串口通信 USART

🎯学习目标

• 理解通信的基本概念，了解常见串行通信接口；
• 熟悉标准库和 HAL 库中 USART 的库函数；
• 掌握 USART 标准库异步模式的配置方法；
• 掌握查询方式、中断方式、DMA 方式三种应用；
• 掌握基于标准库和 HAL 库开发 USART 应用的方法。

1通信方式分类

通信方式可从三个维度分类：

串行 vs 并行

2同步/异步 · 三种工作方式

同步通信 vs 异步通信

单工 / 半双工 / 全双工

3通信传输速率与波特率

• 传输速率（比特率）：每秒传输的二进制位数，单位 bit/s（bps），衡量速度快慢。
• 字符速率：每秒所传输的字符数。
• 波特率 = 字符速率 × 每个字符包含的位数。

4异步串行通信数据帧格式 ⭐（核心考点）

异步串行通信的标准数据帧由起始位、数据位、校验位、停止位四部分组成。通信传输速率与数据帧格式一起称为通信协议。

5UART 与 RS-232

UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用异步收发传输器）是全双工通用异步串行收/发模块，用于打印调试信息、上下位机通信、ISP 下载等。

RS-232 接口

RS-232 是美国电子工业协会(EIA)制定的串行通信物理接口标准，规定电气和物理特性，常采用 DB-9 形式。对可靠性要求不高时用三线制（Tx/Rx/GND）即可全双工通信，最高速率约 20kbps。

6STM32 的 USART 内部结构

USART 内部由三部分构成：波特率发生器、发送/接收控制单元、数据收发寄存器单元。

关键状态位（SR 寄存器）

USART 接口与引脚

STM32F103 大容量产品有 5 个串口：USART1/2/3 功能全，UART4/UART5 不支持同步模式（只有异步功能）。USART 异步模式至少需 Rx、Tx 两个引脚，使用复用 I/O 功能。

7USART 三种编程模式 ⭐（核心考点）

中断方式：主要中断事件

发送期间：发送完成(TC)、清除发送(CTS)、发送数据寄存器空(TXE)；接收期间：空闲检测(IDLE)、溢出错误(ORE)、接收数据寄存器非空(RXNE)、校验错误(PE)等。

DMA 方式

USART 收发分别映射到不同 DMA 通道，如 USART1_Rx → DMA1 通道5，USART1_Tx → DMA1 通道4，适合大批量数据连续传输。

8USART 标准库函数与编程步骤

USART 标准库函数定义在 stm32f10x_usart.c，头文件声明共 29 种函数。

初始化结构体

typedef struct {
  uint32_t USART_BaudRate;          // 波特率，如 115200
  uint16_t USART_WordLength;        // 数据位 8b/9b
  uint16_t USART_StopBits;          // 停止位 1/0.5/2/1.5
  uint16_t USART_Parity;            // 校验 No/Even/Odd
  uint16_t USART_Mode;              // Rx / Tx
  uint16_t USART_HardwareFlowControl; // 硬件流控
} USART_InitTypeDef;

常用库函数

标准库配置步骤（7 步）

9UART 的 HAL 库函数

HAL 库 UART 函数定义在 stm32f1xx_hal_uart.c。三种收发方式各有对应函数：

中断接收完成会回调 HAL_UART_RxCpltCallback()，发送完成回调 HAL_UART_TxCpltCallback()，用户在回调内编写处理程序。

⭐重点例题

void USART_Init_Config(void) {
  GPIO_InitTypeDef gp; USART_InitTypeDef us;
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
  // PA9 = TX 复用推挽输出
  gp.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9; gp.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
  gp.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_Init(GPIOA,&gp);
  // PA10 = RX 浮空输入
  gp.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10; gp.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(GPIOA,&gp);
  // 115200 / 8位 / 1停止 / 无校验 / 收发
  us.USART_BaudRate=115200; us.USART_WordLength=USART_WordLength_8b;
  us.USART_StopBits=USART_StopBits_1; us.USART_Parity=USART_Parity_No;
  us.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None;
  us.USART_Mode=USART_Mode_Rx|USART_Mode_Tx;
  USART_Init(USART1,&us); USART_Cmd(USART1,ENABLE);
}
int main(void){
  char Temp; USART_Init_Config();
  while(1){
    if(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_RXNE)){   // 收到数据
      Temp=USART_ReceiveData(USART1);
      USART_SendData(USART1,Temp);                     // 原样回发
      while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET); // 等发完
    }
  }
}

int fputc(int ch, FILE *f) {           // printf 重定向
  USART_SendData(USART1, (uint8_t)ch);
  while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE)==RESET); // 等寄存器空
  return ch;
}
int fgetc(FILE *f) {                   // scanf/getchar 重定向
  while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_RXNE)==RESET);
  return (int)USART_ReceiveData(USART1);
}
// 之后即可: printf("点亮LED灯\n"); ch=getchar();

/* main 中开启接收中断 */
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t*)&RxBuffer, 1);
/* 接收完成回调：回发并重新开启接收 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart){
  HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t*)&RxBuffer,1,0);
  HAL_UART_Receive_IT(&huart1,(uint8_t*)&RxBuffer,1); // 必须重新开启
}

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