STM32单片机串口通信：10个实用技巧，让你的通信更流畅

# 1. STM32单片机串口通信简介

串口通信是嵌入式系统中常用的通信方式，它是一种异步通信方式，使用单根信号线进行数据传输。STM32单片机内置了丰富的串口资源，支持多种串口通信协议，可以广泛应用于各种嵌入式系统中。

本篇文章将详细介绍STM32单片机的串口通信，包括串口通信的原理、协议、硬件接口、编程实战、常见问题及解决方法、高级应用和案例分析等内容。通过学习本篇文章，读者可以全面掌握STM32单片机的串口通信技术，并能够熟练应用串口通信技术进行嵌入式系统开发。

# 2. 串口通信的理论基础

### 2.1 串口通信原理

串口通信是一种异步通信方式，数据以串行的方式逐位发送和接收。在串口通信中，数据被分解成一个个比特位，并通过一根或多根信号线传输。

串口通信的原理如下：

1. **数据发送：**发送端将数据分解成比特位，并通过发送线发送出去。每个比特位对应一个时间单位，称为比特时间。
2. **数据接收：**接收端通过接收线接收比特位，并将其重新组装成数据。接收端使用一个时钟信号来同步接收比特位。

### 2.2 串口通信协议

串口通信协议定义了数据传输的规则，包括：

- **波特率：**数据传输速率，单位为比特/秒。
- **数据位：**每个字符的比特数，通常为 5、6、7 或 8 位。
- **停止位：**字符末尾的停止位数，通常为 1 或 2 位。
- **奇偶校验：**用于检测数据传输错误的校验机制。

### 2.3 串口通信硬件接口

串口通信需要使用专门的硬件接口，称为串口控制器（UART）。UART 负责数据的发送和接收，以及协议的实现。

UART 通常具有以下引脚：

- **TXD：**发送数据引脚
- **RXD：**接收数据引脚
- **CTS：**清除发送（可选）
- **RTS：**请求发送（可选）

**代码块：**

# UART 初始化代码

# 波特率：115200
# 数据位：8 位
# 停止位：1 位
# 奇偶校验：无

uart = UART(1, 115200, 8, 1, UART.PARITY_NONE)

**逻辑分析：**

该代码初始化了一个 UART 对象，并设置了波特率、数据位、停止位和奇偶校验等参数。

**参数说明：**

- `uart`：UART 对象
- `1`：UART 编号
- `115200`：波特率
- `8`：数据位
- `1`：停止位
- `UART.PARITY_NONE`：奇偶校验模式，无奇偶校验

# 3.1 串口初始化和配置

### 3.1.1 串口初始化

STM32单片机的串口初始化主要包括以下步骤：

1. **使能串口时钟：**在RCC寄存器中使能对应串口的时钟。
2. **配置串口引脚：**配置串口发送和接收引脚为复用功能，并连接到相应的GPIO端口。
3. **配置波特率：**设置串口波特率，通常使用USART_BRR寄存器。
4. **配置数据格式：**设置数据位、停止位、校验位等数据格式，通常使用USART_CR1寄存器。
5. **配置中断：**根据需要配置串口中断，通常使用USART_CR1和USART_CR2寄存器。

**代码块：**

// 使能串口1时钟
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;

// 配置串口1引脚
GPIOA->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE9 | GPIO_CRH_CNF9);
GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE9_1 | GPIO_CRH_CNF9_1;

// 配置串口1波特率为9600
USART1->BRR = 0x341;

// 配置串口1数据格式为8位数据位、1位停止位、无校验位
USART1->CR1 &= ~(USART_CR1_M | USART_CR1_PCE | USART_CR1_PS);
USART1->CR1 |= USART_CR1_TE | USART_CR1_RE;

// 使能串口1接收中断
USART1->CR1 |= USART_CR1_RXNEIE;

**逻辑分析：**

* RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;：使能串口1时钟。
* GPIOA->CRH &= ~(GPIO_CRH_MODE9 | GPIO_CRH_CNF9);：清除GPIOA引脚9的模式和配置位。
* GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE9_1 | GPIO_CRH_CNF9_1;：配置GPIOA引脚9为复用功能，连接到串口1。
* USART1->BRR = 0x341;：设置串口1波特率为9600。
* USART1->CR1 &= ~(USART_CR1_M | USART_CR1_PCE | USART_CR1_PS);：清除数据位、校验位和停止位配置。
* USART1->CR1 |= USART_CR1_TE | USART_CR1_RE;：使能串口1发送和接收。
* USART1->CR1 |= USART_CR1_RXNEIE;：使能串口1接收中断。

