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

本章面向STM32零基础新手，基于STM32F103标准库开发，从USART串口单字节发送的核心原理出发，逐步扩展实现16位数据、数组、字符串发送功能，并讲解C标准库printf/scanf的重定向方法。你可以把USART串口理解为STM32的"有线电话"------芯片通过它和电脑、传感器等外部设备"说话"（发送数据）或"听对方说话"（接收数据），本章核心就是教会STM32如何"说更长的句子、说格式化的话"。

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前置基础（新手必看）

1. 核心概念

• 通用同步/异步收发器（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter, USART）：STM32用于串行通信的外设，支持异步通信（如和电脑串口助手通信），是嵌入式中最常用的通信方式之一。

• 发送移位寄存器 ：USART负责发送数据的核心硬件，单次只能装下8位（1字节）数据------就像快递员的小包裹箱，一次只能装1个8cm见方的包裹，要发更大的包裹，只能拆成小块分次发。

• TXE标志位（Transmit Data Register Empty）："包裹箱空了"的提示------表示发送数据寄存器已空，可以放入下一个字节的数据。

• TC标志位（Transmission Complete）："所有包裹都送完了"的提示------表示最后一个字节已完全移出移位寄存器，整组数据发送完成。

2. 芯片架构关联

STM32F103基于ARM Cortex-M3内核，USART外设挂载在APB1/APB2总线上（USART1在APB2，USART2/3在APB1），其发送逻辑由硬件寄存器控制：我们通过操作寄存器（或标准库封装的函数），告诉硬件"要发什么数据"，硬件会自动完成串行移位发送，同时通过标志位反馈"发送状态"。

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核心前提：单字节发送函数（所有进阶功能的基础）

USART移位寄存器单次仅能发送8位数据，所有多字节发送功能，都需要基于单字节发送函数循环/分批次实现。

原理

通过库函数USART_SendData将字节写入发送寄存器，然后循环等待TXE标志位为"空"，确保当前字节已进入移位寄存器，再进行下一次发送。

代码实例（可直接编译）

// 串口发送单字节函数
// pUSARTx: 串口外设（USART1/USART2/USART3等），本质是寄存器结构体指针
// ch: 待发送的8位数据（uint8_t对应C语言的无符号字符型，占1字节）
void Usart_SendByte(USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t ch)
{
    // 知识点：USART_TypeDef是STM32标准库封装的串口寄存器结构体，pUSARTx是指向该结构体的指针
    // 把待发送字节写入串口数据寄存器
    USART_SendData(pUSARTx, ch);
    // 等待TXE标志位为1（寄存器空），RESET表示"未置位"（0），SET表示"已置位"（1）
    // 知识点：while循环是阻塞式等待------直到条件不满足才退出，确保数据真正送入硬件
    while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

关键点解析

• USART_TypeDef * pUSARTx：C语言指针的典型应用------通过指针传递不同串口外设（如USART1、USART2），让函数支持多串口复用，无需为每个串口写重复代码。

• 阻塞式等待：新手入门阶段优先保证数据发送的可靠性，阻塞式等待是最简单的方式（后续进阶可改用中断/DMA）。

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1. 16位（半字）数据发送函数

概念与原理

16位数据（半字，uint16_t，占2字节）无法单次发送，需拆分为高8位 和低8位两个字节，分两次调用单字节发送函数，就像把16cm的包裹拆成8cm×2的两个小包裹，先寄大的一半（高8位），再寄小的一半（低8位）。

配置/实现步骤

1. 提取16位数据的高8位：用& 0xFF00屏蔽低8位，再右移8位；

2. 提取16位数据的低8位：用& 0x00FF屏蔽高8位；

3. 依次调用单字节函数发送高低8位。

代码实例

// 串口发送16位半字函数
void Usart_SendHalfWord(USART_TypeDef * pUSARTx, uint16_t ch)
{
    uint8_t temp_h, temp_l;
    // 知识点：位运算------&是按位与，>>是右移，嵌入式中常用位运算拆分/组合数据
    // 提取高8位：0xFF00是16进制掩码，屏蔽低8位后右移8位，得到纯高8位
    temp_h = (ch & 0xFF00) >> 8;
    // 提取低8位：0x00FF屏蔽高8位，直接得到低8位
    temp_l = ch & 0x00FF;

    // 先发送高8位
    Usart_SendByte(pUSARTx, temp_h);
    // 后发送低8位
    Usart_SendByte(pUSARTx, temp_l);
}

实验验证（新手必做）

1. 主函数调用示例：

   int main(void)
   {
   // 串口初始化（需提前实现，配置115200波特率、8位数据位、1位停止位、无校验）
   USART_Config();
   // 发送16位数据0xFF56
   Usart_SendHalfWord(DEBUG_USARTx, 0xFF56);
   while(1); // 死循环，防止程序退出
   }

