STM32中的UART详解-EW帮帮网

前言

在嵌入式开发中，串口通信是最常用的调试与数据传输方式之一。UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）作为一种简单、可靠的异步通信协议，被广泛应用于STM32与传感器、上位机、蓝牙模块等外设的交互场景。本文将从协议基础到STM32实战，全面解析UART协议在STM32中的应用，包含硬件设计、软件配置、实战案例及调试技巧，适合嵌入式开发者入门与进阶参考。

一、UART协议基础

1.1 什么是UART？

UART是一种通用的异步串行通信协议，用于在两个设备之间实现全双工或半双工数据传输。其核心特点是“异步”——通信双方无需共享统一的时钟信号，而是通过约定的波特率（数据传输速率）同步数据帧，因此硬件上只需2根线（TX发送、RX接收）即可实现双向通信（全双工）。

与UART容易混淆的是USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter），两者的区别在于：

UART仅支持异步通信；
USART既支持异步通信，也支持同步通信（需额外时钟线SCLK）。

STM32芯片中集成的是USART外设，但在大多数场景下，我们使用其异步模式（即UART功能），因此本文统一以“UART”代指STM32中基于USART外设的异步通信。

1.2 UART通信帧结构

UART的数据以“帧”为单位传输，每帧包含以下部分（从左到右传输）：
在这里插入图片描述
（示意图：起始位+数据位+校验位+停止位）

空闲状态：通信线默认处于高电平（逻辑1），表示无数据传输。
起始位：1位低电平（逻辑0），标志一帧数据的开始，用于唤醒接收设备同步。
数据位：5~9位，存储实际传输的数据（通常为8位，即1字节），可选择高位在前或低位在前（STM32默认低位在前）。
校验位（可选）：1位，用于数据校验，确保传输准确性：
- 无校验（None）：不使用校验位；
- 奇校验（Odd）：数据位+校验位中1的总数为奇数；
- 偶校验（Even）：数据位+校验位中1的总数为偶数；
- 标记校验（Mark）：校验位固定为1；
- 空格校验（Space）：校验位固定为0。
停止位：1~2位高电平（逻辑1），标志一帧数据的结束，可根据需求选择1位、1.5位（仅异步模式）或2位。

1.3 波特率与通信速率

波特率（Baud Rate）是UART通信的核心参数，定义为每秒传输的“码元数”（对于UART，每个码元对应1位数据），单位为bps（比特每秒）。例如：

9600 bps：每秒传输9600位数据；
115200 bps：每秒传输115200位数据（常用调试速率）。

通信双方必须使用相同的波特率，否则会出现数据解析错误。实际应用中，常用波特率为9600、19200、38400、57600、115200、256000等。

1.4 UART通信方式

全双工：TX和RX独立工作，发送和接收可同时进行（如STM32与PC通过USB转串口通信）。
半双工：同一时刻只能发送或接收，需通过一根线实现（如STM32的单线半双工模式）。

二、STM32 USART外设介绍

STM32系列芯片（如F1、F4、H7等）通常集成多个USART外设（如F103有3个USART和2个UART，F407有6个USART），不同型号资源不同，需参考对应的数据手册。

2.1 USART外设主要特性

STM32的USART外设支持以下关键特性（以F103为例）：

支持异步通信（UART）和同步通信；
波特率范围：1200 bps ~ 4.5 Mbps（F103，取决于时钟频率）；
支持5/6/7/8/9位数据位；
支持奇校验、偶校验或无校验；
支持1/1.5/2位停止位；
支持硬件流控制（RTS/CTS，需额外引脚）；
支持中断和DMA传输（减少CPU占用）；
支持多机通信（地址检测模式）；
支持单线半双工模式；
支持智能卡协议和IrDA红外通信（部分型号）。

2.2 引脚映射

USART外设的TX/RX引脚需通过“复用功能”配置，不同型号的引脚映射不同。以STM32F103C8T6为例，USART1的默认引脚为：

TX：PA9（复用推挽输出）；
RX：PA10（浮空输入或上拉输入）。

若默认引脚被占用，可通过“重映射”功能切换到其他引脚（如USART1可重映射到PB6/PB7），具体需参考数据手册的“复用功能映射表”。

2.3 时钟源

USART的时钟来自APB总线（APB1或APB2）：

高速USART（如USART1）通常挂载在APB2总线上，时钟频率较高（F103中APB2最高72MHz）；
其他USART（如USART2、3）挂载在APB1总线上（F103中APB1最高36MHz）。

