【七】5A_UART1 串口通信

项目概述

本项目是基于 STM32F103C8T6 微控制器的 UART1 串口通信示例程序。该项目演示了如何配置和使用 STM32 的 USART1 外设进行串口数据收发，实现与 PC 端串口调试助手的双向通信，支持数据发送、接收和回显功能。

硬件资源配置

1. USART1 引脚定义

串口引脚配置

PA9：TX（发送端，复用推挽输出）
PA10：RX（接收端，浮空输入）
GND：接地（与 USB 转串口模块共地）

硬件连接

STM32F103C8T6         USB转串口模块(CH340/CP2102)
┌─────────┐          ┌─────────┐
│   PA9   │ ────→    │   RXD   │  (交叉连接)
│  (TX)   │          │         │
│         │          │         │
│   PA10  │ ←────    │   TXD   │  (交叉连接)
│  (RX)   │          │         │
│         │          │         │
│   GND   │ ────→    │   GND   │  (共地)
└─────────┘          └─────────┘

注意：串口通信需要交叉连接（TX->RX, RX->TX）

2. 串口参数配置

参数	配置值
波特率	115200 bps
数据位	8 位
停止位	1 位
校验位	无
流控制	无
工作模式	全双工（同时收发）

USART 通信原理

1. USART 基础知识

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）通用同步/异步收发器。

关键特性：

全双工通信：可同时发送和接收数据
异步通信：不需要时钟信号
可编程波特率：支持多种通信速率
中断驱动：支持发送完成、接收完成中断

2. 串口通信时序

串口帧格式：
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│起始│D0 │D1 │D2 │D3 │D4 │D5 │D6 │D7 │停止│
│ 0 │   │   │   数据位（8位）  │   │ 1 │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘
  1bit   8bit (LSB先发送)             1bit

时间 = 1/波特率
115200 bps → 每位时间 = 1/115200 ≈ 8.68μs
传输1字节（10位）≈ 86.8μs

3. 波特率计算

// STM32 USART 波特率计算公式
波特率 = fPCLK / (16 × USARTDIV)

其中：
- fPCLK：APB2 时钟频率（USART1 在 APB2 上）
- USARTDIV：波特率分频因子（自动计算）

示例：
fPCLK = 72MHz
波特率 = 115200
USARTDIV = 72,000,000 / (16 × 115200) = 39.0625

寄存器值自动配置，无需手动计算

项目文件结构

5A_UART1/
├── Libraries/              # STM32标准外设库
│   ├── CMSIS/             # ARM Cortex微控制器软件接口标准
│   └── STM32F10x_StdPeriph_Driver/
│       ├── src/stm32f10x_usart.c   # USART驱动（重要）
│       ├── src/stm32f10x_gpio.c
│       └── inc/                    # 驱动头文件
├── MDK/                   # Keil MDK项目文件
│   ├── TEST_CODE.uvproj   # 项目文件
│   └── Output/            # 编译输出文件
├── User/                  # 用户应用代码
│   ├── main.c             # 主程序
│   ├── stm32f10x_conf.h   # 外设库配置
│   ├── stm32f10x_it.c     # 中断服务函数
│   ├── system_stm32f10x.c
│   └── TF_App/            # 应用模块
│       ├── TF_Delay.c/h       # 延时函数
│       ├── TF_System_Cfg.c/h  # 系统配置（NVIC）
│       └── TF_UART1.c/h       # UART1驱动（核心）
└── Readme/                # 说明文档

核心代码解析

1. 主程序流程（main.c）

int main(void)
{
    RCC_ClocksTypeDef   RCC_Clocks;

    NVIC_Configuration();    // 配置NVIC中断优先级
    USART1_Configuration();  // USART1串口初始化

    USART1_Puts("USART1_Configuration\r\n");
    printf("RCC_GetSYSCLKSource:0X%X\r\n", RCC_GetSYSCLKSource());

