STM32G431串口通信全掌握：调试与数据传输的终极指南


参考资源链接：[STM32G431开发板详解：接口与芯片原理图指南](https://wenku.csdn.net/doc/6462d47e543f844488995d9c?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32G431串口通信概述

在现代嵌入式系统设计中，串口通信因其简单性和可靠性而被广泛使用。本章旨在介绍STM32G431微控制器中串口通信的基础知识和应用。

## 1.1 串口通信基础
串口通信，或称串行通信，是一种在两个设备之间传输数据的方式，通过单一的信号线，一次传输一个位的数据。与并行通信相比，串行通信速度较慢，但其连线简单，成本较低，且能有效支持长距离数据传输。

## 1.2 STM32G431微控制器简介
STM32G431是由STMicroelectronics生产的一款高性能ARM Cortex-M4微控制器。这款MCU特别适合需要高效信号处理能力的应用，例如电源转换、电机控制和高精度传感器数据采集。

## 1.3 串口通信在STM32G431中的应用
在STM32G431微控制器中，串口通信扮演了重要的角色。它可以用来调试程序，通过串口进行数据的接收和发送，也可以用于与外部设备通信，如传感器、GPS模块、蓝牙模块等。在接下来的章节中，我们将详细介绍如何在STM32G431微控制器上配置和使用串口通信。

# 2. 理论基础与硬件配置

在现代电子系统设计中，串口通信是一种非常常见的数据传输方式。本章节将深入探讨串口通信的工作原理，并详细介绍STM32G431的串口硬件接口以及如何使用STM32CubeMX工具进行串口配置。

## 2.1 串口通信的工作原理

### 2.1.1 异步串行通信基础

异步串行通信是指数据在传输过程中，发送端和接收端无需共享时钟信号，依靠预设的波特率来确保数据的同步。在异步通信中，每个字节数据的传输以一个起始位开始，后跟若干数据位，再以一个或多个停止位结束。

在实际的通信中，为确保数据传输的准确性，通常还会增加校验位（偶校验或奇校验）。异步串口通信模型可以简单理解为一种“问答式”的数据交换方式，一方发送数据，另一方接收数据。这种通信方式简单可靠，广泛应用于各种低速数据传输场合。

### 2.1.2 波特率、数据位、停止位和校验位

- **波特率**：波特率是指单位时间内传输的符号（位）数。在串口通信中，常见的波特率有9600 bps、19200 bps、115200 bps等。波特率越高，数据传输速度越快，但受到硬件性能和干扰的限制，过高的波特率可能会降低通信的可靠性。
- **数据位**：数据位是指每个数据包中的数据长度，常见的有8位数据位，即一个字节。
- **停止位**：停止位用于标识数据包的结束，可以是1位、1.5位或2位，取决于系统的具体要求和通信协议。
- **校验位**：校验位用来检测数据在传输过程中是否出现错误，常见的有偶校验、奇校验和无校验。

## 2.2 STM32G431的串口硬件接口

### 2.2.1 UART接口特性

STM32G431微控制器内置了多个UART接口，这些UART接口具有全双工能力，支持不同的波特率和数据格式配置。它们可以工作在标准的UART模式下，也可以配置为LIN、SmartCard、IrDA等特殊模式。

UART接口还支持DMA（Direct Memory Access）传输，减少CPU干预，提高数据处理效率。此外，UART接口还具备调制解调器控制线，支持硬件流控制。

### 2.2.2 串口引脚配置

STM32G431的串口引脚在不同的封装中有所差异，但一般都有专门的TX（发送）和RX（接收）引脚。在设计硬件电路时，要确保这些引脚正确连接到外围设备上。此外，如果使用了硬件流控制功能，则还需要配置RTS和CTS引脚。

### 2.2.3 电源和外设时钟配置

为了确保串口模块正常工作，需要为其提供适当的电源和时钟信号。在设计STM32G431的电路时，需要将电源模块正确连接到3.3V或1.8V（根据具体型号而定）的电源引脚上。同时，为了配置串口的通信速率，需要启用并配置对应的外设时钟，保证其与系统时钟同步。