### 3.1.2 串口配置

串口初始化后，还可以根据需要进行以下配置：

* **配置流控：**使用USART_CR3寄存器配置硬件流控或软件流控。
* **配置超时：**使用USART_CR2寄存器配置发送和接收超时。
* **配置唤醒：**使用USART_CR1寄存器配置串口唤醒模式。
* **配置DMA：**使用USART_CR3寄存器配置串口与DMA的连接。

**代码块：**

// 配置串口1硬件流控
USART1->CR3 |= USART_CR3_RTSE | USART_CR3_CTSE;

// 配置串口1发送超时为100ms
USART1->CR2 |= USART_CR2_TXTOEN;
USART1->CR2 &= ~USART_CR2_TXTO;
USART1->CR2 |= 0x64;

// 配置串口1唤醒模式为IDLE线检测
USART1->CR1 |= USART_CR1_WFE | USART_CR1_IDLEIE;

// 配置串口1与DMA1通道2连接
USART1->CR3 |= USART_CR3_DMAT | USART_CR3_DMAR;

**逻辑分析：**

* USART1->CR3 |= USART_CR3_RTSE | USART_CR3_CTSE;：使能串口1硬件流控。
* USART1->CR2 |= USART_CR2_TXTOEN;：使能串口1发送超时。
* USART1->CR2 &= ~USART_CR2_TXTO;：清除发送超时值。
* USART1->CR2 |= 0x64;：设置发送超时值为100ms。
* USART1->CR1 |= USART_CR1_WFE | USART_CR1_IDLEIE;：使能串口1唤醒模式为IDLE线检测。
* USART1->CR3 |= USART_CR3_DMAT | USART_CR3_DMAR;：配置串口1与DMA1通道2连接。

# 4. 串口通信常见问题及解决方法

### 4.1 串口通信无法建立

**问题描述：**

串口通信无法建立，发送和接收数据时没有响应。

**可能原因：**

* **硬件连接错误：**检查串口线缆连接是否正确，确保发送器和接收器之间的连接正确。
* **波特率不匹配：**发送器和接收器的波特率必须匹配，否则无法建立通信。
* **数据位、停止位、校验位不匹配：**发送器和接收器的串口参数必须一致，包括数据位、停止位和校验位。
* **串口引脚配置错误：**检查串口引脚是否正确配置为串口功能。
* **供电问题：**确保串口设备有足够的供电。

**解决方法：**

* 检查并重新连接串口线缆。
* 确保发送器和接收器的波特率匹配。
* 检查并配置串口参数，包括数据位、停止位和校验位。
* 检查串口引脚是否正确配置。
* 检查并确保串口设备有足够的供电。

### 4.2 串口通信数据传输错误

**问题描述：**

串口通信数据传输错误，接收到的数据与发送的数据不一致。

**可能原因：**

* **噪声干扰：**串口通信线路可能受到噪声干扰，导致数据传输错误。
* **数据帧错误：**数据帧可能损坏，导致接收器无法正确解析数据。
* **校验错误：**如果使用校验位，则校验错误可能导致数据传输错误。
* **缓冲区溢出：**接收器缓冲区可能溢出，导致数据丢失。

**解决方法：**

* 减少噪声干扰，例如使用屏蔽线缆或隔离器。
* 检查并修复数据帧错误。
* 检查并修复校验错误。
* 增加接收器缓冲区大小。

### 4.3 串口通信中断处理异常

**问题描述：**

串口通信中断处理异常，中断无法正常触发或处理。

**可能原因：**

* **中断配置错误：**中断向量表或中断优先级配置错误。
* **中断服务程序异常：**中断服务程序中可能存在异常，导致中断处理失败。
* **硬件故障：**串口硬件可能故障，导致中断无法正常触发。

**解决方法：**

* 检查并修复中断配置错误。
* 检查并修复中断服务程序异常。
* 检查并修复串口硬件故障。

# 5. STM32单片机串口通信高级应用

### 5.1 串口通信与DMA结合使用

DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问）是一种数据传输技术，它允许外设直接与存储器进行数据交换，而无需CPU的干预。在串口通信中，使用DMA可以大大提高数据传输效率。

**操作步骤：**

1. **配置DMA通道：**选择一个DMA通道，并配置其源地址（串口接收/发送缓冲区）、目的地址（存储器地址）、传输大小、传输方向等参数。
2. **配置串口：**使能串口DMA请求，并选择相应的DMA通道。
3. **启动DMA传输：**启动DMA通道，DMA控制器将自动进行数据传输。