时钟频率直接影响波特率精度，需根据总线时钟计算波特率寄存器的值。

2.4 核心寄存器

USART的配置主要通过以下寄存器实现（以寄存器级编程为例）：

USART_CR1（控制寄存器1）：
- UE：USART使能位（1=使能）；
- M：数据位长度（0=8位，1=9位）；
- PCE：校验位使能（1=使能）；
- PS：校验类型（0=偶校验，1=奇校验）；
- TE：发送使能（1=使能）；
- RE：接收使能（1=使能）；
- RXNEIE：接收非空中断使能（1=使能）。
USART_CR2（控制寄存器2）：
- STOP：停止位配置（00=1位，01=0.5位，10=2位，11=1.5位）。
USART_CR3（控制寄存器3）：
- CTSIE：CTS中断使能；
- DMAT：发送DMA使能；
- DMAR：接收DMA使能。
USART_BRR（波特率寄存器）：
- 由16位整数部分（DIV_Mantissa）和4位小数部分（DIV_Fraction）组成，用于计算波特率。
USART_SR（状态寄存器）：
- TXE：发送数据寄存器空（1=可发送下一字节）；
- TC：发送完成（1=一帧数据发送完毕）；
- RXNE：接收数据寄存器非空（1=有数据待读取）。
USART_DR（数据寄存器）：
- 发送时写入数据，接收时读取数据（8位或9位）。

2.5 波特率计算

波特率由USART_BRR寄存器的值和APB总线时钟共同决定，公式如下：

波特率 = APB总线时钟频率 / (16 * USARTDIV)

其中，USARTDIV = DIV_Mantissa + DIV_Fraction / 16（DIV_Mantissa为整数部分，DIV_Fraction为小数部分，0~15）。

例如，若APB2时钟为72MHz，需配置波特率为115200：

USARTDIV = 72,000,000 / (16 * 115200) ≈ 39.0625
→ DIV_Mantissa = 39（0x27），DIV_Fraction = 1（0x1）
→ USART_BRR = 0x271

STM32CubeMX会自动计算BRR值，手动配置时需确保误差≤3%（否则可能通信失败）。

三、硬件电路设计

UART通信的硬件电路简单，核心是“电平匹配”和“抗干扰”。

3.1 电平标准

STM32的GPIO为3.3V电平，而PC的串口（RS232）为±15V电平，直接连接会损坏芯片，因此需通过“电平转换芯片”（如CH340、PL2303）实现3.3V与RS232/USB的转换。

典型电路如下：
在这里插入图片描述

STM32的TX（3.3V）连接到CH340的RXD；
STM32的RX（3.3V）连接到CH340的TXD；
CH340通过USB线连接到PC；
共地：STM32与CH340的GND必须连接（确保电平参考一致）。

3.2 抗干扰设计

若通信距离较长（>1米），可在TX/RX线上串联100Ω电阻（限流保护）；
可并联100pF电容（滤除高频噪声）；
远距离通信建议使用差分信号（如RS485），通过MAX485等芯片转换。

3.3 流控制（可选）

若需硬件流控制（防止数据溢出），需增加RTS（请求发送）和CTS（清除发送）引脚：

STM32的RTS（输出）连接到外设的CTS（输入）；
STM32的CTS（输入）连接到外设的RTS（输出）。

大多数场景下无需流控制，可省略这两根线。

四、软件配置步骤

本节以STM32F103为例，分别介绍寄存器级和HAL库的配置方法，实现UART基本通信。

4.1 寄存器级配置（USART1，115200 8N1）

“8N1”是最常用的配置：8位数据位，无校验位，1位停止位。

步骤1：使能时钟

// 使能GPIOA和USART1时钟（APB2总线）
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN | RCC_APB2ENR_USART1EN;

步骤2：配置GPIO

// 配置PA9为复用推挽输出（TX）
GPIOA->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE9 | GPIO_CRH_CNF9);
GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE9_1 | GPIO_CRH_MODE9_0;  // 输出速率50MHz
GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF9_1;                       // 复用推挽

