通信模块
在STM32中，集成了很多用于通信的外设模块，比如USART、I2C、SPI、CAN和USB。
通信的目的：将一个设备的数据传送到另一个设备，扩展硬件系统。比如我们的STM32芯片，它里面集成了很多功能模块，什么定时器计数、PWM输出、AD采集等等，这些都是芯片内部的电路，这些电路的配置寄存器、数据寄存器都在芯片里面，操作这些寄存器非常简单，直接读写就行了，但是也有一些功能是STM32内部没有的，比如我们想要蓝牙无线遥控的功能、想要陀螺仪加速度计测量姿态的功能，STM32没有，所以就只能外挂芯片来完成，那外挂的芯片，它的数据都在STM32外面，STM32如何才能获取到这些数据呢？这就需要我们在这两个设备之间，连接上一根或者多根通信线，通过通信线路发送或者接收数据，完成数据交换，从而实现外挂模块和读取外挂模块数据的目的。所以，通讯的目的是将一个设备的数据传送到另一个设备。
通信协议：制定通信的规则，通信双方按照协议规则进行数据收发。
USART串口：它的引脚是TX和RX，有的地方也叫TXD和RXD，这两种名称是一个意思，TX（Transmit Exchange）是数据发送脚，RX（Receive Exchange）是数据接收脚。
I2C通信：它的引脚是SCL和SDA，SCL（Serial Clock）是时钟，SDA（Serial Data）是数据。
SPI通信：它的引脚是SCLK、MOSI、MISO、CS，SCLK（Serial Clock）是时钟，MOSI（Master Output Slave Input）是主机输出数据脚，MISO（Master Input Slave Output）是主机输入数据脚，CS（Chip Select）是片选，用于指定通信的对象。
Can通信：它的引脚是CAN_H和CAN_L，这两个是差分数据脚，是用两个引脚表示一个差分数据。
USB通信：它的引脚是DP（Data Positive）和DM（Data Minus）或者叫D+和D-，也是一对差分数据脚。
差分数据传输使用两条信号线来传输同一个信号，但两条线上的信号是相反的（即，一条线上传输高电平时，另一条线上传输低电平，反之亦然）。这两条信号线通常被称为 D+ 和 D- 或 CAN_H 和 CAN_L。
例如，在 CAN 总线中，信号线为 CAN_H 和 CAN_L，而在 USB 中，信号线为 D+ 和 D-。
差分数据传输是一种通过两条信号线传输相反信号的技术，具有抗干扰能力强、信号完整性好和电磁辐射低等优点。在 STM32 微控制器中，CAN 通信和 USB 通信都使用差分数据传输，以确保稳定可靠的数据传输。了解差分传输的工作原理有助于更好地设计和调试相关的通信系统。
抗干扰能力强：
因为差分信号的两条线上的信号是相反的，所以电磁干扰会同时影响两条线，从而使干扰信号在接收端被抵消。
为什么电磁干扰会同时影响两条线？
电磁干扰（EMI）通常是由外部电磁场引起的，这些电磁场可以来自多种来源，如电机、电源线、无线设备等。差分信号传输线通常是成对的，并且距离非常接近，通常在同一根电缆或同一个走线区域内。
由于这两条信号线相互靠近并且平行布置，它们在暴露于相同的外部电磁场时，几乎同时受到相同的干扰。这种干扰信号在两条线上的幅度和相位基本相同，被称为共模干扰。
为什么干扰信号会被抵消？
数据按照协议的规定在这些引脚上进行输入和输出，从而实现通信。
接着我们看一下这些通信协议的特性：
1.双工模式：
全双工，就是指双方能够同时进行双向通信，一般来说，全双工的通信都有两根通信线，比如串口，一根TX发送，一根RX接收。SPI，一根MOSI发送，一根MISO接收。发送线路和接收线路互不影响，叫做全双工。
剩下的这些，I2C、CAN和USB，都只有一根数据线，CAN和USB两根差分线也是组合成为一根数据线的，所以都是半双工。
当然还有一种方式，就是单工，单工是指数据只能从一个设备到另一个设备，而不能反着来。比如把串口的RX引脚去掉，那串口就退化成单工了。
2.时钟特性：
比如你发送一个波形，高电平然后低电平（1、0）；接收方是怎么知道你是1、0还是1、1、0、0呢？这就需要有个时钟信号来告诉接收方，你什么时候需要采集数据。
时钟特性分为同步和异步，这里I2C和SPI有单独的时钟线，所以他们是同步的，接收方可以在时钟信号的指引下进行采样。
剩下的串口、CAN和USB没有时钟线，所以需要双方约定一个采样频率，这就是异步通信，并且还需要加一些帧头和帧尾，进行采样位置的对齐。
3.电平特性：
USART、I2C和SPI都是单端信号，也就是它们引脚的高低电平都是对GND的电压差，所以单端信号通信的双方必须要共地，就是把GND接在一起，所以这里通信的引脚，还应该加一个GND引脚，不接GND是没办法通信的。