**代码示例：**

// DMA初始化
DMA_InitTypeDef DMA_InitStruct;
DMA_InitStruct.Channel = DMA_Channel_4;
DMA_InitStruct.Direction = DMA_DIR_PeripheralToMemory;
DMA_InitStruct.PeriphInc = DMA_PINC_Disable;
DMA_InitStruct.MemInc = DMA_MINC_Enable;
DMA_InitStruct.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_Byte;
DMA_InitStruct.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_Byte;
DMA_InitStruct.Mode = DMA_Mode_Normal;
DMA_InitStruct.Priority = DMA_Priority_High;
DMA_InitStruct.FIFOMode = DMA_FIFOMode_Disable;
DMA_InitStruct.FIFOThreshold = DMA_FIFOThreshold_HalfFull;
DMA_InitStruct.MemBurst = DMA_MBURST_Single;
DMA_InitStruct.PeriphBurst = DMA_PBURST_Single;
HAL_DMA_Init(&DMA_Handle, &DMA_InitStruct);

// 串口DMA使能
LL_USART_EnableDMAReq_RX(USART1);

**逻辑分析：**

* DMA初始化：配置DMA通道的参数，包括传输方向、数据对齐方式、传输模式等。
* 串口DMA使能：使能串口DMA请求，选择DMA通道。
* DMA传输启动：启动DMA通道，DMA控制器将自动进行数据传输。

### 5.2 串口通信与定时器结合使用

定时器是一种用于产生定时中断或脉冲输出的外设。在串口通信中，定时器可以用于：

* **波特率生成：**定时器可以产生波特率时钟，用于串口通信的时序控制。
* **数据帧定时：**定时器可以用于检测串口数据帧的开始位、停止位和数据位，并产生相应的中断。

**操作步骤：**

1. **配置定时器：**选择一个定时器，并配置其时钟源、分频系数、计数模式等参数。
2. **配置串口：**使能串口定时器模式，并选择相应的定时器。
3. **启动定时器：**启动定时器，定时器将产生定时中断或脉冲输出。

**代码示例：**

// 定时器初始化
TIM_HandleTypeDef htim1;
htim1.Instance = TIM1;
htim1.Init.Prescaler = 84-1;
htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim1.Init.Period = 1000-1;
htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
htim1.Init.RepetitionCounter = 0;
HAL_TIM_Base_Init(&htim1);

// 串口定时器模式使能
LL_USART_EnableIT_RXNE(USART1);
LL_USART_EnableIT_TC(USART1);

**逻辑分析：**

* 定时器初始化：配置定时器的时钟源、分频系数、计数模式等参数。
* 串口定时器模式使能：使能串口定时器模式，选择TIM1定时器。
* 定时器启动：启动TIM1定时器，定时器将产生定时中断。

### 5.3 串口通信与协议栈结合使用

协议栈是一组用于实现特定通信协议的软件模块。在串口通信中，协议栈可以用于：

* **解析串口数据帧：**协议栈可以解析串口数据帧，提取出数据、校验和等信息。
* **生成串口数据帧：**协议栈可以根据数据生成串口数据帧，并添加校验和等信息。
* **处理通信协议：**协议栈可以处理通信协议，如Modbus、CAN等，实现特定通信功能。

**操作步骤：**

1. **选择协议栈：**选择一个合适的协议栈，并将其集成到应用程序中。
2. **配置协议栈：**配置协议栈的参数，如波特率、校验方式等。
3. **使用协议栈：**使用协议栈提供的函数解析数据帧、生成数据帧、处理通信协议。

**代码示例：**

// Modbus协议栈初始化
modbus_t *mb;
mb = modbus_new_rtu("/dev/ttyUSB0", 9600, 'N', 8, 1);
modbus_set_debug(mb, TRUE);

// 读取寄存器值
uint16_t reg_value;
int rc = modbus_read_registers(mb, 0, 1, &reg_value);

**逻辑分析：**

* Modbus协议栈初始化：创建Modbus协议栈对象，并配置串口参数。
* 读取寄存器值：使用Modbus协议栈提供的函数读取寄存器值。

# 6. STM32单片机串口通信案例分析

### 6.1 串口通信与上位机交互

**应用场景：**

STM32单片机与上位机（如PC机）通过串口进行数据交互，实现远程控制、数据采集等功能。

**实现步骤：**

1. **上位机软件开发：**
- 使用C#、Python等语言开发上位机软件，建立串口连接，发送和接收数据。
- 设计图形界面，实现数据显示、控制命令发送等功能。

2. **STM32单片机程序开发：**
- 初始化串口，配置波特率、数据位、停止位等参数。
- 实现数据接收和发送函数，处理上位机发送的命令，并返回相应的数据。

3. **串口连接：**
- 使用RS232或USB转串口模块，将STM32单片机与上位机连接。
- 确保两端的串口参数（波特率、数据位等）一致。

**示例代码：**

// STM32单片机代码
#include "stm32f10x.h"

// 串口初始化
void USART_Init(void) {
    // ...
}

// 串口数据接收
void USART_Receive(uint8_t *data) {
    // ...
}

// 串口数据发送
void USART_Send(uint8_t *data) {
    // ...
}

// ...

