STM32F103 UART_USART深度应用：高级通信接口实战


# 摘要
STM32F103的UART/USART通信是微控制器领域应用广泛的串口通信方式。本文首先介绍了UART/USART通信的基础知识和协议细节，包括工作原理、硬件特性和通信模式配置。接着，通过实战应用章节，探讨了实现串口通信、高级功能以及调试和性能优化的方法。在高级通信接口章节中，文章着重于通信协议封装、与PC机及嵌入式设备的数据交互案例。最后，文章分析了通信过程中的错误处理与异常管理策略，并展望了创新应用和未来发展方向，如低功耗无线通信协议和高速通信接口优化。通过本文，读者将能全面了解STM32F103的串口通信技术及其实际应用。

# 关键字
STM32F103；UART/USART；串口通信；硬件特性；通信协议；错误处理

参考资源链接：[STM32F103系列微控制器数据手册：ARM Cortex-M3与丰富特性详解](https://wenku.csdn.net/doc/647d4771d12cbe7ec33f9651?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32F103 UART/USART通信基础

## STM32F103 UART/USART通信概述

STM32F103系列微控制器是ST公司生产的一种基于ARM Cortex-M3内核的高性能32位微控制器，广泛应用于工业控制、汽车电子、医疗设备等领域。其中，UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）和USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/异步收发传输器）是其内部集成的两种重要的串行通信接口。

UART/USART通信是一种广泛应用于微控制器和计算机通信的串行通信方式，具有接口简单、使用方便、速率较高、抗干扰能力强等特点。它支持全双工通信，可以进行点对点的串行数据通信。

## UART/USART通信应用场景

UART/USART通信接口在实际应用中，可以用于PC机与单片机之间的数据交换，也可以用于两台微控制器之间的通信。例如，通过UART/USART接口，我们可以在单片机系统中实现数据的采集、存储和显示，也可以实现单片机系统与PC机的数据交换和通信。

此外，UART/USART还经常被用于调试信息的输出，如我们在开发和调试程序过程中，可以通过UART/USART将程序的运行状态和调试信息输出到PC机，方便我们对程序进行调试和分析。

在接下来的章节中，我们将深入探讨UART/USART的工作原理，以及如何在STM32F103微控制器上实现UART/USART通信。

# 2. 深入理解UART/USART协议

## 2.1 UART/USART的工作原理

### 2.1.1 波特率、数据位、停止位和校验位

UART（通用异步接收/发送器）和USART（通用同步/异步收发传输器）是两种常见的串行通信协议，它们在数据传输时会使用一系列参数来定义通信的规则，其中最重要的参数包括波特率、数据位、停止位和校验位。

- **波特率（Baud Rate）**：波特率是指每秒钟传输的符号数，符号可以是位（bit）或字符。在异步通信中，这个参数定义了数据传输的速度。例如，如果波特率为9600，那么每秒传输的符号数为9600。
- **数据位（Data Bits）**：数据位决定了传输数据包中的数据量。常见的数据位数有5、6、7和8位。数据位越多，可以表示的数据范围越大。
- **停止位（Stop Bits）**：停止位表示一个数据帧的结束。常见的配置有1位、1.5位和2位停止位。停止位不仅标识数据帧的结束，还允许接收设备进行时钟同步。
- **校验位（Parity Bit）**：校验位用于错误检测。当启用校验位时，发送方会根据数据位计算出一个额外的校验位，并将其附加到数据帧中。接收方将使用相同的算法来验证接收到的数据是否出现错误。

具体来说，如果设置了奇校验（Odd Parity），那么传输的数据加上校验位后，将保证“1”的总数为奇数。如果是偶校验（Even Parity），则“1”的总数为偶数。无校验（None Parity）则不使用校验位。

例如，发送一个字节0x55（二进制为01010101），如果使用偶校验，那么校验位将会是1，因为加上这个1后“1”的总数才是偶数（010101011）。如果设置了1位停止位，那么整个数据帧将是：起始位（1位）、数据位（8位）、校验位（1位）、停止位（1位）。

[起始位][数据位][校验位][停止位]

### 2.1.2 流控制机制

流控制机制用于防止在数据传输过程中出现的缓冲区溢出，当接收设备来不及处理接收到的数据时，就会发生溢出。流控制可以分为硬件流控制和软件流控制。

- **硬件流控制**：使用额外的控制线RTS（Request to Send）和CTS（Clear to Send）。当接收设备的缓冲区满时，它会通过RTS线向发送设备发出停止信号，发送设备在收到停止信号后会停止发送数据，直到CTS线再次发出准备好的信号。
- **软件流控制**：使用XON/XOFF字符进行流控制。发送方在发送数据过程中，如果检测到特定的XOFF字符（通常为DC3），则会暂停发送数据，而当接收到XON字符（通常为DC1）时则继续发送。

flowchart LR
    A[Start] --> B[Check Buffer Space]
    B -- "Space Available" --> C[Send Data]
    B -- "No Space Available" --> D[Send XOFF]
    C --> E[Check XON/XOFF]
    E -- "XOFF Detected" --> D
    E -- "XON Detected" --> C
    D --> B

