STM32单片机串口通信与上位机通信详解：构建高效桥梁，实现无缝交互

# 1. 串口通信基础**

### 1.1 串口通信原理

串口通信是一种异步通信方式，它通过一根或多根导线在两个设备之间传输数据。数据以位为单位传输，每个位由一个开始位、一个数据位、一个奇偶校验位（可选）和一个停止位组成。发送方和接收方通过波特率（每秒传输的位数）和数据格式（数据位、奇偶校验和停止位）进行同步。

### 1.2 串口通信协议

串口通信协议定义了数据传输过程中的规则，包括：

- **数据帧格式：**定义数据帧的结构，包括开始位、数据位、奇偶校验位和停止位。
- **波特率：**发送和接收设备之间的数据传输速率。
- **数据位：**每个数据帧中传输的数据位数，通常为 5、6、7 或 8 位。
- **奇偶校验：**一种错误检测机制，用于验证数据帧的完整性。
- **停止位：**数据帧结束时发送的位，用于指示数据传输的结束。

# 2. STM32单片机串口编程**

### 2.1 串口硬件配置

#### 2.1.1 引脚定义

STM32单片机的串口引脚通常分为发送引脚（TX）和接收引脚（RX）。对于不同的STM32系列，串口引脚的位置和功能可能不同。以下以STM32F103系列为例，介绍其串口引脚定义：

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

#### 2.1.2 时钟配置

串口通信需要时钟源来产生波特率。STM32单片机通常使用APB1或APB2总线作为串口时钟源。时钟配置步骤如下：

1. 使能串口时钟：在RCC寄存器中设置相应的时钟使能位。
2. 设置波特率：在串口寄存器中设置波特率寄存器（BRR）的值，以确定波特率。BRR的值计算公式为：BRR = (APB时钟频率 / 波特率) - 1。

### 2.2 串口数据收发操作

#### 2.2.1 数据发送

数据发送操作通过串口数据寄存器（DR）进行。以下为数据发送步骤：

1. 检查发送缓冲区是否为空（TXE位为1）。
2. 将数据写入DR寄存器。
3. 等待发送完成（TXE位为1）。

#### 2.2.2 数据接收

数据接收操作通过串口状态寄存器（SR）和数据寄存器（DR）进行。以下为数据接收步骤：

1. 检查接收缓冲区是否非空（RXNE位为1）。
2. 从DR寄存器中读取数据。
3. 清除RXNE位。

### 2.3 串口中断处理

#### 2.3.1 中断配置

STM32单片机提供了串口中断，可以在数据发送或接收完成后触发中断。中断配置步骤如下：

1. 在NVIC中使能串口中断。
2. 在串口寄存器中设置中断使能位（IE）。

#### 2.3.2 中断处理函数

中断处理函数在中断触发时执行。以下为中断处理函数的示例：

void USART1_IRQHandler(void)
{
    // 检查中断源
    if (USART1->SR & USART_SR_RXNE) {
        // 接收数据
        uint8_t data = USART1->DR;
    } else if (USART1->SR & USART_SR_TXE) {
        // 发送数据
        USART1->DR = data;
    }
}

# 3. 上位机通信协议设计

### 3.1 通信协议类型

通信协议是上位机和单片机通信时遵循的一套规则，它定义了数据格式、传输方式和错误处理机制。常见的通信协议类型包括：

- **文本协议：**使用 ASCII 或 Unicode 字符编码，数据以文本形式传输。优点是易于理解和调试，但效率较低。
- **二进制协议：**使用二进制编码，数据以字节流形式传输。优点是效率高，但难以理解和调试。
- **自定义协议：**根据具体应用需求定制的协议，可以灵活满足特定要求。