UART 串口协议详解与 STM32 实战实现

在嵌入式开发领域，UART（通用串行异步收发器）是设备间数据交互的核心协议之一，尤其在 STM32 开发中，其通过 USART 外设（通用同步异步收发器）实现异步通信，广泛应用于调试日志输出、传感器数据接收、模块指令交互等场景。本文整合 UART 核心协议概念与 STM32 实战代码，从原理到落地，系统梳理关键知识点，兼顾复习与工程应用。

一、UART 核心概念：从定义到特性

UART 的名称蕴含 "通用、串行、异步、收发器" 四大核心属性，也是理解其工作逻辑的基础，同时需结合 STM32 的硬件实现关联认知。

1. 核心属性解析

通用：不依赖特定场景，STM32 中通过 USART1/2/3 等多外设支持，覆盖工控、电力、消费电子等领域（如 STM32F103 的 USART1 可用于调试，USART2 连接蓝牙模块）。
串行：处理器与外设仅通过 1 根数据线传输数据，按 "低位优先" 逐 bit 发送；对比并行通信（多根数据线，一次传多字节），STM32 中 UART 因抗干扰强、传输距离远（优于并行），更适合板间短距通信。

特性	串行通信（UART）	并行通信
数据线数量	1 根	8/16/32 根
速度	较慢（如 115200bps）	较快
抗干扰	强（单线路串扰少）	弱（多线路干扰多）
传输距离	较远	较近

异步：无需时钟线同步，依赖 "波特率" 和 "数据帧协议" 实现双方对齐（STM32 中通过配置 USART 参数约定，区别于 SPI 的同步时钟模式）。
收发器：硬件单元负责数据发送 / 接收，角色随流向变化（STM32 作为 CPU 时，给外设发数据则 STM32 是发送器，接收外设数据则是接收器）。

2. 电气特性与 STM32 硬件

电平类型：STM32 引脚输出 TTL 电平（高≈3.3V，低≈0V），外部串口线常用 EIA 电平（高 - 3~-15V，低 3~15V），需通过电平转换芯片（如 MAX232）兼容。
硬件连接：STM32 UART 通信至少需 3 根线 ------TX（发送，如 USART1 的 PA9）、RX（接收，如 USART1 的 PA10）、GND（共地，保证电平参考一致），且需 "交叉连接"（STM32 的 TX 接外设的 RX，STM32 的 RX 接外设的 TX）。
工作方式：STM32 UART 默认支持全双工（数据可同时双向传输，如调试时 PC 发指令、STM32 回传数据），也可配置为半双工或单工（极少用）。

二、UART 协议核心：数据帧与关键参数（附 STM32 配置映射）

UART 通过 "数据帧" 规范数据传输格式，STM32 的 USART 外设需配置与帧结构匹配的参数，双方参数一致才能正常通信。

1. 数据帧结构

标准数据帧格式为：{空闲位 + 起始位 + 数据位 +（校验位）+ 停止位}，各字段定义与 STM32 配置对应关系如下：

字段	位数	电平 / 作用	STM32 配置参数（USART_InitTypeDef）
空闲位	1bit	高电平（无数据时的默认状态）	硬件自动生成，无需配置
起始位	1bit	低电平（标志传输开始）	硬件自动生成，无需配置
数据位	5/6/7/8bit	高低电平表示有效数据	USART_WordLength_8b（常用，对应 1 字节数据）
校验位	0/1bit	检测传输错误	USART_Parity_No（无校验）/Even（偶）/Odd（奇）
停止位	1/2bit	高电平（标志传输结束）	USART_StopBits_1（常用）

2. 关键协议参数

波特率 ：每秒传输的 bit 数（单位 bps），STM32 常用 115200bps（调试首选，速度快）和 9600bps（稳定性高，适合弱信号场景），配置通过USART_InitStruct.USART_BaudRate设置，由库函数自动计算 BRR 寄存器值（基于 STM32 的 APB 时钟，如 F103 的 APB2 时钟为 72MHz）。
校验位逻辑 ：STM32 硬件自动计算校验位，无需软件干预。例如传输0x95（二进制10010101，含 4 个 1）：
- 奇校验：硬件自动添加 1bit 高电平（4+1=5，奇数）；
- 偶校验：硬件自动添加 1bit 低电平（4+0=4，偶数）。