// 配置PA10为浮空输入（RX）
GPIOA->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE10 | GPIO_CRH_CNF10);
GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_CNF10_0;                      // 浮空输入

步骤3：配置USART参数

// 复位USART1（可选，确保初始状态）
USART1->CR1 &= ~USART_CR1_UE;

// 配置数据位（8位）、无校验、使能发送和接收
USART1->CR1 &= ~(USART_CR1_M | USART_CR1_PCE);       // 8位数据，无校验
USART1->CR1 |= USART_CR1_TE | USART_CR1_RE;          // 使能发送和接收

// 配置停止位（1位）
USART1->CR2 &= ~USART_CR2_STOP;                      // 1位停止位

// 配置波特率（115200，APB2时钟72MHz）
USART1->BRR = 0x271;                                 // 计算值39.0625

// 使能USART1
USART1->CR1 |= USART_CR1_UE;

步骤4：发送与接收函数

// 发送1字节
void UART1_SendByte(uint8_t data) {
    while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE));  // 等待发送寄存器为空
    USART1->DR = data;                     // 写入数据
}

// 接收1字节（查询方式）
uint8_t UART1_RecvByte(void) {
    while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE)); // 等待接收数据
    return USART1->DR;                     // 读取数据
}

// 发送字符串
void UART1_SendString(uint8_t *str) {
    while (*str) {
        UART1_SendByte(*str++);
    }
}

4.2 HAL库配置（基于STM32CubeMX）

步骤1：创建工程

打开STM32CubeMX，选择芯片型号（如STM32F103C8T6）；
配置RCC：选择HSE时钟（外部晶振），配置系统时钟为72MHz。

步骤2：配置USART1

在“Pinout & Configuration”中，左侧选择“Connectivity”→“USART1”；
模式选择“Asynchronous”（异步模式）；
参数配置：
- Baud Rate：115200；
- Word Length：8 Bits；
- Parity：None；
- Stop Bits：1；
- Flow Control：None；
自动生成引脚（PA9/TX，PA10/RX），若需重映射可在“System Core”→“GPIO”中修改。

步骤3：生成代码

配置工程路径和IDE（如Keil MDK）；
勾选“Generate peripheral initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per peripheral”；
点击“GENERATE CODE”生成工程。

步骤4：发送与接收函数

HAL库提供了以下核心函数：

// 发送1字节（阻塞式）
HAL_UART_Transmit(&huart1, &data, 1, 100);  // 超时100ms

// 接收1字节（阻塞式）
HAL_UART_Receive(&huart1, &data, 1, 100);   // 超时100ms

// 发送字符串
void UART1_SendString(uint8_t *str) {
    HAL_UART_Transmit(&huart1, str, strlen((char*)str), 100);
}

五、实战案例

5.1 案例1：串口回环测试（查询方式）

功能：STM32接收PC发送的数据，并原样返回。

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();  // 系统时钟配置（CubeMX生成）
    MX_USART1_UART_Init(); // USART1初始化（CubeMX生成）

    uint8_t data;
    while (1) {
        // 接收1字节
        HAL_UART_Receive(&huart1, &data, 1, 1000);
        // 发送接收到的字节
        HAL_UART_Transmit(&huart1, &data, 1, 100);
    }
}

测试方法：

用USB线连接CH340到PC，打开串口助手（如XCOM）；
配置波特率115200，无校验，1停止位；
发送任意字符，应收到相同字符。

5.2 案例2：中断接收（非阻塞）

查询方式会阻塞CPU，中断方式更高效。配置步骤：

步骤1：使能接收中断（CubeMX）

在USART1配置中，勾选“NVIC Settings”→“Enabled”（使能中断）；
生成代码后，HAL库会自动配置中断向量表。

步骤2：重写中断回调函数

uint8_t rx_data;  // 全局变量，存储接收数据

// 中断回调函数（HAL库自动调用）
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    if (huart == &huart1) {
        // 发送接收到的数据（回显）
        HAL_UART_Transmit(&huart1, &rx_data, 1, 100);
        // 重新开启中断接收（单次中断需手动重启）
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1);
    }
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_USART1_UART_Init();

