STM32F103 学习笔记-21-串口通信（第4节）—串口发送和接收代码讲解（中）

前言

各位零基础的STM32新手小伙伴，本节我们正式进入USART串口通信的实战编程阶段。在前序章节了解串口基本概念后，本节核心目标是：

1. 理解STM32F103串口通信的硬件底层逻辑；

2. 手把手完成串口驱动工程的基础搭建；

3. 掌握USART1的完整初始化配置（GPIO+NVIC+串口模式）；

4. 编写并验证串口单字节发送函数；

5. 理解代码中嵌入式C语言的核心用法（宏定义、结构体、库函数调用）。

全程以"概念→原理→代码→验证"的逻辑展开，所有代码均可直接编译调试，配套指南者/霸道开发板，跟着操作就能完成第一个串口通信实验！

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一、本章实验规划

1.1 实验目标（新手友好版）

本章设计2个递进式实验，从"基础通信"到"外设控制"，逐步掌握串口核心用法：

实验序号 实验名称 核心目标

实验1 USART中断收发实验 实现"单片机→电脑"发送数据、"电脑→单片机"接收数据并回传（本节完成发送部分）

实验2 串口指令控制RGB灯实验 电脑下发指令（如"ON"/"OFF"），单片机解析指令并控制RGB灯亮灭

1.2 必备工具

• 软件：Keil MDK 5.x（STM32F103编译环境）、官方串口调试助手、CH340 USB转串口驱动；

• 硬件：指南者/霸道STM32F103开发板、USB数据线（连接开发板"USB to UART"接口）。

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二、串口通信硬件基础（新手必懂）

2.1 为什么需要"电平转换"？（生活化类比）

电脑USB接口是USB电平（高电平3.3V/低电平0V，但通信协议是USB），STM32串口引脚是TTL电平（高电平3.3V/低电平0V，通信协议是UART），两者"语言格式"不同，就像普通话和方言，需要"翻译官"------CH340G芯片（开发板板载）完成电平/协议转换。

关键知识点

• 驱动要求：必须安装CH340驱动（开发板配套光盘/官网下载），安装时右键"以管理员身份运行"（新手易踩坑：不装驱动电脑识别不到串口）；

• 核心引脚（USART1默认）：

  • PA9（USART1_TX）：单片机"说话"的引脚（发送）；

  • PA10（USART1_RX）：单片机"听"的引脚（接收）；

• 硬件连接规则：TX接RX、RX接TX（交叉连接），开发板通过跳帽默认完成，无需手动改。

2.2 开发板串口资源与跳帽配置（新手避坑）

STM32F103共支持5个串口（USART1~USART3 + UART4~UART5），不同串口的"挂载总线""默认引脚"不同，新手优先掌握USART1（与电脑通信最常用）。

2.2.1 串口资源速查表（新手版）

串口编号 英文全称 默认收发引脚 挂载总线 板载默认用途

USART1 Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter 1 PA9(TX)/PA10(RX) APB2 连接CH340，与电脑上位机通信

USART2 Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter 2 PA2(TX)/PA3(RX) APB1 霸道板默认接RS232/485，指南者仅引脚引出

USART3~UART5 - 见备注 APB1 引脚引出，需杜邦线自定义连接

2.2.2 跳帽配置（新手只记默认场景）

• 新手默认场景：用USART1与电脑通信 → 保持PA9/PA10与CH340的跳帽"插上"即可；

• 进阶场景（用其他串口）：先拔USART1跳帽，再用杜邦线把CH340的TX接目标串口RX、CH340的RX接目标串口TX（新手暂时不用管）。

2.3 RS232电平转换（了解即可）

霸道板额外板载MAX3232芯片，可将STM32的TTL电平转为RS232电平（DB9接口），指南者无此电路；新手初期无需使用，重点掌握CH340+USART1的组合即可。