    RCC_GetClocksFreq(&RCC_Clocks);
    printf("RCC_GetClocksFreq:0X%d\r\n", RCC_Clocks.SYSCLK_Frequency);

    while(1)
    {
        USART1_Puts("Hello UART1\r\n");
        Delay_nms(200);
    }
}

程序执行流程：

配置 NVIC 中断优先级
初始化 USART1 串口
发送初始化完成信息
打印系统时钟信息
循环发送 "Hello UART1" 字符串（每 200ms 一次）

2. USART1 初始化配置（TF_UART1.c）

2.1 完整初始化函数

void USART1_Configuration(void)
{
    GPIO_InitTypeDef    GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef   USART_InitStructure;

    // 步骤1：使能端口时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);    // 使能串口1相关IO口时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);   // 使能串口1时钟

    // 步骤2：配置 USART1发送IO口
    // 配置发送引脚--Tx (PA9)
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;           // 配置开漏输出模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;         // 配置输出频率为50MHz
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 配置接收引脚--Rx (PA10)
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;     // 浮空输入(复位状态);
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 步骤3：配置串口参数配置
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;                      // 波特率115200
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;       // 8位数据
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;            // 停止位1位
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;               // 无校验
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;  // 收发模式
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

    // 步骤4：使能USART1
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);

    // 步骤5：配置串口中断功能
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);    // 使能接收中断
}

配置步骤详解：

使能时钟：
- GPIOA 时钟：用于 PA9/PA10 引脚
- USART1 时钟：使能 USART1 外设
配置 GPIO：
- TX (PA9)：复用推挽输出（GPIO_Mode_AF_PP）
- RX (PA10)：浮空输入（GPIO_Mode_IN_FLOATING）
配置 USART 参数：
- 波特率：115200 bps
- 数据位：8 位
- 停止位：1 位
- 校验位：无
- 模式：收发模式（USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx）
使能 USART1：启动串口工作
使能接收中断：接收到数据时触发中断

2.2 GPIO 模式说明

GPIO 模式	说明	用途
`GPIO_Mode_AF_PP`	复用推挽输出	USART TX 引脚
`GPIO_Mode_AF_OD`	复用开漏输出	I2C 引脚
`GPIO_Mode_IN_FLOATING`	浮空输入	USART RX 引脚
`GPIO_Mode_IPU`	上拉输入	按键输入
`GPIO_Mode_IPD`	下拉输入	特殊输入

3. 数据发送函数

3.1 发送单个字节

void USART1_Send_Byte(u16 Data)
{
    while (!(USART1->SR & USART_FLAG_TXE));  // 等待发送数据寄存器空
    USART1->DR = (Data & (uint16_t)0x01FF);  // 发送数据
}

工作原理：

等待发送数据寄存器为空（TXE 标志位）
将数据写入数据寄存器（DR）
硬件自动发送数据

3.2 发送字符串

void USART1_Puts(char *str)
{
    while(*str)
    {
       USART_SendData(USART1, *str++);
       while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    }
}

工作原理：

遍历字符串每个字符
调用 USART_SendData 发送字符
等待发送完成（TXE 标志位置位）

4. 数据接收中断

void USART1_IRQHandler(void)
{
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)
    {
       USART_ClearFlag(USART1, USART_FLAG_RXNE);  // 清除接收标志
       Uart_RevBuffer = USART1->DR;               // 读取接收数据
       USART1_Send_Byte(Uart_RevBuffer);          // 回显接收到的数据
    }
}

中断处理流程：

检查接收中断标志（USART_IT_RXNE）
清除接收标志位
从数据寄存器读取接收到的数据
回显数据（发送回 PC 端）

5. printf 函数支持

为了支持标准 C 库的 printf 函数，需要重定向 fputc 函数：

// 重定向 fputc 函数
// Printf 函数最终会调用 fputc 输出字符
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    while((USART1->SR & 0X40) == 0);  // 循环发送,直到发送完毕
    USART1->DR = (u8) ch;
    return ch;
}

