单片机串口打印调试信息②

在STM32开发中，使用串口（UART）打印调试信息是调试嵌入式程序的核心手段。以下是基于STM32 HAL库的详细实现步骤和调试策略：

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一、硬件准备

1. 硬件连接：

   • STM32开发板：以STM32F4系列为例，选择任意UART接口（如USART1/UART2）。

   • USB转TTL模块：

     • 开发板TX引脚 → USB模块RX

     • 开发板RX引脚 → USB模块TX

     • 共地连接（GND接GND）。

   • 波特率选择：推荐115200（需与代码配置一致）。

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二、代码实现

步骤1：STM32CubeMX配置

1. 启用UART外设（如USART2）。

2. 配置参数：

   • Mode: Asynchronous

   • Baud Rate: 115200

   • Word Length: 8 bits

   • Stop Bits: 1

   • Parity: None

3. 开启DMA（可选）：

   • 在DMA Settings中添加TX通道，模式为Normal或Circular（持续发送）。

4. 生成代码。

步骤2：重定向printf函数

#include <stdio.h>
​
// 重定向C库的printf到UART
int __io_putchar(int ch) {
    HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
    return ch;
}
​
// 若使用ARMCC编译器（Keil），需额外添加：
#ifdef __MICROLIB
    #pragma import(__use_no_semihosting)
    void _ttywrch(int ch) {
        __io_putchar(ch);
    }
#endif

步骤3：打印调试信息

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_USART2_UART_Init();
​
    printf("\r\n===== System Boot =====\r\n");
    printf("Core Clock: %lu Hz\r\n", SystemCoreClock);
​
    while (1) {
        uint32_t adc_value = read_adc();
        printf("[ADC] Value: %lu (Voltage: %.2fV)\r\n", adc_value, adc_value * 3.3 / 4095);
        HAL_Delay(1000);
    }
}

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三、调试信息的定位与内容设计

1. 调试位置选择

位置类型	示例场景	代码示例
系统初始化	时钟配置、外设初始化结果	printf("[INIT] USART2 Ready @ 115200bps\r\n");
函数入口/出口	追踪执行流程	printf("> SPI_Transmit()\r\n");
条件分支	错误处理、异常状态	if (HAL_OK != status) printf("[ERROR] I2C Timeout\r\n");
中断服务函数	确认中断触发频率	void EXTI0_IRQHandler() { printf("IRQ0 Triggered\r\n"); }
数据通信关键点	发送/接收数据校验	printf("TX: 0x%02X 0x%02X\r\n", data[0], data[1]);

2. 调试内容设计

• 基本信息：

  printf("[INFO] Sensor Initialized: ID=0x%02X\r\n", sensor_id);

• 带时间戳的日志：

  printf("[%lu ms] Motor Speed: %d RPM\r\n", HAL_GetTick(), rpm);

• 十六进制数据块：

  void dump_buffer(uint8_t *buf, uint16_t len) {
    printf("Buffer Dump (%d bytes):\r\n", len);
    for (int i=0; i<len; i++) {
      printf("%02X ", buf[i]);
      if ((i+1) % 16 == 0) printf("\r\n");
    }
    printf("\r\n");
  }

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四、高级调试技巧

1. 条件编译控制日志

// 在头文件中定义调试级别
#define DEBUG_LEVEL 1  // 0:关闭 1:基础 2:详细
​
#if DEBUG_LEVEL >= 1
    #define LOG_INFO(...)    printf("[INFO] " __VA_ARGS__)
#else
    #define LOG_INFO(...)
#endif
​
#if DEBUG_LEVEL >= 2
    #define LOG_DEBUG(...)   printf("[DEBUG] " __VA_ARGS__)
#else
    #define LOG_DEBUG(...)
#endif
​
// 使用示例
LOG_INFO("System Started\r\n");
LOG_DEBUG("Raw ADC Value: %d\r\n", adc_raw);

2. 非阻塞发送（DMA模式）

// 在CubeMX中启用UART TX DMA
void uart_send_nonblocking(char *msg) {
    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart2, (uint8_t*)msg, strlen(msg));
    // 注意：需避免在DMA传输中修改发送缓冲区
}

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五、调试实战案例

问题定位：SPI通信失败

1. 添加关键日志：

   HAL_StatusTypeDef ret = HAL_SPI_Transmit(&hspi1, data, len, 1000);
   if (ret != HAL_OK) {
       printf("[SPI] TX Failed! Status=%d, CS Pin=%d\r\n", ret, HAL_GPIO_ReadPin(SPI_CS_GPIO_Port, SPI_CS_Pin));
   }

2. 分析输出：

   • 若Status=3（HAL_TIMEOUT），检查SPI时钟配置。

   • 若CS Pin=1，确认片选信号是否被意外拉高。

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六、常见问题解决

问题现象	排查步骤
无输出	1. 检查TX/RX接线是否交叉 2. 确认波特率是否一致 3. 测量UART引脚是否有波形（示波器）
输出乱码	1. 检查系统时钟配置（尤其是APB总线时钟） 2. 确认串口参数（停止位/校验位）匹配
打印卡死程序	1. 避免在中断中调用printf 2. 使用DMA或非阻塞发送模式

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七、替代方案：SWO输出（仅限Cortex-M3/M4/M7）

1. SWO配置：

   // 在Debug配置中启用ITM
   ITM_SendChar('A');  // 直接发送字符到调试器

2. 查看输出：

   • Keil：View → Serial Windows → ITM Viewer

   • STM32CubeIDE：Window → Show View → SWV ITM Data Console

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总结

1. 操作流程：

   • CubeMX配置UART → 重定向printf → 在怀疑出问题的代码区域插入日志 → 使用串口助手观察输出。

2. 调试原则：

   • 渐进式定位：先添加基础日志缩小范围，再逐步增加详细日志。

   • 非侵入性：通过宏定义控制日志开关，不影响正式版本。

   • 信息有效性：确保每条日志包含足够上下文（如变量值、时间戳、错误码）。

通过结合STM32 HAL库的灵活性和串口调试的直观性，可快速定位大部分嵌入式系统中的逻辑错误和硬件配置问题。