1. 串口基础概念

1.1 USART 和 UART 的区别

• USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）
  • 既支持 同步（带时钟线）也支持 异步（无时钟线）通信模式。
  • 在 STM32 上，一般用作异步通信，所以常称作 UART。
• UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）
  • 只支持异步通信，不需要额外的时钟信号，常用于与 PC 串口、传感器等通信。

在 STM32 中，USART 可以配置为 UART 模式，因此一般不区分二者，统一称为 UART。

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2. 串口通信原理

2.1 串口通信特性

• 异步通信：没有时钟信号，依靠双方约定的波特率（Baud Rate）进行数据传输。
• 数据格式：包括起始位、数据位、校验位（可选）、停止位。
• 全双工：TX（发送）、RX（接收）两条独立的通信线。
• 波特率（Baud Rate）：常见波特率有 9600、115200 等。
• 电平：单端。
• 双工类型：全双工。

2.2 串口通信时序

一个标准的 8N1（8 位数据，无校验，1 位停止位）格式的串口数据帧结构如下：

• 起始位：1 位，低电平（0）。
• 数据位：一般 8 位（可选 5~9 位）。
• 校验位：可选（奇偶校验）。
• 停止位：1 或 2 位，高电平（1）。

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3. STM32 串口（USART/UART）硬件

3.1 硬件框图

STM32 串口硬件模块包含：

• TX/RX：发送与接收引脚。
• 波特率发生器：用于生成 UART 传输速率。
• 发送/接收 FIFO：提高吞吐量，避免丢包。
• 中断/DMA：支持中断和 DMA 方式，提高效率。

3.2 STM32 常见串口引脚

不同 STM32 芯片的 USART 可能占用不同的 GPIO 端口。以 STM32F103C8T6 为例：

串口	TX	RX
USART1	PA9	PA10
USART2	PA2	PA3
USART3	PB10	PB11

在 STM32F4、F7、H7 等系列中，串口可能多达 6 个甚至更多。

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4. STM32 串口编程

4.1 初始化步骤

1. 配置 GPIO 端口
   • TX 设为 复用推挽输出（AF_PP）。
   • RX 设为 浮空输入 或 上拉输入。
2. 初始化 USART 外设
   • 设定波特率（Baud Rate）。
   • 设定数据格式（8 位数据位、无校验、1 个停止位）。
   • 使能 UART。
3. 配置中断或 DMA（可选）
   • 使能 UART 中断（如接收中断）。
   • 或者使用 DMA 传输数据，提高效率。

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5. STM32 串口编程示例

5.1 使用 HAL 库

① 配置串口（HAL_UART_Init）

UART_HandleTypeDef huart1;

void USART1_UART_Init(void) {
    __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();  // 使能串口时钟
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();   // 使能 GPIO 时钟

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    // 配置 PA9 为 USART1 TX
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // 配置 PA10 为 USART1 RX
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    huart1.Instance = USART1;
    huart1.Init.BaudRate = 115200;  // 波特率
    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;  // 8 位数据
    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;  // 1 个停止位
    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;  // 无校验
    huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;  // 发送和接收模式
    huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;  // 无流控
    huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    HAL_UART_Init(&huart1);  // 初始化 UART
}

② 发送数据

uint8_t data[] = "Hello, UART!\r\n";
HAL_UART_Transmit(&huart1, data, sizeof(data) - 1, HAL_MAX_DELAY);

③ 接收数据

uint8_t rxData;
HAL_UART_Receive(&huart1, &rxData, 1, HAL_MAX_DELAY);

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6. 高级功能

6.1 使用中断方式

• 在数据接收时触发中断，提高 CPU 响应速度。

HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rxData, 1);

• 实现回调函数：

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    if (huart->Instance == USART1) {
        HAL_UART_Transmit(&huart1, &rxData, 1, HAL_MAX_DELAY); // 回显
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rxData, 1);  // 继续接收
    }
}

6.2 使用 DMA 方式

• 适用于大数据传输，降低 CPU 占用率。

HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, txBuffer, sizeof(txBuffer));
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rxBuffer, sizeof(rxBuffer));

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7. 调试技巧

1. 串口助手：使用 PC 端串口调试工具（如 SecureCRT、SSCOM、PUTTY）。
2. 逻辑分析仪：查看 TX、RX 波形，确认波特率是否正确。
3. 检查硬件连接：确保 TX 接 RX，RX 接 TX，GND 连接。

波形图参考：

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8. 总结

• STM32 串口通信广泛应用于嵌入式调试、外设通信等。
• 可以使用 轮询、中断 或 DMA 方式进行数据传输。
• 使用 HAL 库 或 寄存器 编程都能实现串口通信，HAL 库较为方便。