// 重定向 fgetc 函数
// scanf 输入函数最终会调用 fgetc
int fgetc(FILE *f)
{
    while(!(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == SET))
    { 
    }
    return (USART_ReceiveData(USART1));
}

使用示例：

// 使用 printf 发送数据
printf("Temperature: %.2f C\r\n", temperature);
printf("ADC Value: %d\r\n", adc_value);

// 使用 scanf 接收数据
int value;
scanf("%d", &value);

6. NVIC 中断优先级配置

void NVIC_Configuration(void)
{
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    // 配置中断优先级分组
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

    // 配置 USART1 中断
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;  // 抢占优先级1
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;         // 子优先级1
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

中断优先级分组（NVIC_PriorityGroup_2）：

抢占优先级：2 位（0-3）
子优先级：2 位（0-3）
抢占优先级高的可以打断低的
子优先级仅决定同时到达时的处理顺序

程序执行效果

串口调试助手显示

打开串口调试助手（波特率 115200），将看到以下输出：

USART1_Configuration
RCC_GetSYSCLKSource:0X08
RCC_GetClocksFreq:0X4493E00
Hello UART1
Hello UART1
Hello UART1
...（每200ms输出一次）

输出说明：

USART1_Configuration：串口初始化完成
RCC_GetSYSCLKSource:0X08：系统时钟源（0x08 = PLL）
RCC_GetClocksFreq:0X4493E00：系统时钟频率（0x4493E00 = 72,000,000 Hz = 72MHz）
Hello UART1：循环发送的测试字符串

回显功能测试

在串口调试助手中输入任意字符，例如输入 "ABC"，将立即收到回显：

发送：ABC
接收：ABC

这是因为 USART1_IRQHandler 中实现了回显功能。

编译与下载

1. 编译配置

必须包含的库文件

Libraries/STM32F10x_StdPeriph_Driver/src/stm32f10x_usart.c  ← 必须
Libraries/STM32F10x_StdPeriph_Driver/src/stm32f10x_gpio.c
Libraries/STM32F10x_StdPeriph_Driver/src/stm32f10x_rcc.c

Keil MDK 配置

C/C++ → Define:
```
STM32F10X_MD, USE_STDPERIPH_DRIVER
```
Target → Use MicroLIB:
- 勾选 "Use MicroLIB"（支持 printf）
Debug → Settings:
- 选择 ST-Link 或 J-Link

2. 下载程序

参考 8E_OLED_NTC 文档中的下载步骤。

测试步骤

1. 硬件连接

将 USB 转串口模块连接到 PC
连接串口线：
- STM32 PA9(TX) → 串口模块 RX
- STM32 PA10(RX) → 串口模块 TX
- STM32 GND → 串口模块 GND
上电

2. 串口助手配置

打开串口调试助手（推荐：SSCOM、XCOM）
配置串口参数：
- 波特率：115200
- 数据位：8
- 停止位：1
- 校验位：无
打开串口

3. 功能测试

测试1：数据发送

观察串口助手是否收到 "Hello UART1"（每 200ms 一次）

测试2：数据接收与回显

在串口助手发送区输入任意字符
观察是否立即收到回显

测试3：printf 功能

修改代码，添加 printf 语句
观察格式化输出是否正常

常见问题与解决方案

1. 串口无输出

可能原因：

串口线连接错误（TX/RX 未交叉）
波特率不匹配
串口助手未打开或选错端口
USART1 时钟未使能

解决方法：

// 1. 检查串口线连接（必须交叉）
STM32 TX(PA9)  → 串口模块 RX
STM32 RX(PA10) → 串口模块 TX

// 2. 确认波特率一致
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;  // 代码中
串口助手设置：115200                          // 软件中

// 3. 检查时钟使能
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);

// 4. 确认 USART 已使能
USART_Cmd(USART1, ENABLE);

2. 输出乱码

可能原因：

波特率不匹配
系统时钟配置错误
数据位/停止位配置错误

解决方法：

// 1. 确认波特率配置
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;