CAN和USB是差分信号，他是靠两个差分引脚的电压差来传输信号的，在通信的时候，可以不需要GND。不过USB协议里面也有一些地方需要单端信号，所以USB还是需要共地的。使用差分信号可以极大的提高抗干扰特性，所以差分信号一般传输速度和距离都会非常高，性能也很不错。
4.设备特性：
串口和USB属于是点对点的通信；I2C、SPI和CAN是可以在总线上挂在多个设备的。
点对点通信就相当于老师找你去办公室谈话，只有两个人，直接传输数据就行了。
多设备就相当于老师在教室里，面对所有同学讲话，需要有一个寻址的过程，以确定通信的对象。
串口通信
串口是一种应用十分广泛的通讯接口，串口成本低、容易使用、通信线路简单，可实现两个设备的互相通信。在我们这个单片机的领域，串口其实是一种最简单的通信接口，它的协议相比较I2C、SPI等，已经是非常简单的了，而且一般单片机，它里面都会有串口的硬件外设，使用也是非常方便的。一般串口都是点对点的通信，所以是两个设备之间的互相通信。
单片机的串口可以使单片机与单片机、单片机与电脑、单片机与各式各样的模块互相通信，其中单片机和电脑通信，是串口的一大优势，可以接电脑屏幕，非常适合调试程序，打印信息。像I2C、SPI这些，一般都是芯片之间的通信，不会接在电脑上。极大地扩展了单片机的应用范围，增强了单片机系统的硬件实力。
串口硬件电路
一般串口通信模块都有4个引脚，VCC、TX、RX、GND。VCC和GND是供电，TX和RX是通信的引脚。TX和RX是单端信号，它们的高低电平都是相对于GND的，所以严格上来说，GND应该也算是通信线。所以串口通信的TX、RX、GND是必须要接的，上面的VCC如果两个设备都有独立的供电，那VCC可以不接，如果其中一个设备没有供电，比如这里的设备1是STM32，设备2是蓝牙串口模块，STM32有独立供电，蓝牙串口没有独立供电，那就需要把蓝牙串口的VCC和STM32的VCC接在一起，STM32通过VCC向蓝牙串口模块供电。
简单双向串口通信有两根通信线（发送端TX和接收端RX），复杂的串口通信还有其他引脚，比如时钟引脚、硬件流控制的引脚这些引脚STM32的串口也有，不过我们最常用还是简单的串口通信。
TX与RX要交叉连接，这个也好理解，TX是发送，RX是接收，那你肯定得是一个设备的发送接另一个设备的接收。
当只需单向的数据传输时，可以只接一根通信线。比如你只需要设备1向设备2的单向通信，那就可以只接一根TX到RX的线，另一根就可以不接，这就变成了单工的通信方式。
当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片。串口也是有很多电平标准的，像我们这种直接从控制器里出来的信号，一般都是TTL电平，相同的电平才能互相通信，不同的电平信号，需要加一个电平转换芯片，转接一下。
说到电平标准，我们就来看一下串口常用的几种电平标准，电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系，串口常用的电平标准有如下三种：（我们单片机中最常见的是TTL电平，也就是5V或者3.3V表示逻辑1,0V表示逻辑0）
TTL电平：+3.3V或+5V表示1，0V表示0
RS232电平：-3~-15V表示1，+3~+15V表示0 （一般在大型机器上使用，由于环境比较恶劣，静电干扰比较大，所以这里电平电压都比较大，而且允许波动的范围也很大）
RS485电平：两线压差+2~+6V表示1，-2~-6V表示0（差分信号），这里电平参考是两线的电压差，所以RS485的电平是差分信号，抗干扰能力非常强，通信距离可以达到上千米，而TTL和RS232最远只能几十米，再远就传不了了。
像单片机这种低压小型设备，使用的都是TTL电平，我们之后的内容也都是基于TTL电平来讲解的，如果你做设备需要其他电平，那就再加电平转换芯片就行了。在软件层面，他们都属于串口，所以程序并不会有什么变化。
串口的参数
如何用1和0，来组成我们想要发送的一个字节数据？
看一下下面的两个时序图，这就是串口发送一个字节的格式：
这个格式是串口协议规定的，串口中，每一个字节都装载在一个数据帧里，每个数据帧都由起始位、数据位和停止位组成，这里数据位有8个，代表一个字节的8位。而在右边这个数据帧中，还可以在数据位的最后加一个奇偶校验位，这样数据位总共就是9位，其中有效载荷是前8位，代表一个字节，校验位跟在有效荷载后面，占1位。
串口的参数：
