1-8 简易串口通讯协议（UART + 自定义帧协议）

8.1 学习目标

理解串口（UART）异步通信的基本原理及关键参数（波特率、数据位、停止位、校验位）

掌握 STM32CubeMX 配置 USART 中断接收及使用 HAL 库函数

学习设计一个简易的串口通信协议（帧头、命令码、长度、数据域、校验和、帧尾）

实现数据帧的封装、发送、接收解析及校验，并处理常见命令（心跳、数据上报、状态查询等）

通过串口助手验证协议的正确性

8.2 项目原理与概述

在嵌入式系统中，串口（UART）是最常用的调试与通信接口之一。然而，仅靠原始字节流无法区分"一条完整命令"的边界，也难以保证数据可靠性。因此需要定义应用层协议，通过固定的帧格式对数据进行打包和校验，使下位机（STM32）能够正确识别命令并作出响应。

本章将设计一个简易的串口通讯协议，具备以下特点：

固定帧头 0xAA 和帧尾 0x55，用于帧同步

命令码（1字节）区分不同功能

数据长度（1字节）支持最长 64 字节载荷

异或校验和，保证数据完整性

支持心跳包、传感器数据上传、制冷片控制状态查询等常用命令

STM32 通过 USART1 与上位机（如串口助手或 PC 端软件）通信，接收并解析命令，执行相应动作后返回响应帧。

8.3 通讯基本知识点总结

8.3.1 通信方式分类

|--------|---------------|--------|
| 类型 | 方向 | 示例 |
| 单工 | 单向（固定发送端和接收端） | 广播电台 |
| 半双工 | 双向交错，不能同时 | 对讲机 |
| 全双工 | 双向同时 | 电话 |

8.3.2 同步通信 vs 异步通信

同步通信：共用时钟线，数据以字节块连续传输，效率高，如 SPI、I²C。

异步通信：无时钟线，以帧为单位传输，每帧包含起始位、数据位、校验位（可选）、停止位，靠波特率同步，如 UART。

8.3.3 串口（UART）通信参数

|--------|--------------|--------------|
| 参数 | 说明 | 常见取值 |
| 波特率 | 每秒传输的位数（bps） | 9600, 115200 |
| 数据位 | 每个数据帧的有效位数 | 8（最常用） |
| 停止位 | 标志帧结束的位数 | 1 或 2 |
| 校验位 | 简单检错 | 无、奇校验、偶校验 |

物理层标准：

TTL UART：逻辑 0=0V，逻辑 1=3.3V/5V，短距离（<1m）

RS-232：逻辑 0=+3~+15V，逻辑 1=-3~-15V，距离约15m

RS-485：差分信号，抗干扰强，可长达千米，多点通信

本章使用 STM32F103 的 USART1，引脚为 PA9（TX）和 PA10（RX），TTL 电平，通过 USB 转 TTL 模块连接电脑。

8.4 CubeMX工程配置

8.4.1打开工程

找到上一章生成的 .ioc 文件，双击该文件即可用 STM32CubeMX 打开。

8.4.2 配置 USART1

进入 Connectivity → USART1

Mode：Asynchronous（异步）

参数设置：

|----------------|----------------------|
| 参数 | 值 |
| Baud Rate | 115200 |
| Word Length | 8 bits |
| Parity | None |
| Stop Bits | 1 |
| Data Direction | Receive and Transmit |

开启 USART1 全局中断（NVIC 中勾选 USART1 global interrupt）。