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三、串口工程基础搭建（手把手操作）

新手第一步先搭好工程框架，避免后续代码混乱，步骤如下（每一步配新手提示）：

3.1 新建串口驱动文件

在你的STM32工程目录下，新建2个文件：

• bsp_usart.c：存放串口驱动的核心代码（初始化、发送/接收函数）；

• bsp_usart.h：存放宏定义、函数声明（头文件）。

新手提示："bsp"是"板级支持包（Board Support Package）"的缩写，是嵌入式开发的通用命名规范，方便区分不同外设的驱动文件。

3.2 Keil中导入文件

1. 打开Keil MDK工程，在左侧"Project"窗口右键目标分组（如"User"）→ 选择"Add Files to Group..."；

2. 找到新建的bsp_usart.c，选中并添加（bsp_usart.h无需添加，仅需配置路径）。

3.3 配置头文件路径（关键！新手易漏）

Keil编译器需要知道bsp_usart.h的位置，否则会报"头文件未找到"错误：

1. 点击Keil顶部"魔术棒"图标（⚙️）→ 选择"C/C++"选项卡；

2. 在"Include Paths"栏点击"..."→ 添加bsp_usart.h所在的文件夹路径 → 点击"OK"保存。

3.4 头文件基础配置（C语言知识点）

在bsp_usart.h中添加"条件编译保护"（防止头文件重复包含），并引入核心头文件：

#ifndef __BSP_USART_H
#define __BSP_USART_H

#include "stm32f10x.h"

/* 后续添加宏定义、函数声明 */

#endif /* __BSP_USART_H */

C语言知识点：#ifndef/#define/#endif是头文件保护的标准写法，避免多次包含同一头文件导致"重复定义"错误（比如main.c和bsp_usart.c都包含该头文件时，编译器只会编译一次）。

3.5 源文件引入头文件

在bsp_usart.c开头添加：

#include "bsp_usart.h"

3.6 首次编译（排查基础错误）

点击Keil顶部"Build"按钮（🔨），如果编译无报错，说明工程框架搭建完成；若报错，优先排查：

• 头文件路径是否配置正确；

• 文件名是否拼写错误（如bsp_usart写成bsp_usart1）；

• 条件编译符号是否匹配（如__BSP_USART_H是否前后一致）。

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四、USART串口初始化编程详解（核心）

串口初始化是通信正常的关键，需完成GPIO配置、NVIC中断配置、串口模式配置三大步骤，我们用"宏定义封装+函数拆分"的方式编写代码（新手易维护、易移植）。

4.1 串口硬件相关宏定义（C语言：宏定义的优势）

在bsp_usart.h中添加以下宏定义，把所有"硬件相关参数"封装起来------后续要切换串口（如USART2），只需改宏定义，无需改核心函数！

/************************* USART1 硬件相关宏定义 *************************/
#define DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT     GPIOA
#define DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN      GPIO_Pin_9
#define DEBUG_USART_TX_GPIO_CLK      RCC_APB2Periph_GPIOA

#define DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT     GPIOA
#define DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN      GPIO_Pin_10
#define DEBUG_USART_RX_GPIO_CLK      RCC_APB2Periph_GPIOA

#define DEBUG_USART                  USART1
#define DEBUG_USART_CLK              RCC_APB2Periph_USART1
#define DEBUG_USART_IRQn             USART1_IRQn
#define DEBUG_USART_IRQHandler       USART1_IRQHandler

#define DEBUG_USART_BAUDRATE         115200

C语言知识点：宏定义（#define）的核心优势是"一次定义、多处使用、统一修改"，嵌入式开发中常用于封装硬件参数（引脚、时钟、中断号等），大幅提升代码可移植性。

新手提示：USART1挂载在APB2总线，USART2~UART5挂载在APB1总线 → 时钟使能函数要对应（后续代码会体现）。

4.2 完整初始化函数实现（逐行解析）

初始化函数拆分为3个子函数（GPIO、NVIC、串口模式），最终封装为统一入口，代码写在bsp_usart.c中：

4.2.1 子函数1：GPIO引脚配置（串口TX/RX引脚初始化）

static void USART_GPIO_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    RCC_APB2PeriphClockCmd(DEBUG_USART_TX_GPIO_CLK | DEBUG_USART_RX_GPIO_CLK, ENABLE);
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

