TxData[10]="test";

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HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_5);
HAL_Delay(500);
HAL_UART_Transmit(&huart1, TxData, 3, 1000);
HAL_UART_Receive(&huart1, RxData, 3, 1000);
if(RxData[0] == '1')
{
  HAL_GPIO_TogglePin(GPIOE, GPIO_PIN_5);
  RxData[0] = 0;
}

中断式#

• 注意要配置 使能 USART1 global interrupt
• 主函数负责发送，中断回调函数负责就收
• 随意收发长数据

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//声明变量以存储UART的收发数据
uint8_t RxData[10];
uint8_t TxData[10]="test";

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while(1) {
	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_5);
	HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, TxData, 5);
	HAL_Delay(1000);
}

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//定义中断实函数
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
	uint8_t ReceiveData[10]="okkk";
	if(huart==&huart1) {
		HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, ReceiveData, 5);
		HAL_UART_Receive_IT(&huart1, RxData, 5);
		if(RxData[0]=='1') {
			HAL_GPIO_TogglePin(GPIOE,GPIO_PIN_5);
			RxData[0]=0;
		}
	}
}

空闲中断#

• 实现UART随意发送定长数据，可接收一定长度以内的数据
• 主函数只负责发送，中断回调函数负责接收

代码在 中断式 的程序基础上修改

• 将 HAL_UART_Receive_IT(&huart1,ExData,5); 换成 HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT(&huart1, RxData, 5);
• 中断回调函数名称改为 void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)

DMA中断#

• 配置USART的DMA中断
  • Cube使能UART中断
  • 添加发送DMA
  • 添加接收DMA
  • DMA选项
    • 普通模式：支持定时搬运或代码主动调用搬运
    • 循环模式：一直搬运
    • 搬运时，内存需要自增地址，否则一段话会搬运到同一个地方去造成覆盖
    • FIFO（First In First Out）
      • 当接收信息太多时，DMA可能搬不过来。FIFO队列可以先把来不及搬运的内容缓存下来排队，一个一个让DMA搬运，但代价是让信息的时效性降低
      • 代价比较：信息丢失 vs 信息时效性差，根据这个来决定是否使用FIFO以及FIFO的长度
• 实现UART随意收发定长数据
• 主函数只负责发送，中断回调函数负责接收

代码在 中断式 的基础上进行修改（即 将 IT 换为 DMA ）

• 将 HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, TxData, 5);换为HAL_UART_ Transmit_DMA(&huart1, TxData, 5);
• 将HAL_UART_Receive_IT(&huart1, RxData, 5);换成HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, RxData, 5);

DMA空闲中断#

• UART随意收发定长数据，可接收一定长度内的数据
• 主函数只负责发送，中断回调函数负责接收

代码在 DMA中断 的基础上进行修改

• 将 HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, TxData, 5);换为HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, TxData, 5);
• 将中断回调函数名改为HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)

串口查询函数#

void HAL_UART_GetState(); //判断UART的接收是否结束，或者发送数据是否忙碌

食用方法：

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while(HAL_UART_GetState(&huart1) == HAL_UART_STATE_BUSY_TX) //检测UART1发送结束

我们可以查看一下 void HAL_UART_GetState(); 的定义：

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HAL_UART_StateTypeDef HAL_UART_GetState(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  uint32_t temp1 = 0x00U, temp2 = 0x00U;
  temp1 = huart->gState;
  temp2 = huart->RxState;

  return (HAL_UART_StateTypeDef)(temp1 | temp2);
}

让我们深入查看一下 HAL_UART_StateTypeDef 的定义，包含如下状态：

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HAL_UART_STATE_RESET：UART外设已重置但未初始化。
HAL_UART_STATE_READY：UART外设已初始化并且可以进行数据传输。
HAL_UART_STATE_BUSY：UART外设正在进行数据传输中。
HAL_UART_STATE_BUSY_TX：UART外设正在进行数据发送中。
HAL_UART_STATE_BUSY_RX：UART外设正在进行数据接收中。
HAL_UART_STATE_BUSY_TX_RX：UART外设同时正在进行数据发送和接收中。
HAL_UART_STATE_TIMEOUT：UART外设传输超时。
HAL_UART_STATE_ERROR：UART外设传输错误。

总结#

• 阻塞式
  • HAL_UART_Transmit(&huart1, TxData, 5, 1000);
  • HAL_UART_Receive(&huart1, RxData, 5, 1000);
• 中断式（使能中断）
  • void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart){} //接收回调函数
  • HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, TxData, 5);
  • HAL_UART_Receive_IT(&huart1, RxData, 5);
• 空闲中断（使能中断）
  • void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size){}
  • HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, TxData, 5);
  • HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT(&huart1, RxData, 5);
• DMA中断（配置DMA且使能中断）
  • void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart){}
  • HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, TxData, 5);
  • HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, RxData, 5);
• DMA空闲中断（配置DMA且使能中断）
  • void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size){}
  • HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, TxData, 5);
  • HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, RxData, 5);