// 2. 检查系统时钟（应为 72MHz）
RCC_GetClocksFreq(&RCC_Clocks);
printf("SYSCLK: %d Hz\r\n", RCC_Clocks.SYSCLK_Frequency);

// 3. 确认通信参数
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;  // 8位
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;       // 1停止位
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;          // 无校验

3. 接收中断不触发

可能原因：

NVIC 未配置
接收中断未使能
中断服务函数名称错误

解决方法：

// 1. 配置 NVIC
NVIC_Configuration();

// 2. 使能接收中断
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);

// 3. 确认中断服务函数名称（不能改）
void USART1_IRQHandler(void)  // 固定名称
{
    // ...
}

// 4. 在 stm32f10x_it.c 中声明
// 或将中断函数放在 TF_UART1.c 中

4. printf 不工作

可能原因：

未勾选 MicroLIB
fputc 未重定向
未包含 stdio.h

解决方法：

// 1. Keil 工程配置
// Target → Use MicroLIB（勾选）

// 2. 包含头文件
#include <stdio.h>

// 3. 重定向 fputc
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    while((USART1->SR & 0X40) == 0);
    USART1->DR = (u8) ch;
    return ch;
}

// 4. 测试
printf("Test printf\r\n");

5. 发送大量数据丢失

可能原因：

发送太快，缓冲区溢出
未等待发送完成

解决方法：

// 方法1：每次发送后等待
void USART1_Send_Byte(u16 Data)
{
    while(!(USART1->SR & USART_FLAG_TXE));  // 等待发送寄存器空
    USART1->DR = Data;
    while(!(USART1->SR & USART_FLAG_TC));   // 等待发送完成
}

// 方法2：使用 DMA 传输（推荐大量数据）
// 参考后续优化建议

项目概述​

硬件资源配置​

1. USART1 引脚定义​

串口引脚配置​

硬件连接​

2. 串口参数配置​

USART 通信原理​

1. USART 基础知识​

2. 串口通信时序​

3. 波特率计算​

项目文件结构​

核心代码解析​

1. 主程序流程（main.c）​

2. USART1 初始化配置（TF_UART1.c）​

2.1 完整初始化函数​

2.2 GPIO 模式说明​

3. 数据发送函数​

3.1 发送单个字节​

3.2 发送字符串​

4. 数据接收中断​

5. printf 函数支持​

6. NVIC 中断优先级配置​

程序执行效果​

串口调试助手显示​

回显功能测试​

编译与下载​

1. 编译配置​

必须包含的库文件​

Keil MDK 配置​

2. 下载程序​

测试步骤​

1. 硬件连接​

2. 串口助手配置​

3. 功能测试​

测试1：数据发送​

测试2：数据接收与回显​

测试3：printf 功能​

常见问题与解决方案​

1. 串口无输出​

2. 输出乱码​

3. 接收中断不触发​

4. printf 不工作​

5. 发送大量数据丢失​

项目概述

硬件资源配置

1. USART1 引脚定义

串口引脚配置

硬件连接

2. 串口参数配置

USART 通信原理

1. USART 基础知识

2. 串口通信时序

3. 波特率计算

项目文件结构

核心代码解析

1. 主程序流程（main.c）

2. USART1 初始化配置（TF_UART1.c）

2.1 完整初始化函数

2.2 GPIO 模式说明

3. 数据发送函数

3.1 发送单个字节

3.2 发送字符串

4. 数据接收中断

5. printf 函数支持

6. NVIC 中断优先级配置

程序执行效果

串口调试助手显示

回显功能测试

编译与下载

1. 编译配置

必须包含的库文件

Keil MDK 配置

2. 下载程序

测试步骤

1. 硬件连接

2. 串口助手配置

3. 功能测试

测试1：数据发送

测试2：数据接收与回显

测试3：printf 功能

常见问题与解决方案

1. 串口无输出

2. 输出乱码

3. 接收中断不触发

4. printf 不工作

5. 发送大量数据丢失