揭秘通信技术：电信号传输、通信划分、串口通信

电信号传输方式

在数据的传输过程中主要是通过电信号进行传输的，电信号通过物理介质（如导线、光纤、空气等）从发送端传递到接收端的技术范式，其核心差异体现在信号载体形式、传输介质、抗干扰能力、传输距离等维度。根据电信号的本质特征和工程应用场景，可将其分为以下几大类：

电平信号

概念：以 “单个信号线上的电平值” 相对 “公共地线（GND）” 的电压差来表示逻辑（0/1）或模拟量

可以理解为：“用一根线传递信号，另一根线传递‘基准 0 点’（地线），接收端通过对比信号线与地线的电压差判断信号含义”。

差分信号

概念：以 “两根互补信号线（如 A+、A-，或 D+、D-）之间的电压差” 来表示逻辑（0/1）或模拟量，不依赖公共地线，两根线的信号幅度相等、极性相反。

可以理解为：“用两根线传递‘相反的信号’，接收端通过计算两根线的电压差判断信号含义 —— 外部噪声会同时耦合到两根线，差值抵消，从而消除干扰”。

电平信号和差分信号的区别：

电平信号：✅ 优点：线路简单（仅需 2 线）、成本低、实现容易

❌ 缺点：抗干扰能力弱（地线噪声会直接影响信号）、传输距离短（通常 < 10 米）

应用场景：开发板内部通信采用电平信号，如串口通信（TTL\RS232）、SPI、IIC等

差分信号：✅ 优点：抗干扰能力极强（外部噪声会同时耦合到两根线，差值抵消）、传输距离远（可达百米级）

❌ 缺点：线路复杂（需 2 线）、成本略高、需差分芯片处理

应用场景：开发板与外部设备通信采用差分信号，如RS485串口通信、以太网、USB、CAN等

通信划分

对于有线通信中按照不同的通信维度，划分了多种通信类别

​​​​​​​通信方向划分

单工：要么收，要么发，只能做接收设备或者发送设备，一根信号线只能单向发送或单向接收。比如收音机

半双工：可以收，可以发，但是不能同时收发，一根信号线可以接收数据也可以发送数据，但是两者不能同时进行；比如对讲机

全双工：可以在同一时刻既接收，又发送，两根信号线，一根发送数据，另一根接收数据，真正实现同时收发数据，速度快；比如：手机打电话

​​​​​​​通信方式划分

串行通信：指的是同一时刻只能收或发一个bit位信息。因此只用1根信号线即可。数据一位一位串起来，逐个传输，数据按位顺序传输。

优点：占用引脚资源少

缺点：速度相对较慢

并行通信：指的是同一时刻可以收或发多个bit位的信息，因此需要多根信号线才行，使用多根线同时传输一个字的多个位，如 8 根线一次传输 8 个位。

优点：速度快

缺点：占用引脚资源多

应用：像屏幕显示用的是并行

​​​​​​​时钟信号划分

同步通信：发送方和接收方通过同一时钟信号来协调数据传输节奏，确保双方同步的读取 / 发送数据（时钟信号由主机产生，从机被动同步）。

异步通信：发送方和接收方无共用时钟信号，有自己独立的时钟信号，通过预设的波特率（数据传输速率）和起始 / 停止位来实现数据通信（双方需提前约定波特率，允许微小误差）。

因此，同步通信和异步通信主要区别，就看有没有时钟线(SCL/SCK)

uart：串行异步全双工 SPI：串行同步全双工

IIC：串行同步半双工 单总线：串行异步半双工

串口通信

在串口通信中主要包含两类UART和USART(通用同步sync/异步async收发器)，他们主要区别是：

• USART: 支持同步\异步通信、全双工、串行
• UART ：没有时钟线，只支持异步通信、全双工、串行

在串口通信（如UART协议）中，TXD和RXD是两条核心数据传输线，分别代表发送数据（Transmit Data）和接收数据（Receive Data）

​​​​​​​协议格式

在通信中数据的交互需要遵循一定的格式，接收方才能按照规定的格式进行接收并解析数据，协议格式也叫数据帧或帧格式

传输过程：空闲状态默认为高电平，开始传输数据时将电平拉低，表示起始位，接下来传输实际数据，遵循低位先行原则，校验位根据用户设置确定是否有校验位，最后数据传输结束把电平拉高，表示停止位。