## 2.3 STM32CubeMX工具配置串口

### 2.3.1 使用STM32CubeMX初始化代码

STM32CubeMX是一个图形化配置工具，可以帮助开发者快速配置STM32G431的硬件特性。在使用STM32CubeMX配置串口时，只需在图形界面中选择对应的串口，然后设置相应的参数（如波特率、数据位、停止位、校验位等）。

### 2.3.2 代码生成与项目结构

配置完成后，STM32CubeMX可以生成初始化代码，包括main.c和其他相关的源文件。生成的代码将包含对串口的初始化代码，以及一系列用于数据发送和接收的函数。这些代码遵循HAL库或者LL库的结构，为开发者提供了方便的操作接口。

项目的结构通常包括main.c（程序入口和主循环）、usart.c（串口相关操作）、usart.h（串口操作声明）等文件，使代码结构清晰，易于管理和维护。

在接下来的章节中，我们将探讨如何编写串口通信代码，实现数据的发送与接收，并介绍中断和DMA传输方式，以及如何进行错误处理和流控制。

# 3. 软件配置与编程实践

在深入理解STM32G431的硬件特性和串口通信原理之后，我们需要掌握如何进行软件配置和编写串口通信的代码。这一章节将详细阐述STM32G431的串口软件库使用，以及如何在不同的应用需求下编写和优化串口通信代码。

## 3.1 STM32G431的串口软件库

### 3.1.1 HAL库函数介绍

STM32G431提供了两个主要的软件库：硬件抽象层(HAL)库和低层(LL)库。HAL库是ST官方推荐的库，它提供了硬件的高级抽象，使得用户能够以相对简单的方式控制硬件。HAL库中的串口相关函数，能够让我们以非常高效的方式实现串口通信。

使用HAL库进行编程，关键在于理解它的三个主要结构体：`UART_HandleTypeDef`、`UART_InitTypeDef`和`UART_buffers_typeedef`。`UART_HandleTypeDef`是处理串口初始化和操作的核心结构体，包含了控制串口通信所需的所有重要参数和状态信息。`UART_InitTypeDef`用于初始化参数的配置，而`UART_buffers_typeedef`则提供了一个缓冲区，用于处理接收和发送的数据。

下面的代码块展示了如何使用HAL库初始化STM32G431的串口：

UART_HandleTypeDef huart1;

void MX_USART1_UART_Init(void)
{
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 9600;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

在这段代码中，我们定义了一个`huart1`的`UART_HandleTypeDef`实例，并通过`MX_USART1_UART_Init`函数进行初始化。初始化函数中，我们设置了波特率（`BaudRate`）、数据位（`WordLength`）、停止位（`StopBits`）、奇偶校验位（`Parity`）、模式（`Mode`）、硬件流控制（`HwFlowCtl`）等参数。初始化成功后，我们就可以使用HAL库提供的函数进行数据的发送与接收了。

### 3.1.2 LL库函数介绍

LL库提供了对硬件资源的直接访问，适用于那些需要精确控制硬件行为的高级应用。与HAL库相比，LL库让开发者能够更加灵活地操作硬件，但同时也需要开发者对硬件有更深入的了解。

对于串口通信，LL库提供了类似的初始化方法。由于LL库更加底层，因此在编程时需要我们手动配置更多的寄存器。下面是一个使用LL库进行串口初始化的示例代码：

void LL_USART_Init(USART_TypeDef *USARTx, LL_USART_InitTypeDef *USART_InitStruct)
{
    LL_USART_Disable(USARTx);
    LL_USART_SetBaudRate(USARTx, SystemCoreClock, USART_InitStruct->BaudRate);
    LL_USART_ConfigData(USARTx, USART_InitStruct->DataWidth, USART_InitStruct->StopBits, USART_InitStruct->Parity);
    LL_USART_ConfigHWFlowCtrl(USARTx, USART_InitStruct->HardwareFlowControl);
    LL_USART_Enable(USARTx);
}

在这段代码中，`LL_USART_Init`函数接收一个`USART_TypeDef`指针指向具体的串口外设，以及一个`LL_USART_InitTypeDef`结构体指针用于配置相关参数。函数内部依次禁用串口、设置波特率、配置数据位、停止位、奇偶校验位和硬件流控制，最后启用串口。

了解了HAL库和LL库之后，开发者可以根据项目的需求和自身对硬件的熟悉程度选择合适的库进行编程。

## 3.2 编