STM32 UART 通信详解

通用异步收发传输器（UART）是STM32微控制器中最基础、最常用的串行通信接口之一。它通过简单的两根信号线（TX和RX）实现全双工异步数据交换，广泛应用于与PC调试、传感器模块、蓝牙/Wi-Fi模块等的通信。

一、UART协议基础

1. 核心特性

UART是一种异步、串行、全双工的通信协议。其物理层仅需两根信号线：

TX (Transmit)：数据发送线，输出。
RX (Receive) ：数据接收线，输入。
通信双方没有共享的时钟信号，同步完全依赖于预先约定好的波特率 (Baud Rate)。

2. 数据帧格式

每一帧数据都遵循固定的结构，依次包含以下部分：

起始位：1位逻辑低电平（0），标志一帧数据的开始。
数据位：实际传输的有效数据，长度通常为8位（1字节），也可配置为5-9位。
校验位（可选）：1位，用于简单的错误检测。常见模式有奇校验、偶校验或无校验。
停止位：1位、1.5位或2位逻辑高电平（1），标志一帧数据的结束。

最常用的配置是 8N1，即8位数据位、无校验、1位停止位。

3. 波特率

波特率定义为每秒传输的码元（比特）数量，单位是bps（比特每秒）。通信双方必须设置相同的波特率，否则无法正确解码数据。常见的波特率有9600、19200、115200等，其中115200因其较高的速度在调试中尤为常用。

二、STM32中的USART外设

STM32芯片中集成的实际上是USART (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter) 外设。它与UART的关键区别在于：USART既支持异步模式（即UART功能），也支持同步模式（需要额外的时钟线SCLK）。在大多数异步通信应用中，我们使用的就是其UART功能。

主要特性：

支持全双工异步通信。
可编程的波特率，通过小数波特率发生器实现高精度配置。
可配置的数据字长度（8或9位）、停止位（1或2位）、校验位。
支持硬件流控制（RTS/CTS）、多处理器通信。
支持利用DMA进行高效数据传输，减轻CPU负担。
支持多种工作模式，如单线半双工、LIN总线、智能卡、IrDA等。

三、硬件连接与电平转换

STM32的GPIO引脚工作电压通常为3.3V（TTL电平）。若要与其电平标准不同的设备（如PC的RS-232接口为±12V，或USB接口）通信，必须进行电平转换。

典型连接方案（与PC通信）：

STM32 的TX 引脚连接至USB转TTL模块 （如CH340、CP2102）的RX引脚。
STM32 的RX 引脚连接至USB转TTL模块的TX引脚。
STM32 的GND 与USB转TTL模块的GND必须连接，以确保共地。
将USB转TTL模块插入PC的USB端口。

四、软件配置步骤（以STM32F103 USART1为例）

配置UART通信通常包含以下几个核心步骤，无论是使用标准库、HAL库还是寄存器操作，其逻辑是相通的。

1. 使能时钟

首先需要开启USART外设及其对应GPIO引脚所在总线的时钟。

复制代码

// 使能GPIOA和USART1的时钟（它们挂载在APB2总线上）
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);

2. 配置GPIO引脚

将USART的TX引脚（如PA9）配置为复用推挽输出 ，RX引脚（如PA10）配置为浮空输入或上拉输入。

复制代码

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
// 配置TX (PA9)
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);

// 配置RX (PA10)
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

初始化USART外设，设置波特率、数据位、停止位、校验位等关键参数。

复制代码

USART_InitTypeDef USART_InitStruct;
USART_InitStruct.USART_BaudRate = 115200;
USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;
USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx; // 使能发送和接收
USART_Init(USART1, &USART_InitStruct);

4. 使能USART

完成配置后，使能USART外设。

复制代码

USART_Cmd(USART1, ENABLE);

5. （可选）配置中断

如果希望以中断方式接收数据，提高程序效率，需要配置NVIC并开启接收中断。

复制代码

// 使能USART1接收中断
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);

// 配置NVIC（嵌套向量中断控制器）
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
... // 设置优先级
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);

然后在中断服务函数 USART1_IRQHandler() 中处理接收到的数据。

五、数据收发函数

1. 发送数据（查询方式）

通过查询状态寄存器标志位，等待发送数据寄存器为空后写入数据。

复制代码

void UART_SendByte(uint8_t data) {
    USART_SendData(USART1, data); // 将数据写入数据寄存器(DR)
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); // 等待发送完成
}

2. 接收数据（查询方式）

查询接收数据寄存器非空标志位，等待数据到达后读取。

复制代码

uint8_t UART_ReceiveByte(void) {
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET); // 等待接收到数据
    return USART_ReceiveData(USART1); // 从数据寄存器(DR)读取数据
}

3. 使用HAL库（更简洁）

若使用STM32CubeMX和HAL库，配置过程被极大简化，收发函数也更易用。

阻塞式发送 ：HAL_UART_Transmit(&huart1, &data, 1, 100);
阻塞式接收 ：HAL_UART_Receive(&huart1, &data, 1, 100);
中断式接收 ：HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &data, 1); 并在回调函数 HAL_UART_RxCpltCallback 中处理数据。

六、实战示例：串口回环测试

一个简单的测试程序是"回环"或"回显"，即MCU将接收到的每一个字节数据立即发送回去。

复制代码

int main(void) {
    // 系统初始化、时钟配置、UART初始化（略）
    uint8_t received_data;
    while (1) {
        if (UART_ReceiveByte(&received_data)) { // 假设有接收函数
            UART_SendByte(received_data); // 将收到的数据发回
        }
    }
}

使用串口调试助手（如XCOM、SSCOM）连接到对应的COM口，设置正确的波特率（如115200），发送任意字符，应能收到相同的字符回显。

七、常见问题与调试

无数据或乱码 ：最常见的原因是波特率不匹配 。请确保STM32程序设置的波特率与PC端串口调试助手的设置完全一致。其次检查接线是否正确 （TX接RX，RX接TX）以及共地是否连接。
无法进入中断：检查NVIC配置是否正确，中断服务函数名称是否拼写错误，以及是否在初始化时使能了接收中断。
使用printf重定向 ：通过重写 fputc 函数，可以方便地使用 printf 函数通过串口格式化输出数据，极大提升调试效率。
复制代码
```
int fputc(int ch, FILE *f) {
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xFFFF);
    return ch;
}
```

总结

STM32的UART通信是嵌入式开发的基石。掌握其协议原理、硬件连接方法、以及通过库函数进行初始化和数据收发的编程技巧，是进行设备间通信和系统调试的关键第一步。从简单的查询式回环测试开始，逐步尝试中断接收、DMA传输以及自定义通信协议，能够构建出更高效、更稳定的嵌入式通信系统。