三、STM32 UART 实战代码：从初始化到收发

以 STM32F103 固件库为例，实现 USART1 的初始化、查询式收发、中断式接收，覆盖主流应用场景。

1. 基础初始化（GPIO+USART）

需先使能时钟，再配置 GPIO 引脚模式和 USART 参数：

cpp 复制代码

#include "stm32f10x.h"

// USART1初始化：115200bps，8位数据，无校验，1位停止位，全双工
void USART1_Init(void) {
    // 1. 使能时钟（GPIOA和USART1均挂载APB2总线）
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    // 2. 配置GPIO引脚
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    // TX引脚：PA9（复用推挽输出，需将USART1_TX功能映射到引脚）
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽输出
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    // RX引脚：PA10（浮空输入，避免外部干扰）
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    // 3. 配置USART参数
    USART_InitTypeDef USART_InitStruct;
    USART_InitStruct.USART_BaudRate = 115200; // 波特率115200bps
    USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; // 8位数据位
    USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1; // 1位停止位
    USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No; // 无校验
    USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx; // 收发双模式
    USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; // 无硬件流控
    USART_Init(USART1, &USART_InitStruct);
    
    // 4. 使能USART1外设
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

2. 查询式收发（适合简单场景）

通过查询 USART 状态寄存器（SR）的TXE（发送空）和RXNE（接收非空）标志位，实现阻塞式收发：

cpp 复制代码

// 发送1字节数据（查询TXE标志，确保发送寄存器空）
void USART1_SendByte(uint8_t data) {
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); // 等待发送空
    USART_SendData(USART1, data); // 写入数据寄存器，硬件自动发送
}

// 发送字符串（逐字节调用SendByte）
void USART1_SendString(char* str) {
    while (*str != '\0') {
        USART1_SendByte(*(str++));
    }
}

// 接收1字节数据（查询RXNE标志，阻塞等待数据）
uint8_t USART1_ReceiveByte(void) {
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET); // 等待接收非空
    return USART_ReceiveData(USART1); // 读取数据寄存器
}

3. 中断式接收（适合非阻塞 / 大数据场景）

查询式接收会阻塞主程序，中断式接收可在数据到来时触发中断，提升程序效率，需配置 NVIC（嵌套向量中断控制器）：

cpp 复制代码

#include "misc.h" // 包含NVIC相关定义

uint8_t g_rx_data; // 全局变量存储接收数据

// NVIC初始化：配置USART1中断优先级
void USART1_NVIC_Init(void) {
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn; // USART1中断通道
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; // 抢占优先级（需根据系统调整）
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; // 子优先级
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; // 使能中断通道
    NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
    
    // 使能USART1接收中断（RXNE触发）
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
}

// USART1中断服务函数：处理接收中断
void USART1_IRQHandler(void) {
    // 判断是否为接收中断（RXNE标志置位）
    if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET) {
        g_rx_data = USART_ReceiveData(USART1); // 读取接收数据
        USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE); // 清除中断标志（可选，读取DR后自动清除）
    }
}

4. 主函数调用示例

cpp 复制代码

int main(void) {
    USART1_Init(); // 初始化USART1
    USART1_NVIC_Init(); // 初始化中断（若用中断接收）
    
    USART1_SendString("STM32 UART Test Start!\r\n"); // 发送测试字符串
    
    while (1) {
        // 方式1：查询式接收并回发
        // uint8_t recv = USART1_ReceiveByte();
        // USART1_SendByte(recv);
        
        // 方式2：中断接收后处理（此处仅示例，可在中断中直接处理）
        // if (g_rx_data != 0) { ... }
    }
}

四、调试技巧与常见问题解决

通信失败：优先检查双方波特率、数据位 / 校验位 / 停止位是否一致（STM32 配置需与外设参数完全匹配）；
接收乱码：波特率计算错误（确认 STM32 的 APB 时钟频率，如 F103 需确保 APB2 为 72MHz，库函数才会正确计算 BRR 寄存器）；
引脚无输出 ：GPIO 模式配置错误（TX 需为GPIO_Mode_AF_PP，而非普通推挽输出，否则无法映射 USART 功能）；
中断不触发 ：NVIC 优先级配置错误（抢占优先级需低于系统其他高优先级中断）或未使能 USART 中断（USART_ITConfig未调用）；
数据丢失：查询式接收阻塞主程序导致漏接，建议改用中断式或 DMA 方式（STM32 USART 支持 DMA，适合大数据量传输）。

