嵌入式硬件篇---UART

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文章目录

• 前言
• [1. UART协议基础](#1. UART协议基础)
• • [1.1 物理层特性](#1.1 物理层特性)
  • • 两根信号线
    • 无时钟信号
    • 电平标准
    • • [TTL UART](#TTL UART)
      • RS-232
  • [1.2 数据帧格式](#1.2 数据帧格式)
  • [1.3 波特率计算](#1.3 波特率计算)
  • • 波特率
• [2. STM32F103RCT6的UART配置](#2. STM32F103RCT6的UART配置)
• • [2.1 硬件连接](#2.1 硬件连接)
  • [2.2 CubeMX配置](#2.2 CubeMX配置)
  • • 启用USART1
    • 引脚分配
    • 中断启用（可选）
• [3. HAL库代码实现](#3. HAL库代码实现)
• • [3.1 UART初始化](#3.1 UART初始化)
  • [3.2 发送数据（阻塞模式）](#3.2 发送数据（阻塞模式）)
  • [3.3 接收数据（中断模式）](#3.3 接收数据（中断模式）)
  • [3.4 DMA传输（高效大数据量）](#3.4 DMA传输（高效大数据量）)
• [4. 自定义协议设计](#4. 自定义协议设计)
• • [4.1 帧格式示例](#4.1 帧格式示例)
  • [4.2 帧解析代码](#4.2 帧解析代码)
• [5. 常见问题与调试](#5. 常见问题与调试)
• • [5.1 通信失败原因](#5.1 通信失败原因)
  • • 波特率不匹配
    • 电平不兼容
    • 接线错误
    • 中断为启用
  • [5.2 逻辑分析仪抓包](#5.2 逻辑分析仪抓包)
• [6. 完整示例：与PC通信](#6. 完整示例：与PC通信)
• • STM32代码
  • PC端（Python脚本）
• 7.总结
• • 基本配置
  • 通信模式
  • 协议设计
  • 调试工具

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前言

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是一种异步串行通信协议 ，广泛应用于嵌入式设备与传感器、蓝牙模块、GPS等外设的通信。以下是UART协议的详细解析及在STM32F103RCT6上的完整代码实现。

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1. UART协议基础

1.1 物理层特性

两根信号线

TX（Transmit）：数据发送线（输出）。

RX（Receive）：数据接收线（输入）。

无时钟信号

无时钟信号：依赖预定义的波特率（Baud Rate）同步。

电平标准

TTL UART

TTL UART：0V（逻辑0），3.3V/5V（逻辑1）。

RS-232

RS-232：±12V（需电平转换芯片如MAX232）。

1.2 数据帧格式

起始位\] \[数据位（5-9位）\] \[校验位（可选）\] \[停止位（1-2位）

起始位：1位低电平（逻辑0）。

数据位：通常8位（如ASCII字符）。

校验位（可选）：

奇校验：数据位中1的个数为奇数时置1。

偶校验：数据位中1的个数为偶数时置1。

停止位：1或2位高电平（逻辑1）。

1.3 波特率计算

波特率

波特率（Baud Rate）表示每秒传输的符号数（1符号=1位）。

常见波特率：9600、115200等。

STM32的UART时钟源为APB2（默认72MHz），波特率计算公式：

波特率=APB2时钟USARTDIV

其中USARTDIV是一个16位寄存器值（整数部分 + 小数部分）。

2. STM32F103RCT6的UART配置

2.1 硬件连接

UART信号 STM32引脚 说明
USART1_TX PA9 发送数据
USART1_RX PA10 接收数据

GND 共地 确保电平参考一致

2.2 CubeMX配置

启用USART1

模式：Asynchronous（异步模式）。

波特率：115200。

数据位：8位。

校验位：None。

停止位：1位。

引脚分配

PA9 → USART1_TX

PA10 → USART1_RX

中断启用（可选）

接收中断（RXNE）。

3. HAL库代码实现

3.1 UART初始化

#include "stm32f1xx_hal.h"

