STM32 串口通信
引言
在嵌入式系统开发中，串口通信是最基础且重要的通信方式之一。无论是设备调试、模块对接还是远程通信，串口都扮演着关键角色。本文将从通信协议原理出发，结合STM32F4系列MCU，深入讲解串口通信的硬件实现和软件配置，并通过实战案例展示其应用。
一、串口通信协议深度解析
1.1 串口通信核心概念
串行接口（Serial Port）采用逐位顺序传输方式，其优势在于：
- 硬件成本低（仅需2根信号线）
- 传输距离远（RS485可达千米级）
- 抗干扰能力强
- 协议简单易实现
常见串口类型对比：
| 类型 | 电平标准 | 传输距离 | 通信方式 |
|---|---|---|---|
| TTL | 0-3.3V/5V | <3m | 全双工 |
| RS232 | ±3-15V | 15m | 全双工 |
| RS485 | ±1.5-6V | 1200m | 半双工 |
1.2 通信协议分层模型
物理层规范：
- 接口类型：DB9、RJ45、端子排
- 电平标准：RS232使用负逻辑（逻辑1=-3-15V，逻辑0=+3+15V）
- 连接拓扑：点对点、总线型
协议层规范：
- 数据帧格式
- 波特率精度（误差<2%）
- 校验机制
- 流控协议（硬件RTS/CTS，软件XON/XOFF）
1.3 数据帧结构详解
标准异步串行数据帧构成：
[Start Bit][Data Bits][Parity Bit][Stop Bits]
典型参数配置示例：
c
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/* 8位数据位，无校验，1位停止位 */
UART_InitStructure.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
UART_InitStructure.StopBits = UART_STOPBITS_1;
UART_InitStructure.Parity = UART_PARITY_NONE;
校验方式性能对比：
| 校验类型 | 错误检测能力 | 数据开销 |
|---|---|---|
| 奇校验 | 单比特错误 | +1 bit |
| 偶校验 | 单比特错误 | +1 bit |
| CRC校验 | 多比特错误 | +1-4字节 |
二、STM32F4串口硬件架构剖析
2.1 USART功能框图
https://example.com/stm32-usart-block-diagram.png
关键功能模块：
- 波特率发生器：BRR寄存器实现分数波特率生成
- 数据寄存器（TDR/RDR）
- 校验控制单元
- 中断控制器
- DMA接口
2.2 时钟系统配置
时钟树路径：
APBx总线时钟 → USARTDIV分频器 → 生成比特周期
波特率计算公式：
波特率 = fCK / (16 * USARTDIV)
其中USARTDIV为16位浮点数（高12位整数，低4位小数）
配置示例（72MHz时钟，115200波特率）：
c
Copy
// USARTDIV = 72000000/(16 * 115200) = 39.0625
USART1->BRR = (39 << 4) | 0x1; // 0x271
2.3 GPIO映射配置
STM32F407 USART1引脚映射：
| 功能 | 引脚 | 复用功能 |
|---|---|---|
| TX | PA9 | AF7 |
| RX | PA10 | AF7 |
| CTS | PA11 | AF7 |
| RTS | PA12 | AF7 |
配置代码示例：
c
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GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9|GPIO_PIN_10;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF7_USART1;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
三、STM32串口编程实战
3.1 基础通信实现
初始化流程：
c
Copy
UART_HandleTypeDef huart1;void USART1_Init(void)
{huart1.Instance = USART1;huart1.Init.BaudRate = 115200;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;HAL_UART_Init(&huart1);
}
数据收发函数：
c
Copy
// 阻塞式发送
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)"Hello", 5, 1000);// 中断接收
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1);
3.2 中断处理机制
中断服务函数示例：
c
Copy
void USART1_IRQHandler(void)
{HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
}// 回调函数实现
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{if(huart->Instance == USART1){// 处理接收数据process_data(rx_data);// 重新使能接收HAL_UART_Receive_IT(huart, &rx_data, 1);}
}
3.3 DMA高效传输
DMA配置示例：
c
Copy
// 发送DMA配置
hdma_usart1_tx.Instance = DMA2_Stream7;
hdma_usart1_tx.Init.Channel = DMA_CHANNEL_4;
hdma_usart_tx.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;
hdma_usart_tx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
hdma_usart_tx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
hdma_usart_tx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
hdma_usart_tx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
hdma_usart_tx.Init.Mode = DMA_NORMAL;
HAL_DMA_Init(&hdma_usart_tx);// 启动DMA传输
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, tx_buffer, BUFFER_SIZE);
四、典型应用案例
4.1 串口调试终端实现
重定向printf函数：
c
Copy
int __io_putchar(int ch)
{HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)&ch, 1, 1000);return ch;
}
使用示例：
c
Copy
printf("System Clock: %ld Hz\r\n", HAL_RCC_GetSysClockFreq());
4.2 MODBUS协议实现
协议帧结构：
[地址][功能码][数据][CRC校验]
CRC16校验实现：
c
Copy
uint16_t CRC16(uint8_t *buf, int len)
{uint16_t crc = 0xFFFF;for(int pos=0; pos<len; pos++){crc ^= (uint16_t)buf[pos];for(int i=8; i!=0; i--){if((crc & 0x0001) != 0){crc >>= 1;crc ^= 0xA001;}elsecrc >>= 1;}}return crc;
}
五、调试技巧与常见问题
5.1 故障排查指南
- 无数据收发
- 检查物理连接
- 验证波特率设置
- 确认GPIO复用配置
- 数据错乱
- 校验时钟精度
- 检查电磁干扰
- 验证电平匹配
- 接收数据不完整
- 调整缓冲区大小
- 优化中断优先级
- 启用硬件流控
5.2 性能优化建议
- 使用DMA进行大数据传输
- 合理设置FIFO阈值
- 采用环形缓冲区管理
- 启用硬件校验功能
结语
通过本文的系统讲解，我们不仅深入理解了串口通信的协议原理，还掌握了STM32平台下的硬件配置和软件开发技巧。在实际项目中，建议根据具体需求选择合适的通信模式（轮询/中断/DMA），并注意做好电磁兼容设计。随着对串口技术的深入掌握，开发者可以更高效地实现各种工业通信需求。