这种机制允许在接收方来不及处理数据时，通过发送特定的控制字符来告诉发送方暂停或继续发送数据，从而避免了数据的丢失。

## 2.2 STM32F103的UART/USART硬件特性

### 2.2.1 硬件结构和引脚配置

STM32F103系列微控制器集成了多个UART/USART硬件接口，每个接口都有自己的TX（发送）和RX（接收）引脚。此外，某些接口还支持硬件流控制功能，提供了RTS和CTS引脚。这些接口的硬件结构包括波特率生成器、发送和接收缓冲区、中断控制和DMA（直接内存访问）控制等。

例如，UART1接口是全双工的，支持硬件流控制，可以用于需要高效率和可靠性的应用场合。而UART4和UART5则一般用于不太复杂的应用。

STM32F103的引脚配置非常灵活，开发者可以通过软件选择哪些引脚复用为UART功能。通常，GPIO（通用输入输出）引脚可以通过修改其模式寄存器来配置为UART相关的引脚。这提供了很高的配置灵活性，允许设计者根据电路板的空间和需求来优化引脚的使用。

引脚分配完毕后，需要在程序中对相应的UART接口进行初始化，包括配置波特率、数据位、停止位、校验位和流控制等参数。STM32CubeMX工具可以帮助开发者生成初始化代码，简化开发流程。

### 2.2.2 多通道UART/USART的使用

STM32F103支持多个UART/USART通道，这为多线程串行通信提供了可能性。为了高效使用这些通道，开发者需要了解如何在不同的通道之间共享资源，同时管理中断和DMA请求，确保数据正确地发送和接收。

多通道通信时，需要注意以下几点：

- **中断优先级**：多通道可能同时请求中断，需要设置合适的中断优先级，确保数据的即时处理。
- **DMA请求**：在使用DMA传输时，应该配置正确的DMA通道和请求源，避免通道间发生冲突。
- **时钟分配**：不同通道可能需要不同的时钟源或时钟频率，需要通过时钟树分配合适的时钟。

例如，如果一个项目中使用了UART1和UART2进行通信，同时需要确保UART2的数据处理不会影响到UART1的实时性，可以通过设置UART2的中断优先级低于UART1的，这样即使UART2有大量数据需要处理，也不会阻塞UART1的中断服务程序执行。

## 2.3 通信模式与配置

### 2.3.1 透传模式配置

透传模式指的是将一个串口接收到的数据直接转发到另一个串口，不进行任何处理。这种模式在某些特定的应用场合非常有用，比如协议转换、数据转发等。

在STM32F103中配置透传模式需要对两个UART/USART通道进行基本的初始化设置，包括：

- 配置波特率、数据位、停止位和校验位一致。
- 配置两个通道的中断或DMA，以处理数据的接收和发送。

透传模式的关键在于确保接收和发送的同步性。数据接收完毕后，应尽快通过中断服务程序或DMA传输将数据发送出去，以减少数据在缓冲区中的停留时间，从而降低通信延迟。

代码示例：

// 假设UART1为接收端，UART2为发送端
void UART1_IRQHandler(void) {
    if (UART_GetITStatus(UART1, UART_IT_RXNE) != RESET) {
        uint8_t receivedData = UART_ReceiveData(UART1);
        // 将接收到的数据写入UART2发送缓冲区
        UART_SendData(UART2, receivedData);
    }
}

在上面的代码中，我们利用了UART1的接收中断来处理透传逻辑。每当UART1接收到数据时，中断服务程序会被调用，在程序中我们将接收到的数据直接转发到UART2。

### 2.3.2 中断模式配置

中断模式允许STM32F103在接收到数据时能及时响应，而不需要在主循环中不断检查数据。这种模式适用于对实时性要求较高的应用。

配置中断模式需要进行以下步骤：

- 使能UART接口的中断（在NVIC中使能中断，并设置优先级）。
- 在UART中断服务程序中处理接收到的数据。
- 在发送数据前关闭中断，数据发送完毕后重新开启中断。

当使用中断模式时，开发者需要特别注意中断嵌套和数据完整性的保证。中断服务程序应尽可能短小精悍，避免在其中执行耗时操作。

示例代码：

void USART1_IRQHandler(void) {
    if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) {
        // 读取接收到的数据
        uint8_t data = USART_ReceiveData(USART1);
        // 处理接收到的数据
        ProcessReceivedData(data);
        // 关闭中断
        USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, DISABLE);
    }
}

void ProcessReceivedData(uint8_t