UART_HandleTypeDef huart1;

void MX_USART1_UART_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;
  
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
  }
}

3.2 发送数据（阻塞模式）

void UART_SendString(uint8_t *str) {
  HAL_UART_Transmit(&huart1, str, strlen((char *)str), 100); // 阻塞式发送
}

// 示例：发送"Hello World!"
UART_SendString((uint8_t *)"Hello World!\r\n");

3.3 接收数据（中断模式）

uint8_t rx_data;
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
  if (huart == &huart1) {
    // 处理接收到的数据（如回显）
    HAL_UART_Transmit(&huart1, &rx_data, 1, 100);
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1); // 重新启用接收中断
  }
}

// 主函数中启用接收中断
int main(void) {
  HAL_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1); // 启动接收中断
  while (1) { /* 其他任务 */ }
}

3.4 DMA传输（高效大数据量）

uint8_t dma_tx_buffer[] = "DMA Transmission Test!\r\n";

// 初始化DMA
void MX_DMA_Init(void) {
  __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();
}

// 通过DMA发送数据
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, dma_tx_buffer, sizeof(dma_tx_buffer));

4. 自定义协议设计

4.1 帧格式示例

字段 长度 说明
帧头 2字节 0xAA 0x55
数据长度 1字节 后续数据长度（N）
数据 N字节 有效载荷
CRC校验 1字节 校验和（数据字节累加和）

4.2 帧解析代码

uint8_t rx_buffer[64];
uint8_t frame_state = 0;
uint8_t data_len = 0;
uint8_t crc = 0;

void Process_UART_Byte(uint8_t byte) {
  static uint8_t idx = 0;
  
  switch (frame_state) {
    case 0: // 等待帧头1
      if (byte == 0xAA) frame_state = 1;
      break;
    case 1: // 等待帧头2
      if (byte == 0x55) frame_state = 2;
      else frame_state = 0;
      break;
    case 2: // 读取数据长度
      data_len = byte;
      idx = 0;
      crc = byte;
      frame_state = 3;
      break;
    case 3: // 读取数据
      rx_buffer[idx++] = byte;
      crc += byte;
      if (idx >= data_len) frame_state = 4;
      break;
    case 4: // 校验CRC
      if (crc == byte) {
        // 帧处理（如控制LED）
        if (rx_buffer[0] == 0x01) HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
      }
      frame_state = 0;
      break;
  }
}

// 在中断回调中调用
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
  Process_UART_Byte(rx_data);
  HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1);
}

5. 常见问题与调试

5.1 通信失败原因

波特率不匹配

波特率不匹配：确保双方波特率一致（如115200）。

电平不兼容

电平不兼容：TTL UART不能直接接RS-232设备。

接线错误

接线错误：检查TX/RX是否交叉连接。

中断为启用

中断未启用：若使用中断接收 ，需调用HAL_UART_Receive_IT()。

5.2 逻辑分析仪抓包

使用工具（如Saleae Logic）观察：

1. 起始位是否为低电平？
2. 数据位是否符合预期？
3. 停止位是否为高电平？

6. 完整示例：与PC通信

STM32代码

int main(void) {
  HAL_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1); // 启用接收中断

  while (1) {
    // 每隔1秒发送数据
    UART_SendString((uint8_t *)"STM32 UART Test\r\n");
    HAL_Delay(1000);
  }
}

PC端（Python脚本）

import serial
ser = serial.Serial('COM3', 115200, timeout=1)  # 根据实际端口修改
while True:
    if ser.in_waiting:
        data = ser.readline().decode('utf-8').strip()
        print("Received:", data)

7.总结

基本配置

基本配置：波特率、数据位、停止位需匹配。

通信模式

通信模式：阻塞、中断、DMA按需选择。

协议设计

协议设计：自定义帧格式提升可靠性。

调试工具

调试工具：逻辑分析仪、串口助手 是关键。

通过上述代码，STM32F103RCT6可实现稳定的UART通信，适用于传感器数据采集、无线模块控制等场景。

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