2. 现象说明：

   • 串口调试助手勾选「十六进制显示」：接收到FF 56（对应拆分的高低8位）；

   • 不勾选十六进制：显示乱码（因为0xFF、0x56不是可打印ASCII字符），属于正常现象。

关键点解析

• 位运算：嵌入式开发中最常用的操作之一，用于拆分/组合数据、配置寄存器位，比算术运算更高效（硬件直接支持）。

• 数据类型：uint16_t（无符号16位整数）、uint8_t（无符号8位整数）是嵌入式标准类型（定义在stdint.h），比int/char更明确，避免不同编译器的位数差异。

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2. 8位数据数组批量发送函数

概念与原理

数组是连续存储的多个8位数据，就像一整箱8cm的小包裹，通过for循环逐个取出包裹，调用单字节函数发送；全部发完后，需等待TC标志位，确保最后一个"包裹"真正送到对方手里。

配置/实现步骤

1. 传入数组首地址和元素个数；

2. 循环遍历数组，逐个发送元素；

3. 等待TC标志位，确认整组数据发送完成。

代码实例

// 串口发送8位数组函数
// array: 数组首地址（C语言中数组名本质是首元素指针）
// number: 数组元素个数（最大255，因为uint8_t范围0~255）
void Usart_SendArray(USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t *array, uint8_t number)
{
    uint8_t i;
    // 知识点：for循环遍历数组，嵌入式中常用遍历方式
    for(i = 0; i < number; i++)
    {
        // 数组元素访问：*(array + i) 等价于 array[i]
        Usart_SendByte(pUSARTx, array[i]);
    }
    // 等待整组数据发送完成（TC标志位），区别于单字节的TXE
    while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TC) == RESET);
}

实验验证

1. 主函数调用示例：

   int main(void)
   {
   // 定义并初始化数组，10个8位数据
   uint8_t send_array[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
   USART_Config(); // 串口初始化
   // 发送数组：串口1、数组首地址、10个元素
   Usart_SendArray(USART1, send_array, 10);
   while(1);
   }

2. 调试要点：

   • 勾选「十六进制显示」：接收到01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A；

   • 不勾选：无可见字符（1~10是不可打印ASCII码），并非代码错误；

   • 若数组元素为'a'（97）、'b'（98），不勾选可显示ab。

关键点解析

• 数组与指针：uint8_t *array接收数组首地址，array[i]等价于*(array + i)，嵌入式中常通过指针操作硬件寄存器/数组，节省内存。

• TC vs TXE：单字节发送等TXE（寄存器空），整组发送等TC（全部发完），混淆会导致最后一个字节发送不完整。

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3. 字符串发送函数

概念与原理

C语言中字符串是以'\0'（空字符，ASCII码0）为结束标志的字符数组，就像一串有"终止符"的包裹，我们只需循环发送字符，直到遇到'\0'停止，无需提前知道字符串长度。

配置/实现步骤

1. 传入字符串首地址；

2. 用do-while循环逐个发送字符；

3. 循环结束后等待TC标志位；

4. 处理常见问题（如换行、变量初始化）。

代码实例

// 串口发送字符串函数
void Usart_SendString(USART_TypeDef * pUSARTx, char *str)
{
    // 知识点：变量必须显式初始化！未初始化的i是随机值，会导致数组越界
    uint8_t i = 0;
    // do-while循环：至少执行一次（避免空字符串）
    do
    {
        Usart_SendByte(pUSARTx, *(str + i));
        i++;
    } while(*(str + i) != '\0'); // 直到遇到结束符'\0'

    // 等待字符串全部发送完成
    while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TC) == RESET);
}

实验验证与常见问题

1. 主函数调用示例：

   int main(void)
   {
   USART_Config();
   // 字符串末尾加\r\n（回车+换行），解决数据粘连问题
   Usart_SendString(USART1, "STM32串口字符串测试\r\n");
   Usart_SendString(USART1, "零基础也能学会！\r\n");
   while(1);
   }

2. 常见问题解决：

   • 问题1：串口无输出→循环变量i未初始化（随机值导致访问越界）→必须uint8_t i = 0;；

   • 问题2：字符串无换行→在字符串末尾加\r\n（如"测试\r\n"）；

   • 问题3：乱码→串口波特率/数据位配置不匹配（如初始化是115200，助手设为9600）。

关键点解析

• 字符串结束符：'\0'是C语言字符串的核心标志，缺失会导致循环"跑飞"（访问内存中无关数据），嵌入式中内存越界可能导致程序崩溃。

• do-while循环：区别于while循环，先执行后判断，确保空字符串也会进入循环（但发送0字节），更适配字符串发送场景。

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4. C标准库输入输出函数重定向

STM32默认无法使用printf/scanf（这些函数默认向"电脑屏幕/键盘"读写），需重定向其底层函数，将读写逻辑绑定到串口------相当于把printf的"输出屏幕"改成"串口"，scanf的"输入键盘"改成"串口"。

4.1 printf/putchar重定向

原理

printf/putchar底层都会调用fputc函数（标准库函数，负责输出单个字符），只需重写fputc，将字符输出逻辑替换为串口单字节发送，即可让printf通过串口打印。

