在上一章中我们学习了 DMA 直接存储器存取了解了如何利用 DMA 在不占用 CPU 的情况下高效搬运数据。而数据搬运的最终目的往往是与外部设备进行通信。在嵌入式系统中串口USART是最常用、最基础的一种通信方式无论是调试信息输出、与上位机交互还是连接各类传感器模块串口都扮演着至关重要的角色。本文作为 STM32 标准库学习笔记的延续将系统讲解 USART 串口协议从通信接口、硬件电路、电平标准等基础概念到 USART 外设的框图、数据帧、波特率发生器等核心原理最后通过两个完整的实例带大家掌握串口发送与接收的实际应用。如果觉得有收获可以为我的文章点点小赞这将激励我创作更好的内容谢谢一、USART串口协议1.1 通信接口通信的目的将一个设备的数据传送到另一个设备扩展硬件系统通信协议制定通信的规则通信双方按照协议规则进行数据收发1.2 串口通信串口是一种应用十分广泛的通讯接口串口成本低、容易使用、通信线路简单可实现两个设备的互相通信单片机的串口可以使单片机与单片机、单片机与电脑、单片机与各式各样的模块互相通信极大地扩展了单片机的应用范围增强了单片机系统的硬件实力1.3 硬件电路简单双向串口通信有两根通信线发送端TX和接收端RXTX与RX要交叉连接当只需单向的数据传输时可以只接一根通信线当电平标准不一致时需要加电平转换芯片1.4 电平标准电平标准是数据1和数据0的表达方式是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系串口常用的电平标准有如下三种TTL电平3.3V或5V表示10V表示0RS232电平-3~-15V表示13~15V表示0RS485电平两线压差2~6V表示1-2~-6V表示0差分信号1.5 串口参数及时序波特率串口通信的速率起始位标志一个数据帧的开始固定为低电平数据位数据帧的有效载荷1为高电平0为低电平低位先行校验位用于数据验证根据数据位计算得来有以下三种情况1.无校验存在校验位但不使用校验位2.奇校验校验位会根据前面几位数据中1的数量进行置1或者置0.如果前面有奇 数个1则校验位置0保持前面的几位数据加上校验位共有奇数个1如果前面有 偶数个1则校验位置1保持前面的几位数据加上校验位共有奇数个13.偶校验原理与奇校验相同校验位会根据前面几位数据中1的数量进行置1或 者置0.如果前面有奇数个1则校验位置1保持前面的几位数据加上校验位共有偶数个1如果前面有偶数个1则校验位置0保持前面的几位数据加上校验位共有偶数个1停止位用于数据帧间隔固定为高电平1.6 串口时序1.7 USART简介USARTUniversal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter通用同步/异步收发器USART是STM32内部集成的硬件外设可根据数据寄存器的一个字节数据自动生成数据帧时序从TX引脚发送出去也可自动接收RX引脚的数据帧时序拼接为一个字节数据存放在数据寄存器里自带波特率发生器最高达4.5Mbits/s可配置数据位长度8/9、停止位长度0.5/1/1.5/2可选校验位无校验/奇校验/偶校验支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LINSTM32F103C8T6 USART资源 USART1、 USART2、 USART31.8 USART框图其中需要可以关注一下nRTSRequest To Send是请求发送是输出脚与nCTSClear To Send是清除发送是输入脚两个引脚的用法使用这两个引脚可以有效避免因数据传输过快导致的数据覆盖、丢失问题1.9 USART基本结构STM32串口发送控制当数据由数据寄存器转到移位寄存器时会置一个TXE的标志位STM32串口接收控制移完一帧数据后数据就会统一转运到接收数据寄存器在转移的同时置一个RXNE标志位USART串口数据收发这四个寄存器在软件被整合为一个DR寄存器写入DR时数据走如图上面的路线进行发送读取DR时数据走如图下面的路线进行接收1.10 数据帧1.11 起始位侦测1.12 数据采样1.13 波特率发生器发送器和接收器的波特率由波特率寄存器BRR里的DIV确定计算公式波特率 fPCLK2/1/ (16 * DIV)因为采样时采样时钟的频率是采样的频率的16倍所以输入时钟/DIV要等于16倍的波特率输入时钟经DIV分频后每采样16次才完成了一个波特的采样例如波特率9600 72M / (16 * DIV)则DIV 72M / 9600 / 16计算得出DIV 468.751.14 数据模式HEX模式/十六进制模式/二进制模式以原始数据的形式显示文本模式/字符模式以原始数据编码后的形式显示标准 ASCII 码对照表ASCII 字符编码表1.15 USB转TTL串口模块原理图1.16 实例一 9.1.1 串口发送※初始化USART基本流程第一步开启时钟把需要用的USART和GPIO的时钟打开第二步GPIO初始化把TX配置成复用输出RX配置成输入第三步配置USART直接使用一个结构体就可以把这里所有的参数都配置好了第四步如果你只需要发送的功能就直接开启USART初始化就结束了如果你需要接收的功能可能还需要配置中断那就在开启USART之前再加上ITConfig和NVIC的代码就行了得益于库函数的封装单片机内部的各种细节问题不需要我们操心。可能用到的库函数://初始化方面void USART_DeInit(USART_TypeDef* USARTx);void USART_Init(USART_TypeDef* USARTx, USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);void USART_StructInit(USART_InitTypeDef* USART_InitStruct);//配置同步时钟输出void USART_ClockInit(USART_TypeDef* USARTx, USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct);void USART_ClockStructInit(USART_ClockInitTypeDef* USART_ClockInitStruct);//Structlnit,结构体初始化void DMA_StructInit(DMA_InitTypeDef* DMA_InitStruct);//使能void USART_Cmd(USART_TypeDef* USARTx, FunctionalState NewState);//中断控制void USART_ITConfig(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT, FunctionalState NewState);//开启USART到DMA的触发通道void USART_DMACmd(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_DMAReq, FunctionalState