STM32中的UART详解
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）：
（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：
- 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 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。
- 数据帧格式：
-
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;
}