UART 总线核心特性
一、通信方式基础
1. 串行 vs 并行通信
- 串行通信：数据一位一位传输（如 UART），仅需 1 根数据线，适用于远距离低速率场景。
例：电脑与开发板通过 UART 传输数据，每次发送 1bit。 - 并行通信：多位数据同时传输（如 8 位数据线），速率快但布线复杂，适用于短距离（如 CPU 与内存）。
2. 同步 vs 异步通信
- 同步通信：双方使用同一时钟源（频率一致），无需额外同步信号（如 IIC、SPI）。
例：开发板与传感器时钟均为 100Hz，每秒传输 100bit 数据，无丢失。 - 异步通信：双方时钟独立，通过波特率同步（如 UART）。
例：UART 通信中，电脑与开发板需约定相同波特率（如 115200），否则数据乱码。
3. 单工 / 半双工 / 全双工
- 单工：仅单向传输（如麦克风→扬声器）。
- 半双工：双向但同一时刻只能单方向（如对讲机）。
- 全双工：双向同时传输（如打电话、UART）。
二、UART 总线核心特性
UART 是串行、异步、全双工总线，物理层存在，用于设备间通信（如 PC 与开发板）。
- 硬件连接：3 根线
- TXD：发送线（开发板 TXD 接 PC RXD，交叉连接）
- RXD：接收线（开发板 RXD 接 PC TXD）
- GND：共地线（确保电平参考一致）
- 应用场景：程序烧录、调试信息打印（类似
printf输出到串口工具）。
三、硬件连接与电平转换
1. 本质连接
PC 与开发板的 TXD/RXD 交叉连接，GND 共地（如下图）：
plaintext
PC 开发板
TXD ←→ RXD
RXD ←→ TXD
GND ←→ GND
2. 电平转换
- 开发板用TTL 电平：0~0.8V（逻辑 0），2~5V（逻辑 1）。
- 电脑 USB 用USB 电平：-2~-6V（0），2~6V（1）。
- CH340 芯片：实现 USB 与 TTL 电平转换，是 PC 与开发板通信的 “翻译官”。
3. 工业级衍生协议（基于 UART）
| 协议 | 电平范围 | 通信距离 | 特性 | 转换芯片 |
|---|---|---|---|---|
| UART | TTL（0~5V） | ~1m | 全双工 | 无需 |
| RS232 | -15~15V（负逻辑） | ~10m | 全双工，抗干扰强 | MAX232 |
| RS485 | 1.5~6V（差分信号 A/B 线） | ~1000m | 半双工，适合长距离 | MAX485 |
四、UART 协议格式与波特率
1. 协议格式（一帧数据）
plaintext
起始位（1bit，0） + 数据位（5~9bit） + 校验位（可选） + 停止位（1/1.5/2bit，1）
- 起始位：低电平（下降沿），标志通信开始。
- 数据位：实际传输数据（常用 8 位）。
- 校验位：奇偶校验（可选，实际开发中多禁用）。
- 停止位：高电平（上升沿），标志通信结束。
常用格式：8N1（8 数据位，无校验，1 停止位）。
2. 波特率
- 定义：单位时间传输的位数（bps），如 9600bps 表示每秒传 9600bit。
- 作用：异步通信中，双方必须约定相同波特率（如 115200），否则数据错位。
- 计算示例：
时钟频率 160MHz，16 倍采样模式下，波特率 115200 对应的寄存器值：USARTDIV = 160,000,000 / 115200 ≈ 1388 → 0x056C（写入 USART_BRR 寄存器）。
五、STM32 中 UART 配置（以 USART1 为例）
1. 引脚映射
- USART1_TX → PA9（发送）
- USART1_RX → PA10（接收）
2. 硬件初始化步骤
（1）GPIO 配置（复用为 UART 功能）
- 模式：PA9/PA10 设为复用功能模式（GPIOA_MODER 寄存器 [19:18] 和 [21:20] 写 0b10）。
- 复用功能：PA9/PA10 映射到 USART1（GPIOA_AFRH 寄存器 [7:4] 和 [11:8] 写 0b0111，即 AF7）。
（2）USART 配置（8N1，115200 波特率）
- 禁用 USART（UE=0），配置数据位：8 位（CR1 寄存器 M1:M0=0b00）。
- 禁用校验（CR1 寄存器 PCE=0）。
- 停止位：1 位（CR2 寄存器 STOP [1:0]=0b00）。
- 采样模式：16 倍（CR1 寄存器 OVER8=0）。
- 波特率：115200（BRR 寄存器写 0x056C）。
- 使能发送（TE=1）、接收（RE=1）和 USART 全局（UE=1）。
六、代码实现示例
1. 标准库：字符收发
c
运行
// 发送字符（判断TXE标志位，确保发送寄存器为空）
void put_char(unsigned char data) {while (!(USART1->ISR & (1 << 7))); // 等待TXE=1（发送寄存器空）USART1->TDR = data; // 写入数据
}// 接收字符（判断RXNE标志位，确保接收完成）
unsigned char get_char() {while (!(USART1->ISR & (1 << 5))); // 等待RXNE=1（接收寄存器满）return USART1->RDR; // 读取数据
}// 主循环：接收字符+1后回传
int main() {unsigned char c;while (1) {c = get_char();put_char(c + 1); // 如接收'a'，返回'b'}
}
2. HAL 库：字符串定长收发
c
运行
uint8_t buf[10] = {0}; // 接收缓冲区int main() {MX_USART1_UART_Init(); // 初始化USART1（115200，8N1）while (1) {// 接收10字节数据（超时100s）HAL_UART_Receive(&huart1, buf, sizeof(buf), 100000);// 回传接收的数据HAL_UART_Transmit(&huart1, buf, sizeof(buf), 5);memset(buf, 0, sizeof(buf)); // 清空缓冲区HAL_Delay(1000);}
}
3. printf 重定向（串口打印调试信息）
重写fputc函数，将printf输出定向到串口：
c
运行
#include "stdio.h"int fputc(int ch, FILE *stream) {HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 5); // 发送单个字符return ch;
}// 使用示例：每秒打印计数
int main() {int i = 0;while (1) {printf("count: %d\n", i++); // 输出到串口工具HAL_Delay(1000);}
}
七、任务解析
- 标准库寄存器操作：取消 CubeMX 自动配置，手动编写 GPIO 复用、USART 初始化代码（参考 “硬件初始化步骤”）。
- 串口控制外设：
- 接收缓冲区
buf[6]存储指令（如 "FAN_ON" 或 "FAN_OF"）。 - 匹配指令后控制 GPIO 输出高低电平，驱动风扇转动 / 停止：
c
运行
if (strcmp((char*)buf, "FAN_ON") == 0) {GPIOA->ODR |= (1 << 5); // 假设PA5接风扇，置高电平启动 } else if (strcmp((char*)buf, "FAN_OF") == 0) {GPIOA->ODR &= ~(1 << 5); // 置低电平停止 }
- 接收缓冲区
通过以上整理，可清晰理解 UART 的理论基础、硬件配置及代码实现，结合示例能快速上手调试。