NewState);//发送数据void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);//接收数据uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);//标志位相关函数FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);void USART_ClearFlag(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);ITStatus USART_GetITStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);void USART_ClearITPendingBit(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_IT);使用串口发送/接收中文字符数据时应该保证发送端和接收端中文的译码格式如UTF-8或是GB2312GBK必须相同如果在Keil的配置选项中配置编译器使用的中文编码是UTF-8就最好打开工程选项在C/C目录中在杂项控制栏中写上--no-multibyte-chars加上 --no-multibyte-chars 后编译器就会把中文字符当成普通的单字节无意义字符对待不再做严格的校验和转换从而强行让工程编译通过。能让Keil显示出正确的汉字Serial.c↓-----------------------------#include stm32f10x.h // Device header #include stdio.h #include stdarg.h /** * 函 数串口初始化 * 参 数无 * 返 回 值无 */ void Serial_Init(void) { /*开启时钟*/ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE); //开启USART1的时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启GPIOA的时钟 /*GPIO初始化*/ GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_9; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA,GPIO_InitStructure); //将PA9引脚初始化为复用推挽输出 /*USART初始化*/ USART_InitTypeDef USART_InitStructure; //定义结构体变量 USART_InitStructure.USART_BaudRate 9600; //波特率 USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl USART_HardwareFlowControl_None; //硬件流控制不需要 USART_InitStructure.USART_Mode USART_Mode_Tx; //模式选择为发送模式 USART_InitStructure.USART_Parity USART_Parity_No; //奇偶校验不需要 USART_InitStructure.USART_StopBits USART_StopBits_1;//停止位选择1位 USART_InitStructure.USART_WordLength USART_WordLength_8b;//字长选择8位 USART_Init(USART1,USART_InitStructure); //将结构体变量交给USART_Init配置USART1 /*USART使能*/ USART_Cmd(USART1,ENABLE); //使能USART1串口开始运行 } /** * 函 数串口发送一个字节 * 参 数Byte 要发送的一个字节 * 返 回 值无 */ void Serial_SendByte(uint8_t Byte) { USART_SendData(USART1,Byte); //将字节数据写入数据寄存器写入后USART自动生成时序波形 while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) RESET ); //等待发送完成 /*下次写入数据寄存器会自动清除发送完成标志位故此循环后无需清除标志位*/ } /** * 函 数串口发送一个数组 * 参 数Array 要发送数组的首地址 * 参 数Length 要发送数组的长度 * 返 回 值无 */ void Serial_SendArray(uint8_t *Array,uint16_t Length) { uint16_t i; for(i0;iLength;i) //遍历数组 { Serial_SendByte(Array[i]); //依次调用Serial_SendByte发送每个字节数据 } } /** * 函 数串口发送一个字符串 * 参 数String 要发送字符串的首地址 * 返 回 值无 */ void Serial_SendString(char *String) { uint8_t i; for(i0;String[i] ! \0;i)//遍历字符数组字符串遇到字符串结束标志位后停止 { Serial_SendByte(String[i]); //依次调用Serial_SendByte发送每个字节数据 } } /** * 函 数次方函数内部使用 * 返 回 值返回值等于X的Y次方 */ uint32_t Serial_Pow(uint32_t X,uint32_t Y) { uint32_t Result 1; //设置结果初值为1 while(Y--) //执行Y次 { Result * X; //将X累乘到结果 } return Result; } /** * 函 数串口发送数字 * 参 数Number 要发送的数字范围0~4294967295 * 参 数Length 要发送数字的长度范围0~10 * 返 回 值无 */ void Serial_SendNumber(uint32_t Number,uint8_t Length) { uint8_t i; for(i0;iLength;i) //根据数字长度遍历数字的每一位 { Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10,Length-i-1) %10 0);//依次调用Serial_SendByte发送每位数字 } } /** * 函 数使用printf需要重定向的底层函数 * 参 数保持原始格式即可无需变动 * 返 回 值保持原始格式即可无需变动 */ int fputc(int ch,FILE *f) { Serial_SendByte(ch); //将printf的底层重定向到自己的发送字节函数 return ch; } /** * 函 数自己封装的prinf函数 * 参 数format 格式化字符串 * 参 数... 