核心知识点解析：

1. static关键字：该函数仅能在bsp_usart.c中调用，其他文件无法访问，避免多个驱动文件的函数名冲突（嵌入式开发常用）；

2. GPIO_InitTypeDef：STM32标准库定义的GPIO初始化结构体，把引脚的"引脚号、模式、速率"封装成结构体，通过GPIO_Init函数一次性配置，比直接操作寄存器更简单；

3. GPIO模式：

   • TX引脚：GPIO_Mode_AF_PP（复用推挽输出）→ "复用"表示引脚不是普通GPIO，而是串口外设的输出；"推挽"表示能输出高低电平，驱动外部电路；

   • RX引脚：GPIO_Mode_IN_FLOATING（浮空输入）→ 无需上拉/下拉，直接接收外部TTL电平信号，适配串口通信场景。

4.2.2 子函数2：NVIC中断配置（接收中断用）

static void USART_NVIC_Config(void)
{
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DEBUG_USART_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

核心知识点解析：

1. NVIC：嵌套向量中断控制器（Nested Vectored Interrupt Controller），是Cortex-M3内核的核心组件，用于管理所有中断的优先级和使能；

2. 中断优先级分组：NVIC_PriorityGroup_2表示"2位抢占优先级（0~3）+2位子优先级（0~3）"，整个工程只能配置一次（若多次配置，以最后一次为准）；

3. 抢占优先级 vs 子优先级：

   • 抢占优先级：高优先级中断可"打断"低优先级中断（比如串口中断可打断定时器中断）；

   • 子优先级：同抢占优先级的中断，按子优先级顺序响应（无抢占关系）。

4.2.3 子函数3：串口工作模式配置

static void USART_Mode_Config(void)
{
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    
    RCC_APB2PeriphClockCmd(DEBUG_USART_CLK, ENABLE);
    
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = DEBUG_USART_BAUDRATE;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
    USART_Init(DEBUG_USART, &USART_InitStructure);
    
    USART_ITConfig(DEBUG_USART, USART_IT_RXNE, ENABLE);
    
    USART_Cmd(DEBUG_USART, ENABLE);
}

核心知识点解析：

1. 串口时钟：USART1挂载APB2总线 → 用RCC_APB2PeriphClockCmd；USART2~UART5挂载APB1 → 用RCC_APB1PeriphClockCmd（新手易踩坑：时钟总线错配会导致串口完全无响应）；

2. 通信参数：波特率、数据位、停止位、校验位必须与上位机串口调试助手完全一致，否则会出现"乱码"或"通信失败"；

3. USART_IT_RXNE：接收数据寄存器非空中断 → 当单片机收到1个字节数据时，会立即触发中断，后续可在中断服务函数中处理数据（本节先使能，下节讲解中断服务函数）；

4. USART_Cmd：串口总开关，必须最后调用------所有配置完成后，再开启串口外设，避免配置过程中串口异常。

4.2.4 初始化入口函数（整合所有子函数）

void USART_Config(void)
{
    USART_GPIO_Config();
    USART_NVIC_Config();
    USART_Mode_Config();
}

4.3 声明初始化函数（头文件）

在bsp_usart.h中添加函数声明，让main.c能调用该函数：

void USART_Config(void);

4.4 初始化关键注意事项（新手避坑清单）

1. 时钟总线匹配：USART1→APB2，USART2~UART5→APB1，时钟使能函数必须对应；

2. GPIO模式正确：TX=复用推挽输出，RX=浮空输入（错配会导致发送/接收失败）；

3. 通信参数一致：单片机与上位机的波特率、数据位等必须完全相同；

4. 中断分组唯一：整个工程仅需调用一次NVIC_PriorityGroupConfig，多次调用会覆盖配置。

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五、串口单字节发送函数实现与验证

初始化完成后，先实现"单字节发送"功能（最简单、最易验证），为后续字符串发送、printf重定向打基础。

5.1 单字节发送函数实现

在bsp_usart.c中编写通用的单字节发送函数（适配所有串口）：

void USART_SendByte(USART_TypeDef* USARTx, uint8_t data)
{
    USART_SendData(USARTx, data);
    
    while(USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

核心知识点解析：

1. USART_TypeDef*：指针参数，指向STM32串口外设的寄存器结构体（如USART1、USART2），因此该函数可适配所有串口，通用性强；

2. uint8_t：是unsigned char的别名（在stdint.h中定义），嵌入式开发中优先用uint8_t/uint16_t等固定长度类型，避免不同编译器的"char"长度差异；