五、相关结构体和库函数详解

cpp 复制代码

typedef struct{
	uint32_t USART_BaudRate; //波特率，例如：115200 uint16_t USART_WordLength; //字长
 	uint16_t USART_StopBits; //停止位
 	uint16_t USART_Parity; //校验位
 	uint16_t USART_Mode; //USART模式
 	uint16_t USART_HardwareFlowControl; //硬件流控制
} USART_InitTypeDef;
	USART_BaudRate: 
		波特率，如 9600、115200	
	USART_WordLength:	
		数据位长度：USART_WordLength_8b（8位）、USART_WordLength_9b（9位）	
	USART_StopBits:		
		停止位：USART_StopBits_1（1位）、USART_StopBits_2（2位）	
	USART_Parity:
    	校验：USART_Parity_No（无）、USART_Parity_Even（偶）USART_Parity_Odd（奇）
	USART_Mode:
		模式：USART_Mode_Rx（接收）、USART_Mode_Tx（发送），可组合USART_Mode_Rx|USART_Mode_Tx
	USART_HardwareFlowControl:
    	硬件流控：None、RTS、CTS、RTS_CTS	USART_HardwareFlowControl_None
    		硬件流控制常用的有RTS/CTSQ流控制和DTR/DSR（数据终端就绪/数据设置就绪）流控制。
			RTS(RequireToSend，发送请求)为输出信号，用于指示本设备准备好可接收数据，低电平有效，低电平说明本设备可以接收数据。
			CTS(ClearToSend，发送允许）为输入信号，用于判断是否可以向对方发送数据，低电平有效，低电平说明本设备可以向对方发送数据。
-----------------------------------------------------------------------------------------
USART 寄存器结构，USART_TypeDeff，在文件"stm32f10x_map.h"中定义如下： 
typedef struct { 
	vu16 SR; 
	u16 RESERVED1;
    vu16 DR; 
	u16 RESERVED2;
    vu16 BRR; 
	u16 RESERVED3; 
	vu16 CR1; 
	u16 RESERVED4; 
	vu16 CR2; 
	u16 RESERVED5;
    vu16 CR3;
    u16 RESERVED6; 
    vu16 GTPR;
    u16 RESERVED7; 
} USART_TypeDef; 
寄存器 	描述 
SR 		USART 状态寄存器 
DR 		USART 数据寄存器 
BRR 	USART 波特率寄存器 
CR1 	USART 控制寄存器 1 
CR2 	USART 控制寄存器 2 
CR3 	USART 控制寄存器 3 
GTPR 	USART 保护时间和预分频寄存器 
----------------------------------------------------------------------------------------
void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct)
	功能: 根据 USART_InitStruct 中指定的参数初始化外设 USARTx 寄存器 
	参数 1 USARTx：x 可以是 1，2 或者 3，来选择 USART 外设 
	参数 2 USART_InitStruct：指向结构 USART_InitTypeDef 的指针，包含了外设 USART 的配置信息。
----------------------------------------------------------------------------------------
void USART_Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState) 
	功能 使能或者失能 USART 外设 
	参数 1 USARTx：x 可以是 1，2 或者 3，来选择 USART 外设 
	参数 2 NewState: 外设 USARTx 的新状态  这个参数可以取：ENABLE 或者 DISABLE 
----------------------------------------------------------------------------------------
void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, u8 Data) 
	功能 通过外设 USARTx 发送单个数据 
	参数 1 USARTx：x 可以是 1，2 或者 3，来选择 USART 外设 
	参数 2 Data: 待发送的数据 
----------------------------------------------------------------------------------------
u8 USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx) 
	功能 返回 USARTx 最近接收到的数据 
	参数 USARTx：x 可以是 1，2 或者 3，来选择 USART 外设  