起始位：表示要开始发送数据，占1位

数据位：表示通信中数据位的个数，一般位5、7、8位。对于stm32u5数据位为7、8、9位（通过cubemx配置串口属性能看到）

校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。一般不设置，因为校验位不能完全保证数据无误传输。

奇校验：就是让原有数据序列中（包括你要加上的一位）1的个数为奇数

如：1000110（0）

偶校验：就是让原有数据序列中（包括你要加上的一位）1的个数为偶数

如：1000110（1）

停止位：数据传输结束标志，停止位典型的值为1、1.5和2位。

波特率：数据传输的速率，指每秒数据传输的位数，单位为bit/s；

常见的波特率：9600bit/s、115200bit/s

​​​​​​​USART框图

UART数据发送和接收的过程：

发送过程：由CPU或DMA向数据发送寄存器（TDR）中写入要发送的数据，由发送移位寄存器将数据按位移到发送端口输出。

接收过程：通过端口接收到的数据先存入接收移位寄存器中，将移位寄存器中数据存入数据接收寄存器，再由CPU或DMA读取接收数据寄存器（RDR）中的数据。

注意：如果CPU发送数据过快，会出现数据被覆盖情况，此时需要通过ISR中断和状态寄存器来标志数据是否可以发送。

USART寄存器

​​​​​​​中断和状态寄存器

USART_ISR

• 第七位：TXFNF，发送数据标记，当发送数据寄存器为空，此位为1，也就是数据写入到发送数据寄存器之后，发送数据到移位寄存器，从发送数据寄存器中将数据全部移走之后ISR第七位置1（TXFNF为1时表示可以往TDR写数据）
• 第五位：RXFNE，接收数据标记，当接收数据寄存器非空，这个位置为1，数据被接受数据移位寄存器搬到接收数据寄存器中以后，ISR第五位置1（RXFNE为1表示可以读取RDR中数据）

​​​​​​​数据发送寄存器

USART_TDR：决定发送的数据，将要发送的数据写入，0-8位有效（u5可以发送的数据位是7、8、9位）

​​​​​​​数据接收寄存器

USART_RDR：决定接收的数据，将要接收的数据进行读取

​​​​​​​原理图分析

找到核心板的typec口，丝印为J4，这个是usart1

CH340E：是电平转换芯片，将USB差分信号转换为TTL电平信号

​​​​​​​cubemx配置

​​​​​​​代码实现

while(1){/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */USART1->TDR='A';HAL_Delay(1000);}

printf重定向

int printf(const char * format,...)

在Linux中实现向终端输出时使用了printf，printf函数底层调用的是fputc函数，fputc是将要发送的数据写入到标准输出流stdout，因此如果想让printf将数据输出到串口，需要重写fputc

函数原型：int fputc(int /*c*/, FILE * /*stream*/)，这里的fputc是一个弱函数，前面有weak修饰。

步骤：

1. 在keil5中如果使用C库相关函数，需要勾选上微库

勾完这个库后必须全部编译，要不会报以下两个错误

1. 添加stdio.h头文件，并实现重定向

#include<stdio.h>intfputc(intch,FILE*p){while(!(USART1->ISR&1<<7));//等待TDR为空，即TXE置1，跳出while，然后往TDR中放数据USART1->TDR=ch;}intmain(){printf("hello world");HAL_Delay(1000);}

​​​​​​​HAL库实现通信

​​​​​​​​​​​​​​代码实现

uint8_t buf[32]="";/* USER CODE END 2 *//* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while(1){/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */HAL_UART_Receive(&huart1,buf,sizeof(buf),100);HAL_UART_Transmit(&huart1,buf,sizeof(buf),100);memset(buf,0,sizeof(buf));}