    // 开启中断接收
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1);

    while (1) {
        // 主循环可执行其他任务
    }
}

5.3 案例3：DMA传输（高效批量收发）

DMA（直接存储器访问）可实现数据在USART与内存间的直接传输，无需CPU干预，适合大数据量传输。

步骤1：配置DMA（CubeMX）

在USART1配置中，“DMA Settings”→“Add”：
- 发送：Stream选择“DMA1 Stream4”（USART1_TX对应DMA1_Stream4），方向“Memory to Peripheral”；
- 接收：Stream选择“DMA1 Stream5”（USART1_RX对应DMA1_Stream5），方向“Peripheral to Memory”；
模式选择“Normal”（单次传输）或“Circular”（循环传输）。

步骤2：DMA发送示例

uint8_t tx_buf[] = "Hello, DMA!\r\n";

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_USART1_UART_Init();
    MX_DMA_Init();  // CubeMX生成的DMA初始化

    // DMA发送（非阻塞）
    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, tx_buf, sizeof(tx_buf)-1);

    while (1) {
        // 等待发送完成（可选）
        if (HAL_UART_GetState(&huart1) == HAL_UART_STATE_READY) {
            // 发送完成后可执行其他操作
        }
    }
}

步骤3：DMA循环接收（固定长度）

uint8_t rx_buf[10];  // 接收缓冲区

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_USART1_UART_Init();
    MX_DMA_Init();

    // 开启DMA循环接收（每次接收10字节）
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rx_buf, 10);

    while (1) {
        // 若需处理数据，可在回调函数中实现
    }
}

// DMA接收完成回调
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    if (huart == &huart1) {
        // 处理接收数据（如打印）
        HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, rx_buf, 10);
        // 循环模式下无需手动重启，自动重新填充缓冲区
    }
}

5.4 案例4：printf重定向（调试信息输出）

将标准库的printf函数重定向到UART，方便输出调试信息。

步骤1：重写fputc函数（HAL库）

#include <stdio.h>

// 重定向printf到USART1
int fputc(int ch, FILE *f) {
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)&ch, 1, 100);
    return ch;
}

步骤2：配置Keil（可选）

勾选“Use Micro LIB”（工程→Options→Target→Use Micro LIB），否则可能编译报错。

步骤3：使用示例

int main(void) {
    // 初始化代码...

    int temp = 25;
    printf("Temperature: %d℃\r\n", temp);  // 输出到串口
}

六、高级功能应用

6.1 单线半双工模式

在资源紧张时，可通过1根线实现发送和接收（同一时刻只能单向传输）。

配置步骤（寄存器级）：

// 使能单线半双工模式（CR3寄存器）
USART1->CR3 |= USART_CR3_HDSEL;  // 单线模式使能

// 引脚配置为复用推挽输出（同一引脚既作TX也作RX）
GPIOA->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE9 | GPIO_CRH_CNF9);
GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE9_1 | GPIO_CRH_MODE9_0 | GPIO_CRH_CNF9_1;

发送时直接调用发送函数，接收时需先切换为输入模式（或通过中断自动切换）。

6.2 多机通信（地址检测）

多个从机通过UART总线连接到主机，主机通过地址帧选择目标从机。

配置步骤：

从机使能地址检测：USART1->CR1 |= USART_CR1_MME;（多机模式使能）；
主机发送地址帧（第9位为1），从机仅响应匹配的地址；
地址匹配后，从机进入数据接收模式。

七、常见问题与调试技巧

7.1 通信失败的常见原因

波特率错误：
- 检查时钟频率是否正确（如系统时钟配置错误）；
- 重新计算BRR值（误差需≤3%）。
引脚配置错误：
- 确认TX/RX引脚是否接反；
- 复用功能是否正确（未配置为复用模式会导致无输出）；
- 输入引脚是否为浮空或上拉（下拉可能导致误触发）。
校验位/停止位不匹配：
- 双方必须配置相同的校验位和停止位（如主机8N1，从机也需8N1）。
中断未使能：
- 中断接收需使能RXNEIE（CR1寄存器）和NVIC中断。
接地问题：
- 未共地会导致电平参考不一致，通信不稳定。