波特率：串口通信的速率，它的用途是规定串口的通信速率，我们之前说了，串口一般使用异步通信，所以需要双方约定一个通信速率，比如我每隔1s发送一位，那你也得每隔1s接收一位，如果你接的快了，那就回重复的接收某些位，如果你接的慢了，那就会漏掉某些位。所以说发送和接收必须要约定好速率，这个速率参数，就是波特率。波特率本来的意思是每秒传输码元的个数，单位是码元/s，或者直接叫波特（Baud）；另外还有个速率表示，叫比特率，比特率的意思是每秒传输的比特数，单位是bit/s，或者叫bps。在二进制调制的情况下，一个码元就是一个bit，此时，波特率就等于比特率。像我们单片机的串口通信，基本都是二进制调制，也就是高电平表示1，低电平表示0，一位就是1bit。所以说这个串口的波特率经常会和比特率混用。不过这也没关系的，因为这两个说法的数值相等，如果是多进制调制，那波特率和比特率就不一样了。
比如我们双方规定波特率位1000bps，那就表示1s要发送1000位，每一位的时间就是1ms，发送方每隔1ms发送一位，接收方每隔1ms接收一位，这就是波特率，他决定了每隔多久发送一位。
起始位和停止位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平。他是标志一个数据帧的开始，固定为低电平。首先串口的空闲状态是高电平，也就是没有数据传输的时候引脚必须要置高电平，作为空闲状态。然后需要传输的时候，必须要先发送一个起始位，这个起始位必须是低电平，来打破空闲状态的高电平，产生一个下降沿，这个下降沿就告诉接收设备，这一帧数据要开始了。同理在字节数据发送完成后，必须要有一个停止位，这个停止位的作用是用于数据帧间隔，固定为高电平。同时这个停止位也是为下一个起始位做准备的，如果没有停止位，那当我们数据最后一位是0的时候，下次再发送新的一帧，是不是就没法产生下降沿了。
起始位固定为0，产生下降沿，表示传输开始；停止位固定为1，把引脚恢复成高电平，方便下一次的下降沿。如果没有数据了，正好引脚也为高电平，代表空闲状态
。
数据位：数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平，低位先行。比如我要发送一个字节0x0F，就是0000 1111，低位先行就是数据要从低位开始发送，就是 1111 0000，依次放在发送引脚上。
校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来。这里串口是使用的一种叫奇偶校验的数据验证方法，奇偶校验可以判断数据传输是不是出错了，如果数据出错了，可以选择丢弃或者要求重传，校验可以选择3种方式，无校验、奇校验和偶校验。无校验就是不需要校验位，就是左边这个图；奇校验和偶校验的波形就是右边这个，如果使用了奇校验，那么包括校验位在内的9位数据会出现奇数个1，比如你传输0000 1111，目前有4个1，是偶数个，那么校验位就需要再补一个1，连同校验位就是0000 1111 1 ，总共5个1，保证1为奇数。如果数据是0000 1110，此时3个1，是奇数个，那么校验位就是0，总共3个1，1的个数为奇数。发送方在发送数据后，会补一个校验位，保证1的个数为奇数；接收方，在接收数据后，会验证数据位和校验位，如果1的个数还是奇数，就认为数据没有出错，如果传输中，因为干扰有一位由1变成0，或者由0变成1，那么整个数据的奇偶特性就会变化，接收方一验证，发现1的个数不是奇数，那就认为传输出错，就可以选择丢弃或者重传，偶校验同理。当然奇偶校验的检出率并不是很高，比如如果有两位同时出错，奇偶特性不变，那就校验不出来了。所以奇偶校验只能保证一定程度上的校验，如果想要更高的检出率，可以了解一下CRC校验，这个校验会更加好用，当然也会更复杂。我们这个STM32内部也由CRC外设，可以了解一下。
最后再说明一下，我们这里的数据位，有两种表示方法，一种是把校验位作为数据位的一部分，就像上面的图一样，分为8位数据和9位数据，其中9位数据就是8位有效载荷和1位校验位；另一种就是把数据位和校验位独立开，数据位就是有效载荷，校验位就是独立的1位。
串口的时序
这个波形是发送一个字节数据0x55时，在TX引脚输出的波形：
波特率是9600，所以每一位的时间就是1/9600，大概是104us。
可以看到，这里1位就是100us多一点，就是104us，没发送数据的时候，是空闲状态高电平，数据帧开始，先发送起始位，产生下降沿，代表数据帧的开始，0x55转为二进制0101 0101，低位先行就是依次发送1010 1010，然后这个没有校验位，只有一个停止位，拉到高电平，这样一个数据帧就完成了。
在STM32中，这个根据字节数据翻转高低电平，是由USART外设自动完成的，不用我们操心，当然你也可以软件模拟产生这样的波形，就是定时器定一个104us的时间，时间到之后，按照数据帧的要求，调用GPIO_WriteBit置高低电平。产生一个和这一模一样的波形，这样也是可以完成串口通信的。
另外注意一下，串口的停止位是可以进行配置的，可以选择1位、1.5位、2位等：
停止位变成2位，可以让数据分割的更宽一些。