可变的参数列表 * 返 回 值无 */ void Serial_Printf(char *format, ...) { char String[100]; //定义字符数组 va_list arg; //定义可变参数列表数据类型的变量arg va_start(arg,format); //从format开始接收参数列表到arg变量 vsprintf(String,format,arg);//使用vsprintf打印格式化字符串和参数列表到字符数组中 va_end(arg); //结束变量arg Serial_SendString(String); //串口发送字符数组字符串 }-----------------------------main.c↓-----------------------------#include stm32f10x.h // Device header #include Delay.h #include OLED.h #include Serial.h int main(void) { OLED_Init(); Serial_Init(); Serial_SendByte(0x41); uint8_t MyArray[] {0x42,0x43,0x44,0x45}; Serial_SendArray(MyArray,4); Serial_SendString(\r\nNum1); Serial_SendNumber(015,3); printf(\r\nNum2%d,016); char String[100]; sprintf(String,\r\nNum3%d\r\n,017); Serial_SendString(String); Serial_Printf(你好世界\r\n); while(1) { } }-----------------------------1.17 实例二 9.2.1 串口发送接收Serial.c↓-----------------------------#include stm32f10x.h // Device header #include stdio.h #include stdarg.h uint8_t Serial_RxDate; //定义串口接收的数据变量 uint8_t Serial_RxFlag; //定义串口接收的标志位变量 /** * 函 数串口初始化 * 参 数无 * 返 回 值无 */ void Serial_Init(void) { /*开启时钟*/ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE); //开启USART1的时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启GPIOA的时钟 /*GPIO初始化*/ GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_9 ; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA,GPIO_InitStructure); //将PA9引脚初始化为复用推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_IPU; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_10 ; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA,GPIO_InitStructure); //将PA10引脚初始化为上拉输入 USART_InitTypeDef USART_InitStructure; //定义结构体变量 USART_InitStructure.USART_BaudRate 9600; //波特率 USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl USART_HardwareFlowControl_None; //硬件流控制不需要 USART_InitStructure.USART_Mode USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx; //模式发送模式和接收模式均选择 USART_InitStructure.USART_Parity USART_Parity_No; //奇偶校验不需要 USART_InitStructure.USART_StopBits USART_StopBits_1; //停止位选择1位 USART_InitStructure.USART_WordLength USART_WordLength_8b; //字长选择8位 USART_Init(USART1,USART_InitStructure); //将结构体变量交给USART_Init配置USART1 /*中断输出配置*/ USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE); //开启串口接收数据的中断 /*NVIC中断分组*/ NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //配置NVIC为分组2 /*NVIC配置*/ NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; //定义结构体变量 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel USART1_IRQn; //选择配置NVIC的USART1线 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd ENABLE; //指定NVIC线路使能 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority 1;//指定NVIC线路的抢占优先级为1 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority 1;//指定NVIC线路的响应优先级为1 NVIC_Init(NVIC_InitStructure); //将结构体变量交给NVIC_Init配置NVIC外设 /*USART使能*/ USART_Cmd(USART1,ENABLE); //使能USART1串口开始运行 } /** * 函 数串口发送一个字节 * 参 数Byte 要发送的一个字节 * 返 回 值无 */ void Serial_SendByte(uint8_t Byte) { USART_SendData(USART1,Byte); //将字节数据写入数据寄存器写入后USART自动生成时序波形 while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) RESET );//等待发送完成 /*下次写入数据寄存器会自动清除发送完成标志位故此循环后无需清除标志位*/ } /** * 函 数串口发送一个数组 * 参 数Array 要发送数组的首地址 * 参 数Length 要发送数组的长度 * 返 回 值无 */ void Serial_SendArray(uint8_t *Array,uint16_t Length) { uint16_t i; for(i0;iLength;i) //遍历数组 { Serial_SendByte(Array[i]); //依次调用Serial_SendByte发送每个字节数据 } } /** * 函 数串口发送一个字符串 * 参 数String 要发送字符串的首地址 * 返 回 值无 */ void Serial_SendString(char *String) { uint8_t i; for(i0;String[i] ! \0;i) //遍历字符数组字符串遇到字符串结束标志位后停止 { Serial_SendByte(String[i]); //依次调用Serial_SendByte发送每个字节数据 } } /** * 函 数次方函数内部使用 * 返 回 值返回值等于X的Y次方 */ uint32_t Serial_Pow(uint32_t X,uint32_t Y) { uint32_t Result 1; //设置结果初值为1 while(Y--) //执行Y次 { Result * X; //将X累乘到结果 } return Result; } /** * 函 数串口发送数字 * 参 数Number 要发送的数字范围0~4294967295 * 参 数Length 要发送数字的长度范围0~10 * 返 回 值无 */ void Serial_SendNumber(uint32_t Number,uint8_t Length) { uint8_t i; for(i0;iLength;i) //根据数字长度遍历数字的每一位 { Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10,Length-i-1) %10 0); //依次调用Serial_SendByte发送每位数字 } } /** * 函 数使用printf需要重定向的底层函数 * 参 数保持原始格式即可无需变动 * 返 回 值保持原始格式即可无需变动 */ int fputc(int ch,FILE *f) { Serial_SendByte(ch); //将printf的底层重定向到自己的发送字节函数 return ch; } /** * 函 数自己封装的prinf函数 * 参 数format 格式化字符串 * 参 数... 可变的参数列表 * 返 回 值无 */ void Serial_Printf(char *format, ...) { char String[100]; //定义字符数组 va_list arg; //定义可变参数列表数据类型的变量arg va_start(arg,format); //从format开始接收参数列表到arg变量 vsprintf(String,format,arg);//使用vsprintf打印格式化字符串和参数列表到字符数组中 va_end(arg); //结束变量arg Serial_SendString(String); //串口发送字符数组字符串 } /** * 函 数获取串口接收标志位 * 参 数无 * 返 回 值串口接收标志位范围0~1接收到数据后标志位置1读取后标志位自动清零 */ uint8_t Serial_GetRxFlag(void) { if(Serial_RxFlag 1) //如果标志位为1 { Serial_RxFlag 0; return 1; //则返回1并自动清零标志位 } return 0; //如果标志位为0则返回0 } /** * 函 数获取串口接收的数据 * 参 数无 * 返 回 值接收的数据范围0~255 */ uint8_t Serial_GetRxDate(void) { return Serial_RxDate; //返回接收的数据变量 } /** * 函 数USART1中断函数 * 参 数无 * 返 回 值无 * 注意事项此函数为中断函数无需调用中断触发后自动执行 * 函数名为预留的指定名称可以从启动文件复制 * 请确保函数名正确不能有任何差异否则中断函数将不能进入 */ void USART1_IRQHandler(void) { if ( USART_GetFlagStatus(USART1,USART_IT_RXNE)SET ) //判断是否是USART1的接收事件触发的中断 { Serial_RxDate USART_ReceiveData(USART1); //读取数据寄存器存放在接收的数据变量 Serial_RxFlag 1; //置接收标志位变量为1 USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE); //清除USART1的RXNE标志位 //读取数据寄存器会自动清除此标志位 //如果已经读取了数据寄存器也可以不执行此代码 } }-----------------------------main.c↓-----------------------------#include stm32f10x.h // Device header #include Delay.h #include OLED.h #include Serial.h uint8_t RxDate; int main(void) { OLED_Init(); Serial_Init(); OLED_ShowString(1,1,RxDate:); while(1) { if( Serial_GetRxFlag()1 ) { RxDate Serial_GetRxDate(); Serial_SendByte(RxDate); OLED_ShowHexNum(1,8,RxDate,2); } } }-----------------------------二、总结本文围绕 STM32 的 USART 串口通信展开从通信接口的基本概念出发系统梳理了串口通信的硬件电路、电平标准、串口参数及时序等基础知识并深入讲解了 USART 外设的框图、基本结构、数据帧格式、起始位侦测、数据采样、波特率发生器以及数据模式等核心原理。在实践层面本文给出了两个完整的实例一是串口发送演示了 USART 初始化流程以及通过库函数发送字节、数组、字符串和数字的方法二是串口发送加接收结合中断方式实现了数据的接收与回显并配合 OLED 进行显示。通过这两个实例可以直观地掌握 USART 从配置到实际应用的完整流程。总的来说USART 作为 STM32 内部集成的硬件外设凭借其成本低、易使用、通信线路简单的特点在单片机与单片机、单片机与电脑以及各类模块之间的通信中发挥着重要作用。掌握 USART 的配置方法和收发机制是进行嵌入式系统开发的一项基础且重要的技能。希望本文的内容能帮助读者更好地理解和运用 STM32 的串口通信功能。都看到这了点点赞吧