7.2 调试工具与方法

串口助手：
- 用XCOM、SSCOM等工具发送数据，验证STM32的接收功能；
- 查看STM32发送的数据是否正确。
示波器/逻辑分析仪：
- 测量TX引脚波形，检查是否有信号输出；
- 观察波特率是否正确（1位时间=1/波特率，如115200对应约8.68μs）。
printf调试：
- 在关键步骤输出变量值（如“已进入中断”“接收数据：0xXX”）。
DMA调试：
- 检查DMA通道是否正确；
- 用HAL_DMA_GetState()查看DMA状态。

7.3 提升通信可靠性的技巧

添加帧头帧尾：
- 数据帧格式：0xAA + 长度 + 数据 + 校验和 + 0x55，避免数据粘连。
软件滤波：
- 对连续接收的相同数据进行校验（如连续3次相同才确认有效）。
超时处理：
- 接收时设置超时时间，超过时间未收到完整数据则丢弃。
使用中断+缓冲区：
- 中断接收数据到环形缓冲区，主程序从缓冲区读取，避免数据丢失。

八、总结与扩展

UART作为STM32中最基础的通信方式，是嵌入式开发的必备技能。本文从协议基础到实战案例，覆盖了UART的核心知识点，包括：

UART协议的帧结构与波特率；
STM32 USART外设的配置与寄存器；
硬件电路设计与电平转换；
寄存器级、HAL库、中断、DMA的实现方法；
常见问题与调试技巧。

实际开发中，需根据场景选择合适的传输方式（查询/中断/DMA），并注重通信的可靠性设计。进阶学习可探索：

低功耗模式下的UART唤醒；
高速波特率（如2Mbps）的稳定性优化；
多UART外设的并发管理。

掌握UART后，可进一步学习I2C、SPI等其他通信协议，构建更复杂的嵌入式系统。

附录：常用代码片段

环形缓冲区（中断接收用）：

#define BUF_SIZE 128
uint8_t uart_buf[BUF_SIZE];
uint8_t buf_head = 0, buf_tail = 0;

// 中断回调函数中写入缓冲区
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    uart_buf[buf_head] = rx_data;
    buf_head = (buf_head + 1) % BUF_SIZE;
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1);
}

// 读取缓冲区数据
uint8_t UART1_ReadBuf(uint8_t *data) {
    if (buf_head == buf_tail) return 0; // 空
    *data = uart_buf[buf_tail];
    buf_tail = (buf_tail + 1) % BUF_SIZE;
    return 1;
}

校验和计算：

// 计算字节数组的校验和（简单累加）
uint8_t CheckSum(uint8_t *data, uint8_t len) {
    uint8_t sum = 0;
    for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {
        sum += data[i];
    }
    return sum;
}

STM32中的UART详解

前言

一、UART协议基础

1.1 什么是UART？

1.2 UART通信帧结构

1.3 波特率与通信速率

1.4 UART通信方式

二、STM32 USART外设介绍

2.1 USART外设主要特性

2.2 引脚映射

2.3 时钟源

2.4 核心寄存器

2.5 波特率计算

三、硬件电路设计

3.1 电平标准

3.2 抗干扰设计

3.3 流控制（可选）

四、软件配置步骤

4.1 寄存器级配置（USART1，115200 8N1）

步骤1：使能时钟

步骤2：配置GPIO

步骤3：配置USART参数

步骤4：发送与接收函数

4.2 HAL库配置（基于STM32CubeMX）

步骤1：创建工程

步骤2：配置USART1

步骤3：生成代码

步骤4：发送与接收函数

五、实战案例

5.1 案例1：串口回环测试（查询方式）

5.2 案例2：中断接收（非阻塞）

步骤1：使能接收中断（CubeMX）

步骤2：重写中断回调函数

5.3 案例3：DMA传输（高效批量收发）

步骤1：配置DMA（CubeMX）

步骤2：DMA发送示例

步骤3：DMA循环接收（固定长度）

5.4 案例4：printf重定向（调试信息输出）

步骤1：重写fputc函数（HAL库）

步骤2：配置Keil（可选）

步骤3：使用示例

六、高级功能应用

6.1 单线半双工模式

6.2 多机通信（地址检测）

七、常见问题与调试技巧

7.1 通信失败的常见原因

7.2 调试工具与方法

7.3 提升通信可靠性的技巧

八、总结与扩展

附录：常用代码片段

网站公告

今日签到

热门文章

最新发布