3. 等待发送完成：USART_FLAG_TXE是"发送数据寄存器空"标志位------当该位为RESET（0）时，说明上一个字节还在发送中；为SET（1）时，说明数据已从DR寄存器转移到发送移位寄存器，可写入下一个字节（避免数据覆盖丢失）；

4. 死循环等待：此处用while等待是"轮询方式"，适合单字节发送场景，简单且可靠（新手优先掌握）。

5.2 声明发送函数（头文件）

在bsp_usart.h中添加函数声明：

void USART_SendByte(USART_TypeDef* USARTx, uint8_t data);

5.3 主函数调用示例（main.c）

在main.c中调用初始化和发送函数，实现单片机向上位机发送数据：

#include "stm32f10x.h"
#include "bsp_usart.h"

int main(void)
{
    USART_Config();
    
    USART_SendByte(DEBUG_USART, 'a');
    // USART_SendByte(DEBUG_USART, 100);
    
    while(1)
    {
    }
}

5.4 上位机验证步骤（手把手）

步骤1：硬件连接

• 保持开发板USART1跳帽默认连接；

• 用USB数据线连接开发板"USB to UART"接口与电脑；

• 给开发板上电（电源灯亮起）。

步骤2：确认串口驱动

• 打开电脑"设备管理器"→ 展开"端口（COM和LPT）"；

• 查看是否有"USB-SERIAL CH340 (COMx)"（x是数字，如COM3）；

• 若无该设备：重新安装CH340驱动，或换USB线/USB接口。

步骤3：串口调试助手配置

• 打开官方串口调试助手；

• 端口选择：设备管理器中看到的COMx；

• 参数配置：波特率115200、数据位8、停止位1、校验位无、流控无；

• 点击"打开串口"（按钮变为"关闭串口"表示成功）。

步骤4：烧录程序并验证

• 在Keil中编译工程（无报错）→ 烧录程序到开发板；

• 按下开发板"复位键"；

• 串口调试助手"接收区"会显示字符a；

• 若测试发送十进制100：勾选调试助手"十六进制显示"，接收区会显示0x64（100的十六进制）。

5.5 常见问题排查（新手必看）

问题现象 排查方向

上位机无任何数据接收 1. 串口是否打开；2. COM口是否选对；3. 跳帽是否连接USART1；4. 串口参数是否匹配；5. 程序是否烧录成功

接收数据为乱码 1. 波特率不匹配；2. 数据位/停止位/校验位不匹配；3. 开发板时钟配置错误（新手暂不考虑）

发送十进制数显示乱码 串口调试助手默认"字符显示"，十进制100对应ASCII字符'd'，勾选"十六进制显示"即可看原始值

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六、本节核心小结

1. 串口通信的前提是"电平匹配"：USB→TTL需CH340转换，RS232→TTL需MAX3232转换；

2. 串口初始化三大核心：GPIO引脚（TX=复用推挽、RX=浮空输入）、NVIC中断、串口模式（通信参数+时钟+使能）；

3. 宏定义封装硬件参数是嵌入式开发的最佳实践，可大幅提升代码可移植性；

4. 单字节发送需等待TXE标志位，确保数据发送完成后再写入下一字节；

5. 单片机与上位机的通信参数必须完全一致，否则会出现通信失败/乱码。

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七、思考与拓展（新手进阶）

1. 尝试修改宏定义，将USART1改为USART2，重新配置GPIO和时钟，实现USART2的单字节发送；

2. 为什么TX引脚必须用"复用推挽输出"，而不能用普通推挽输出（GPIO_Mode_Out_PP）？（提示：普通输出是GPIO控制，复用输出是串口外设控制）；

3. 若想发送多个字节（如"Hello STM32"），如何基于USART_SendByte封装一个字符串发送函数？

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八、后续内容预告

下一节我们将讲解：

1. 基于单字节发送函数，封装串口字符串/数组发送函数；

2. 实现C语言标准库printf函数的串口重定向（直接用printf打印数据到上位机）；

3. 编写串口接收中断服务函数，实现上位机数据回传；

4. 调试中断收发的常见问题与解决方法。

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参考资料：《零死角玩转STM32》"USART串口通信"章节、STM32F10x数据手册