STM32 串口通信

引言

在嵌入式系统开发中，串口通信是最基础且重要的通信方式之一。无论是设备调试、模块对接还是远程通信，串口都扮演着关键角色。本文将从通信协议原理出发，结合STM32F4系列MCU，深入讲解串口通信的硬件实现和软件配置，并通过实战案例展示其应用。

一、串口通信协议深度解析

1.1 串口通信核心概念

串行接口（Serial Port）采用逐位顺序传输方式，其优势在于：

硬件成本低（仅需2根信号线）
传输距离远（RS485可达千米级）
抗干扰能力强
协议简单易实现

常见串口类型对比：

类型	电平标准	传输距离	通信方式
TTL	0-3.3V/5V	<3m	全双工
RS232	±3-15V	15m	全双工
RS485	±1.5-6V	1200m	半双工

1.2 通信协议分层模型

物理层规范：

接口类型：DB9、RJ45、端子排
电平标准：RS232使用负逻辑（逻辑1=-3_{-15V，逻辑0=+3}+15V）
连接拓扑：点对点、总线型

协议层规范：

数据帧格式
波特率精度（误差<2%）
校验机制
流控协议（硬件RTS/CTS，软件XON/XOFF）

1.3 数据帧结构详解

标准异步串行数据帧构成：

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[Start Bit][Data Bits][Parity Bit][Stop Bits]

典型参数配置示例：

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/* 8位数据位，无校验，1位停止位 */
UART_InitStructure.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
UART_InitStructure.StopBits = UART_STOPBITS_1;
UART_InitStructure.Parity = UART_PARITY_NONE;

校验方式性能对比：

校验类型	错误检测能力	数据开销
奇校验	单比特错误	+1 bit
偶校验	单比特错误	+1 bit
CRC校验	多比特错误	+1-4字节

二、STM32F4串口硬件架构剖析

2.1 USART功能框图

https://example.com/stm32-usart-block-diagram.png

关键功能模块：

波特率发生器：BRR寄存器实现分数波特率生成
数据寄存器（TDR/RDR）
校验控制单元
中断控制器
DMA接口

2.2 时钟系统配置

时钟树路径：

APBx总线时钟 → USARTDIV分频器 → 生成比特周期

波特率计算公式：

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波特率 = fCK / (16 * USARTDIV)

其中USARTDIV为16位浮点数（高12位整数，低4位小数）

配置示例（72MHz时钟，115200波特率）：

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// USARTDIV = 72000000/(16 * 115200) = 39.0625
USART1->BRR = (39 << 4) | 0x1; // 0x271

2.3 GPIO映射配置

STM32F407 USART1引脚映射：

功能	引脚	复用功能
TX	PA9	AF7
RX	PA10	AF7
CTS	PA11	AF7
RTS	PA12	AF7

配置代码示例：

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GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9|GPIO_PIN_10;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF7_USART1;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

三、STM32串口编程实战

3.1 基础通信实现

初始化流程：

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UART_HandleTypeDef huart1;

void USART1_Init(void)
{
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  HAL_UART_Init(&huart1);
}

数据收发函数：

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// 阻塞式发送
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)"Hello", 5, 1000);

// 中断接收
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1);

3.2 中断处理机制

中断服务函数示例：

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void USART1_IRQHandler(void)
{
  HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
}

// 回调函数实现
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  if(huart->Instance == USART1){
    // 处理接收数据
    process_data(rx_data);
    // 重新使能接收
    HAL_UART_Receive_IT(huart, &rx_data, 1);
  }
}

3.3 DMA高效传输

DMA配置示例：

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// 发送DMA配置
hdma_usart1_tx.Instance = DMA2_Stream7;
hdma_usart1_tx.Init.Channel = DMA_CHANNEL_4;
hdma_usart_tx.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;
hdma_usart_tx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
hdma_usart_tx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
hdma_usart_tx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
hdma_usart_tx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
hdma_usart_tx.Init.Mode = DMA_NORMAL;
HAL_DMA_Init(&hdma_usart_tx);

// 启动DMA传输
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, tx_buffer, BUFFER_SIZE);

四、典型应用案例

4.1 串口调试终端实现

重定向printf函数：

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int __io_putchar(int ch)
{
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)&ch, 1, 1000);
  return ch;
}

使用示例：

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printf("System Clock: %ld Hz\r\n", HAL_RCC_GetSysClockFreq());

4.2 MODBUS协议实现

协议帧结构：

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[地址][功能码][数据][CRC校验]

CRC16校验实现：

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uint16_t CRC16(uint8_t *buf, int len)
{
  uint16_t crc = 0xFFFF;
  for(int pos=0; pos<len; pos++){
    crc ^= (uint16_t)buf[pos];
    for(int i=8; i!=0; i--){
      if((crc & 0x0001) != 0){
        crc >>= 1;
        crc ^= 0xA001;
      }
      else
        crc >>= 1;
    }
  }
  return crc;
}

五、调试技巧与常见问题

5.1 故障排查指南

无数据收发
- 检查物理连接
- 验证波特率设置
- 确认GPIO复用配置
数据错乱
- 校验时钟精度
- 检查电磁干扰
- 验证电平匹配
接收数据不完整
- 调整缓冲区大小
- 优化中断优先级
- 启用硬件流控

5.2 性能优化建议

使用DMA进行大数据传输
合理设置FIFO阈值
采用环形缓冲区管理
启用硬件校验功能

结语

通过本文的系统讲解，我们不仅深入理解了串口通信的协议原理，还掌握了STM32平台下的硬件配置和软件开发技巧。在实际项目中，建议根据具体需求选择合适的通信模式（轮询/中断/DMA），并注意做好电磁兼容设计。随着对串口技术的深入掌握，开发者可以更高效地实现各种工业通信需求。