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STM32微控制器的可靠串口通信技术分析
STM32F107 微控制器是意法半导体推出的高性能32 位以Cortex-M3 为内核的面向工业控制的处理器.该处理器内部通过一个多层的 AHB 总线构架相连,其内部集成了丰富的外设,如USART、SPI、ADC 等等.另外,USART、SPI、ADC 处理器还提供多达80 个通用I/O 接口,如此丰富的资源使STM32 系列微控制器能够很理想地用于工业控制.
一、串口通信的实现
1、硬件设计.STM32F107 处理器的通用同步异步通信单元（US-ART）提供５个独立的异步串行接口,并且都能工作在中断和DMA 模式下,支持LIN、智能卡协议和IRDASIMENDEC 规范.USART 的字符采用一种特殊的结构,它由起始位、数据位（ 8 位或者９位）、停止位（1 位或者２位）组成.由于STM32F107 处理器输出的是TTL ／ CMOS 电平,而计算机的标准配置串口输出为 RS-232 电平,所以在硬件上采用 MAX232 进行电平转换,电路设计比较简单.如果在两个处理器之间进行串口通信,需要把STM32F107 的UART接口的发送端与对端串口的接收端相连,把STM32F107 的UART 接口的接收端与对端串口的发送端相连.
2、软件设计和实现.要实现基于STM32F107 的串口通信,首先需要对该串口的相关寄存器进行配置,比如串口的波特率、数据位长度和校验位等信息都是需要配置的.然后使能串口时钟,设置相应的I/O 模式,最后进行程序设计.为了实现高效的串口数据收发,串口通信的程序设计一般采用串口的接收中断、发送中断以及FIFO 缓存来实现.当串口有数据发送时,其底层的发送函数并不是真正的串口发送,而是将数据写入缓存区,缓存区按照FIFO 的先入先出的结构进行组织,写入数据到FIFO 后使能串口发送中断后便退出了,这相当于RAM 的读写,执行速度快,实际的发送数据在串口发送中断服务程序中完成.当串口有数据接收时,在接收中断中使用FIFO 缓存接收到的数据.当收到串口接收数据完成或者接收缓冲区已满的信息后,通知主程序数据接收完成,在主程序中进行数据处理并清理缓冲区数据,等待下一次数据接收.
二、串口通信协议
1、标志.全部的信息传输一定要以一个标志字符开始,并且以同一个字符结束.所谓一帧就是从开始标志到结束标志之间构成一个完整的信息单位.接收端可以通过搜索标志字符来探知帧的开头和结束,以此建立帧同步.在两帧之间只需要一个这样的标记,两个相继的标记构成一个空帧,它被抛弃,而不产生FCS 错误.2、地址域.在标志之后,是地址域.地址域包括发送信息和接收信息的通信设备地址,即帧数据的发送者和接收者地址.地址域的宽度为16 位,前８位用来表示接收者的地址,后８位用来表示发送者的地址.地址域通常在一对多或多对多的串口通信中应用.3、控制域.在地址域之后,是控制域,控制域可规定若干个命令,控制域占一个字节.接收方必须检查每个地址,包括二进制11111111（十六进制０xff）,也就是“广播”地址.不可识别的地址则被抛弃. 4、信息域 .在控制域之后,是信息域.信息域包含要传送的数据,并不是每一帧都必须传送数据,即信息域可以为 0.当它为０时,这一帧主要是控制命令.5、CRC 校验.在信息域之后,是４字节的帧校验,帧校验采用32 位循环冗余校验码CRC.除了标志域以外,所有的信息都参加CRC 计算.当数据传输时,CRC 的高位在前,低位在后.
三、硬件CRC 循环冗余校验
因为串口通信中的数据在传输和存储过程中易受到各种信号的干扰,容易产生信号码元的变化,所以需要采用相关的校验方式确保信号传输的可靠性.循环冗余校验技术主要应用于检验或核实数据传输、存储的正确性和完整性,具有检错率高、易于实现的特点,因此在工程中广泛使用.
在STM32F107 中内置了CRC 计算单元的硬件组件,因此不需要额外设计任何硬件电路,而且计算速度较快.内置CRC 计算单元是根据固定的生成多项式得到任一32 位全字的CRC 计算结果.CRC 计算单元可以在程序运行时计算出软件的标识之后与在连接时生成的参考标识比较,然后存放在指定的存储器空间.
结语：伴随着32 位以Cortex-M3 为内核的STM32F107微处理器在工业控制中的广泛应用,串口作为一种微控制器不可缺少的通信接口,应用也十分广泛.由于串口在应用过程中易出现的误码问题,本文分析了一种基于STM32F107的可靠串口通信方案,利用STM32F107 内置的CRC 计算单元产生校验数据来保证通信的可靠性.该方案可以完成STM32F107 处理器与计算机之间以及其他微控制器串口之间的可靠通信.
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