嵌入式硬件篇---UART

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前言

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是一种异步串行通信协议，广泛应用于嵌入式设备与传感器、蓝牙模块、GPS等外设的通信。以下是UART协议的详细解析及在STM32F103RCT6上的完整代码实现。

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1. UART协议基础

1.1 物理层特性

两根信号线

TX（Transmit）：数据发送线（输出）。
RX（Receive）：数据接收线（输入）。

无时钟信号

无时钟信号：依赖预定义的波特率（Baud Rate）同步。

电平标准

TTL UART

TTL UART：0V（逻辑0），3.3V/5V（逻辑1）。

RS-232

RS-232：±12V（需电平转换芯片如MAX232）。

1.2 数据帧格式

[起始位] [数据位（5-9位）] [校验位（可选）] [停止位（1-2位）]
起始位：1位低电平（逻辑0）。
数据位：通常8位（如ASCII字符）。
校验位（可选）：
奇校验：数据位中1的个数为奇数时置1。
偶校验：数据位中1的个数为偶数时置1。
停止位：1或2位高电平（逻辑1）。

1.3 波特率计算

波特率

波特率（Baud Rate）表示每秒传输的符号数（1符号=1位）。
常见波特率：9600、115200等。
STM32的UART时钟源为APB2（默认72MHz），波特率计算公式：
波特率=APB2时钟USARTDIV
其中USARTDIV是一个16位寄存器值（整数部分 + 小数部分）。

2. STM32F103RCT6的UART配置

2.1 硬件连接

UART信号 STM32引脚 说明
USART1_TX PA9 发送数据
USART1_RX PA10 接收数据
GND 共地 确保电平参考一致

2.2 CubeMX配置

启用USART1

模式：Asynchronous（异步模式）。
波特率：115200。
数据位：8位。
校验位：None。
停止位：1位。

引脚分配

PA9 → USART1_TX
PA10 → USART1_RX

中断启用（可选）

接收中断（RXNE）。

3. HAL库代码实现

3.1 UART初始化

#include "stm32f1xx_hal.h"UART_HandleTypeDef huart1;void MX_USART1_UART_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;if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK) {Error_Handler();}
}

3.2 发送数据（阻塞模式）

void UART_SendString(uint8_t *str) {HAL_UART_Transmit(&huart1, str, strlen((char *)str), 100); // 阻塞式发送
}// 示例：发送"Hello World!"
UART_SendString((uint8_t *)"Hello World!\r\n");

3.3 接收数据（中断模式）

uint8_t rx_data;
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {if (huart == &huart1) {// 处理接收到的数据（如回显）HAL_UART_Transmit(&huart1, &rx_data, 1, 100);HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1); // 重新启用接收中断}
}// 主函数中启用接收中断
int main(void) {HAL_Init();MX_USART1_UART_Init();HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1); // 启动接收中断while (1) { /* 其他任务 */ }
}

3.4 DMA传输（高效大数据量）

uint8_t dma_tx_buffer[] = "DMA Transmission Test!\r\n";// 初始化DMA
void MX_DMA_Init(void) {__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();
}// 通过DMA发送数据
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, dma_tx_buffer, sizeof(dma_tx_buffer));

4. 自定义协议设计

4.1 帧格式示例

字段 长度 说明
帧头 2字节 0xAA 0x55
数据长度 1字节 后续数据长度（N）
数据 N字节 有效载荷
CRC校验 1字节 校验和（数据字节累加和）

4.2 帧解析代码

uint8_t rx_buffer[64];
uint8_t frame_state = 0;
uint8_t data_len = 0;
uint8_t crc = 0;void Process_UART_Byte(uint8_t byte) {static uint8_t idx = 0;switch (frame_state) {case 0: // 等待帧头1if (byte == 0xAA) frame_state = 1;break;case 1: // 等待帧头2if (byte == 0x55) frame_state = 2;else frame_state = 0;break;case 2: // 读取数据长度data_len = byte;idx = 0;crc = byte;frame_state = 3;break;case 3: // 读取数据rx_buffer[idx++] = byte;crc += byte;if (idx >= data_len) frame_state = 4;break;case 4: // 校验CRCif (crc == byte) {// 帧处理（如控制LED）if (rx_buffer[0] == 0x01) HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);}frame_state = 0;break;}
}// 在中断回调中调用
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {Process_UART_Byte(rx_data);HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1);
}

5. 常见问题与调试

5.1 通信失败原因

波特率不匹配

波特率不匹配：确保双方波特率一致（如115200）。

电平不兼容

电平不兼容：TTL UART不能直接接RS-232设备。

接线错误

接线错误：检查TX/RX是否交叉连接。

中断为启用

中断未启用：若使用中断接收，需调用HAL_UART_Receive_IT()。

5.2 逻辑分析仪抓包

使用工具（如Saleae Logic）观察：

1. 起始位是否为低电平？
2. 数据位是否符合预期？
3. 停止位是否为高电平？

6. 完整示例：与PC通信

STM32代码

int main(void) {HAL_Init();MX_USART1_UART_Init();HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1); // 启用接收中断while (1) {// 每隔1秒发送数据UART_SendString((uint8_t *)"STM32 UART Test\r\n");HAL_Delay(1000);}
}

PC端（Python脚本）

import serial
ser = serial.Serial('COM3', 115200, timeout=1)  # 根据实际端口修改
while True:if ser.in_waiting:data = ser.readline().decode('utf-8').strip()print("Received:", data)

7.总结

基本配置

基本配置：波特率、数据位、停止位需匹配。

通信模式

通信模式：阻塞、中断、DMA按需选择。

协议设计

协议设计：自定义帧格式提升可靠性。

调试工具

调试工具：逻辑分析仪、串口助手是关键。
通过上述代码，STM32F103RCT6可实现稳定的UART通信，适用于传感器数据采集、无线模块控制等场景。

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