	返回值 接收到的字 
----------------------------------------------------------------------------------------
FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, u16 USART_FLAG) 
	功能 检查指定的 USART 标志位设置与否 
	参数 1 USARTx：x 可以是 1，2 或者 3，来选择 USART 外设 
	参数 2 USART_FLAG：待检查的 USART 标志位 
		USART_FLAG :
			USART_FLAG_CTS CTS 标志位 
			USART_FLAG_LBD LIN 中断检测标志位 
			USART_FLAG_TXE 发送数据寄存器空标志位 
			√ USART_FLAG_TC 发送完成标志位 
			√ USART_FLAG_RXNE 接收数据寄存器非空标志位 
			USART_FLAG_IDLE 空闲总线标志位 检测一包数据接收完成
			USART_FLAG_ORE 溢出错误标志位 
			USART_FLAG_NE 噪声错误标志位 
			USART_FLAG_FE 帧错误标志位 
			USART_FLAG_PE 奇偶错误标志位 
	返回值 USART_FLAG 的新状态（SET 或者 RESET）
	------------------------------------------
	USART_IT_IDLE中断，是串口收到一帧数据后，发生的中断。也可以叫做一包数据
	USART_IT_IDLE和USART_IT_RXNE区别
		当接收到1个字节，会产生USART_IT_RXNE中断
		当接收到一帧数据，就会产生USART_IT_IDLE中断
	清中断方法
	USART_IT_RXNE 
		USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE); 或者USART1->DR
	USART_IT_IDLE 
		先读SR寄存器 USART1->SR ,再读DR寄存器USART1->DR。
----------------------------------------------------------------------------------------
void USART_ITConfig(USART_TypeDef* USARTx, u16 USART_IT, FunctionalState NewState) 
	功能 使能或者失能指定的 USART 中断 
	参数 1 USARTx：x 可以是 1，2 或者 3，来选择 USART 外设 
	参数 2 USART_IT：待使能或者失能的 USART 中断源 
	参数 3 NewState：USARTx 中断的新状态 可以取：ENABLE 或者 DISABLE 
	USART_IT  
		USART_IT_PE 	奇偶错误中断 
		USART_IT_TXE 	发送中断 
			发送寄存器 DR 为空
		USART_IT_TC 	传输完成中断 
			数据帧（含停止位）发送完
		USART_IT_RXNE 	接收中断 
			当DR寄存器从外设接收了一个字符，触发一次RXNE中断
		USART_IT_IDLE 	空闲总线中断 
			检测一包数据接收完成
		USART_IT_LBD 	LIN 中断检测中断 
			LIN 协议相关（极少用）
		USART_IT_CTS 	CTS 中断 
			硬件流控制信号变化
		USART_IT_ERR 	错误中断
			帧错误 / 溢出 / 噪声等
----------------------------------------------------------------------------------------
ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, u16 USART_IT) 
	功能 检查指定的 USART 中断发生与否 
	参数 1 USARTx：x 可以是 1，2 或者 3，来选择 USART 外设 
	参数 2 USART_IT：待检查的 USART 中断源 
	返回值 USART_IT 的新状态 （SET 或者 RESET）
----------------------------------------------------------------------------------------
void USART_ClearITPendingBit(USART_TypeDef* USARTx, u16 USART_IT)
	功能 清除 USARTx 的中断待处理位 
	参数 1 USARTx：x 可以是 1，2 或者 3，来选择 USART 外设 
	参数 2 USART_IT：待检查的 USART 中断源 
----------------------------------------------------------------------------------------

时序图示例：

六、总结

UART 协议与 STM32 的结合，核心是 "协议参数一致性" 与 "硬件配置匹配"：

理解 UART 的串行异步特性、数据帧结构，是 STM32 配置的基础；
STM32 代码实现需围绕 "时钟使能→GPIO 配置→USART 参数设置→收发逻辑（查询 / 中断）" 展开；
调试时需紧扣 "参数匹配" 和 "硬件连接"，优先排查波特率、引脚模式、中断配置等关键节点。

作者：趙小贞

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