配置步骤

1. 代码实现（添加到串口驱动.c文件）：

   // 必须包含标准库头文件，否则无法识别FILE、fputc
   #include "stdio.h"

   // 知识点：函数重写------自定义fputc覆盖标准库默认实现
   // ch: 待输出的字符；f: 文件指针（printf默认忽略，仅兼容标准库格式）
   int fputc(int ch, FILE *f)
   {
   // 将int型ch转为uint8_t（仅保留低8位，符合串口发送要求）
   USART_SendData(DEBUG_USARTx, (uint8_t) ch);
   // 阻塞等待TXE标志位
   while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
   return (ch); // 返回字符，兼容标准库调用逻辑
   }

2. Keil MDK工程配置（关键！）：

   • 点击Options for Target→ Target→ 勾选Use MicroLIB（微库）；

   • 微库是精简版C标准库，适配嵌入式场景，不勾选则重定向失效。

实验验证

#include "stdio.h" // 使用printf必须包含

int main(void)
{
    uint16_t num = 1234;
    float temp = 25.68f;
    USART_Config();

    // 知识点：printf格式化输出------嵌入式中常用作调试信息打印
    printf("STM32 printf重定向测试\r\n");
    printf("数字：%d，十六进制：0x%X\r\n", num, num);
    printf("温度：%.2f℃\r\n", temp);
    // putchar同步生效，发送单个字符
    putchar('!');
    while(1);
}

现象：串口助手（取消十六进制显示）显示：

STM32 printf重定向测试
数字：1234，十六进制：0x4D2
温度：25.68℃
!

4.2 scanf/getchar重定向

原理

scanf/getchar底层调用fgetc函数（负责读取单个字符），重写fgetc，将字符读取逻辑替换为串口接收，即可通过串口输入数据。

代码实现

#include "stdio.h"

// 重写fgetc，绑定串口接收
int fgetc(FILE *f)
{
    // 阻塞等待串口接收数据（RXNE标志位：接收寄存器非空）
    while (USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
    // 读取接收寄存器数据并返回
    return (int)USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);
}

实验验证

#include "stdio.h"

int main(void)
{
    char ch;
    int num;
    USART_Config();
    printf("请输入一个字符：");
    // getchar读取串口输入的字符
    ch = getchar();
    printf("你输入的字符是：%c\r\n", ch);

    printf("请输入一个数字：");
    // scanf格式化读取串口输入的数字
    scanf("%d", &num);
    printf("你输入的数字是：%d\r\n", num);
    while(1);
}

注：该函数是阻塞式接收 ------程序会卡在while处，直到串口接收到数据，适合简单的指令交互场景。

关键点解析

• 函数重写：嵌入式中常用的技巧，通过重写标准库/底层函数，适配硬件场景，无需修改上层代码（如直接用printf）。

• MicroLIB：Keil专为嵌入式优化的C标准库，体积小、适配裸机开发，默认标准库不支持重定向fputc/fgetc。

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5. 关键调试与兼容性

5.1 串口调试助手配置规则（新手必记）

发送数据类型	串口助手显示配置	示例现象
16位数据、数组（原始数值）	勾选「十六进制显示」	发送0xFF56 → 显示FF 56
字符串、printf格式化输出	取消「十六进制显示」	发送"测试" → 显示测试

5.2 常见避坑点

1. 循环变量未初始化→数组/字符串访问越界→串口无输出；

2. TXE/TC标志位混淆→最后一个字节发送不完整；

3. 未勾选MicroLIB→printf重定向失效；

4. 字符串无'\0'→发送乱码/程序崩溃；

5. 串口初始化参数（波特率、数据位）与助手不匹配→乱码。

5.3 跨平台兼容性

• 跨串口：函数通过pUSARTx形参指定串口，只需修改初始化代码，即可从USART1移植到USART2/3；

• 跨芯片：核心逻辑兼容Cortex-M3/M4/M7内核的STM32（如F4/F7系列），仅需调整库函数名（如HAL库改为HAL_UART_Transmit）。

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小结

1. USART串口单次仅能发送8位数据，多字节发送需基于单字节函数循环/拆分实现；

2. 16位数据拆分为高低8位发送，数组通过for循环遍历发送，字符串通过'\0'判断结束；

3. printf/scanf重定向的核心是重写fputc/fgetc，并配置MicroLIB；

4. 嵌入式开发中，位运算、指针、变量初始化、标志位判断是核心基础，需熟练掌握。

思考

1. 阻塞式发送/接收会占用CPU资源，如何通过中断实现非阻塞的串口发送/接收？

2. 除了标准库，STM32HAL库中如何实现串口多字节发送和printf重定向？

3. 若要发送浮点型数据（如3.1415），如何基于现有函数实现？

4. 串口接收数据时，如何避免因数据丢失导致的程序异常？（提示：缓冲区）

建议查阅STM32F103官方参考手册（RM0008）的USART章节，进一步理解寄存器工作原理和标志位时序。