什么是STM32串口通信协议？它的基本原理有哪些？

串口通信指串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，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。

好的，我们来详细解释一下STM32的串口通信协议及其基本原理。

核心概念：串口通信是基础，USART/UART 是STM32实现串口通信的具体硬件模块。

什么是STM32串口通信协议？

STM32本身使用的并不是一个单一的、特定的高层协议（比如Modbus、CAN、I2C那样有严格定义的复杂规则）。当我们说“STM32串口通信协议”时，通常指的是STM32微控制器内置的硬件串行通信接口（USART/UART）所支持的底层数据传输规则和帧格式。

核心是： STM32利用其USART（通用同步异步收发器）或UART（通用异步收发器）硬件模块，遵循异步串行通信的基本原理，在两个设备之间传输数据。其核心规范定义了如何将每个字节的数据打包成数据帧，并在没有共享时钟信号的情况下，通过两根信号线（RX, TX）可靠地传输这些帧。

基本原理

异步串行通信的原理是STM32串口通信的核心：

异步通信：
- 最关键的一点：通信双方没有共享的时钟信号线来同步数据采样。
- 双方必须事先严格约定好相同的波特率（Baud Rate）。
数据传输方式：
- 串行： 数据是一位（1 bit）接一位地在信号线上传输。同一时刻只传输一个比特。
- 全双工/半双工： 通常情况下使用两根数据线：
  - TX (Transmit)： 发送数据线（STM32 -> 其他设备）。
  - RX (Receive)： 接收数据线（其他设备 -> STM32）。
  - 这种方式允许全双工通信（同时收发）。通过流控或软件控制，也可实现半双工（交替收发）。
- 单工： 偶尔只有一根数据线（通常只发送或只接收）。
逻辑电平：
- STM32芯片引脚产生的电平是TTL/CMOS电平：
  - 逻辑1 (空闲态)：高电平（通常接近VDD，如3.3V）。
  - 逻辑0 (显性态)：低电平（通常接近GND，0V）。
- 这种电平不适合长距离传输。通过电平转换芯片（如MAX232, SP3232, CH340等），可以转换成RS-232电平（负逻辑：-3V 到 -15V表示1，+3V 到 +15V表示0）或RS-485电平（差分信号），以满足不同的距离和抗干扰需求。STM32的USART/UART硬件本身只处理TTL/CMOS信号。
数据帧结构：
- 每个字节（8位或9位）的数据被“打包”成一个标准的帧来传输。一个完整的数据帧结构如下：
  - 起始位： 必须由一个逻辑0（低电平）表示。这个低电平告知接收方“一个数据帧开始传输”，用于时间同步。
  - 数据位： 起始位后紧接着的就是实际的数据位（5到9位）。通常使用8位（一个字节）。最低有效位（LSB）最先发送，最高有效位（MSB）最后发送。
  - 奇偶校验位（可选）： 跟在数据位后的一位。用于简单的错误检测。可选配置为奇校验（使总数为奇数个1）、偶校验（使总数为偶数个1）或无校验。
  - 停止位： 帧的结束标志，必须由逻辑1（高电平）表示。表示数据帧传输结束，并使信号线恢复到空闲的高电平状态。常用1位、1.5位或2位（时间长度）。
- 波特率匹配是关键： 由于没有时钟线，接收端完全依赖约定的波特率来决定在什么时刻对数据线进行采样。发送方根据波特率按时钟节拍发送每个位；接收方则使用相同速度的内部时钟来定时采样RX线。精确匹配的波特率是异步通信成功的基石。
STM32 USART/UART 硬件模块的作用：
- 并行转串行 (发送)： STM32 CPU将数据（通常是一个字节）写入发送数据寄存器。USART/UART硬件自动将该数据（连同起始位、校验位、停止位）转换成符合帧结构的串行比特流，按照设定好的波特率，在TX引脚上一位一位地发送出去。
- 串行转并行 (接收)： USART/UART硬件持续监听RX引脚。当检测到起始位的下降沿时，按照设定的波特率采样后续的每一位数据（数据位、校验位）。采样到的比特流被硬件重新组合成一个完整的数据字节（或字），存放在接收数据寄存器中，CPU读取该寄存器即可获得数据。硬件还会根据规则进行奇偶校验错误检测。
- 波特率发生器： 模块内部包含一个可编程的分频器，基于输入的时钟源（如内部APB总线时钟）生成发送和接收所需的精确位速率时钟信号（即波特率时钟）。
- 中断/DMA： 提供发送完成、接收数据就绪、错误等事件的中断信号，允许CPU异步处理通信。许多USART/UART还支持DMA，可在数据收发时不占用CPU资源。

总结关键点

特性	说明
异步性	无共享时钟，靠精确匹配的波特率
串行传输	一位一位地发送/接收数据
双线（全双工）	TX用于发送，RX用于接收（最常用）
逻辑电平	STM32引脚电平：1为高(≈VDD)，0为低(≈GND)
帧结构	起始位(0) + 数据位(5-9位) + [校验位] + 停止位(1/1.5/2位, 1)
硬件核心	USART/UART模块实现并行/串行转换、波特率生成、帧打包/解析
关键参数	波特率、数据位数、停止位数、奇偶校验位

简单来说，STM32串口通信的原理就是： STM32芯片利用其内置的USART/UART硬件，按照双方事先约定好的参数（波特率、数据位、停止位、校验位），将需要发送的数据“装订”成包含起始位、数据位、校验位、停止位的标准帧格式，转换成一位一位的电平信号从TX线发出；同时，也实时监听RX线，识别起始位下降沿，按照约定速率采样电平信号，将连续接收到的一位一位信号重新“组装”成数据字节交给CPU，并在过程中进行可能的错误检查。

理解并正确配置这些基本参数（特别是波特率！）是使用STM32进行任何串口通信的基础。实际的通信协议（如Modbus、GPS NMEA等）通常都是在这些底层数据字节可靠传输的基础上，通过软件定义上层的数据格式和命令交互规则来实现的。