// 上位机软件代码
using System;
using System.IO.Ports;

namespace SerialCommunication {
    class Program {
        static void Main(string[] args) {
            // 串口连接
            SerialPort serialPort = new SerialPort("COM1", 9600, Parity.None, 8, StopBits.One);
            serialPort.Open();

            // 数据交互
            while (true) {
                // 从上位机接收数据
                string data = serialPort.ReadLine();
                Console.WriteLine("Received data: " + data);

                // 向单片机发送数据
                serialPort.WriteLine("Hello from PC");
            }
        }
    }
}

### 6.2 串口通信与传感器通信

**应用场景：**

STM32单片机与传感器（如温湿度传感器、光照传感器）通过串口进行数据交互，采集环境数据。

**实现步骤：**

1. **传感器选择：**
- 根据测量需求选择合适的传感器，确保其支持串口通信。

2. **STM32单片机程序开发：**
- 初始化串口，配置波特率、数据位、停止位等参数。
- 实现数据接收函数，解析传感器发送的数据，提取测量值。

3. **传感器连接：**
- 使用RS232或TTL电平转换模块，将传感器与STM32单片机连接。
- 确保两端的串口参数（波特率、数据位等）一致。

**示例代码：**

// STM32单片机代码
#include "stm32f10x.h"

// 串口初始化
void USART_Init(void) {
    // ...
}

// 串口数据接收
void USART_Receive(uint8_t *data) {
    // ...
}

// 温湿度传感器数据解析
void ParseTemperatureHumidityData(uint8_t *data) {
    // ...
}

// ...

// 上位机软件代码
using System;
using System.IO.Ports;

namespace SensorCommunication {
    class Program {
        static void Main(string[] args) {
            // 串口连接
            SerialPort serialPort = new SerialPort("COM1", 9600, Parity.None, 8, StopBits.One);
            serialPort.Open();

            // 数据交互
            while (true) {
                // 从传感器接收数据
                string data = serialPort.ReadLine();
                Console.WriteLine("Received data: " + data);

                // 解析温湿度数据
                double temperature = ParseTemperature(data);
                double humidity = ParseHumidity(data);

                // 显示测量值
                Console.WriteLine("Temperature: " + temperature + "°C");
                Console.WriteLine("Humidity: " + humidity + "%");
            }
        }
    }
}

### 6.3 串口通信与无线通信模块通信

**应用场景：**

STM32单片机与无线通信模块（如ZigBee、LoRa）通过串口进行数据交互，实现无线数据传输。

**实现步骤：**

1. **无线通信模块选择：**
- 根据通信距离、速率、功耗等需求选择合适的无线通信模块。

2. **STM32单片机程序开发：**
- 初始化串口，配置波特率、数据位、停止位等参数。
- 实现数据发送和接收函数，与无线通信模块进行数据交互。

3. **无线通信模块连接：**
- 使用RS232或TTL电平转换模块，将无线通信模块与STM32单片机连接。
- 确保两端的串口参数（波特率、数据位等）一致。

**示例代码：**

// STM32单片机代码
#include "stm32f10x.h"

// 串口初始化
void USART_Init(void) {
    // ...
}

// 串口数据发送
void USART_Send(uint8_t *data) {
    // ...
}

// 串口数据接收
void USART_Receive(uint8_t *data) {
    // ...
}

// ZigBee数据发送
void ZigBee_SendData(uint8_t *data) {
    USART_Send(data);
}

// ...

// 上位机软件代码
using System;
using System.IO.Ports;

namespace WirelessCommunication {
    class Program {
        static void Main(string[] args) {
            // 串口连接
            SerialPort serialPort = new SerialPort("COM1", 9600, Parity.None, 8, StopBits.One);
            serialPort.Open();

            // 数据交互
            while (true) {
                // 从上位机接收数据
                string data = serialPort.ReadLine();
                Console.WriteLine("Received data: " + data);

                // 向无线通信模块发送数据
                serialPort.WriteLine("Hello from PC");
            }
        }
    }
}