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wzjs 2025/8/26 22:33:15

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一、串口通信简介

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）即通用异步收发器，是一种常用的串行通信协议，在微控制器、嵌入式系统以及各种电子设备中应用广泛。

1、UART串口通信协议特点

UART是一种串行、异步、全双工的通信协议。串行意味着数据是一位一位顺序传输；异步表示通信双方不需要共享同一个时钟信号，每个设备有自己独立的时钟；全双工则允许两个设备在同一时间进行双向的数据传输。

2、硬件电路

UART硬件电路相对简单，双向传输数据一般有两根通信线，即发送端TX和接收端RX，主机和从机的TX与RX要交叉连接，也就是主机的TX接从机的RX。当只需单向传输数据时，可以只接一根通信线。当两台设备的电平标准不一致时，需要加电平转换芯片。

3、电平标准

TTL电平：+3.3V或 +5V表示1，0V表示0，常用于一般的处理器。
RS232电平：(-3, -15)V表示1，(+3, +15)V表示0，抗静电干扰较强，多用在大型机器上。
RS485电平：两线压差(+2, +6)V表示1，(-2, -6)V表示0（差分信号），抗干扰能力非常强，通信距离可以达到上千米。

4、数据帧格式

一个完整的UART数据帧通常由起始位、数据位、可选的校验位和停止位组成：
        空闲位：当总线处于空闲状态时，信号线的状态为‘1’即高电平。
        起始位：每开始一次通信时，发送方先发出一个逻辑”0”的信号（低电平），表示传输字符的始。因为总线空闲时为高电平，所以起始位明显区别于空闲状态。
        数据位：起始位之后就是要传输的数据，数据位可以是5、6、7、8位等，构成一个字符。数据先发送最低位，最后发送最高位，使用低电平表示‘0’，高电平表示‘1’完成数据位的传输。其中8位数据位是最常用的设置。
        奇偶校验位：用于校验数据传送的正确性。数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数（偶校验）或奇数（奇校验）。例如，若校验位设置为偶校验，设备接收到数据帧后，会统计数值为1的位，若总数不是偶数，则认为数据帧中的位可能已改变；奇校验同理。当然，也可以选择不使用校验位。
        停止位：它是一个字符数据的结束标志，可以是1位、1.5位、2位的高电平。由于数据在传输线上定时，且每个设备有自己的时钟，可能出现通信不同步的情况，因此停止位不仅表示传输的结束，还提供计算机校正时钟的机会。停止位个数越多，数据传输越稳定，但是数据传输速度也越慢，其中1个停止位是最常用的设置。

5、波特率

在UART中使用波特率来表示数据的传输速度，单位是bit/s（每秒传输的二进制位数）。比如设置波特率为115200，表示每秒可以发送115200个bit。通信双方必须设置相同的波特率，才能保证数据的正确传输。

6、访问方式、（针对UART功能芯片）

电脑可以通过中断、轮询和DMA三种方式对UART功能芯片进行访问：
        中断（Interrupt）方式：这是一种异步的访问方式。当UART接收到数据或发送完成时，它会触发一个中断信号，通知CPU进行相应的处理。CPU会立即暂停当前的任务，转而处理中断请求，并执行中断服务程序（ISR），该程序负责读取接收到的数据或发送下一个数据。
        轮询方式：CPU定期检查UART的状态寄存器，看是否有数据到达或发送完成，这种方式相对简单，但效率较低，因为CPU需要不断地查询，会占用较多的CPU资源。
        DMA（直接内存访问）方式：DMA控制器可以在不经过CPU干预的情况下，直接在内存和UART之间传输数据，大大提高了数据传输的效率，减轻了CPU的负担。

二、寄存器介绍

1、状态寄存器 (USART_SR)

偏移地址： 0x00

复位值： 0x00C0 0000

2、数据寄存器 (USART_DR)

偏移地址： 0x04

复位值： 0xXXXX XXXX

3、波特率寄存器 (USART_BRR)

注意：如果 TE 或 RE 位分别被禁止，则波特计数器会停止计数。

偏移地址： 0x08

复位值： 0x0000 0000

4、控制寄存器 1 (USART_CR1)

偏移地址： 0x0C

复位值： 0x0000 0000

5、控制寄存器 2 (USART_CR2)

偏移地址： 0x10

复位值： 0x0000 0000

6、控制寄存器 3 (USART_CR3)

偏移地址： 0x14

复位值： 0x0000 0000

7、保护时间和预分频器寄存器 (USART_GTPR)

偏移地址： 0x18

复位值： 0x0000 0000

三、串口通信案例

1、串口打印helloworld

#include "UART.h"
#include "stdio.h"UART_HandleTypeDef UART1_Handle;
uint8_t uart_rx_buf[128]; // 串口接收数据缓冲区void UART1_Init(void)
{UART1_Handle.Instance = USART1;UART1_Handle.Init.BaudRate = 115200; // 波特率UART1_Handle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE; // 无硬件流UART1_Handle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX; // 发送接收模式UART1_Handle.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;UART1_Handle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE; // 无校验UART1_Handle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1; // 停止位UART1_Handle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; // 字长HAL_UART_Init(&UART1_Handle);}/* 串口 MSP 回调函数 */
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{if (huart->Instance == USART1){// (1) 使能 USART 和对应 IO 口的时钟__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); // 使能 GPIOA 时钟__HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE(); // 使能 USART1 的时钟// (2) 初始化 IO 口GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // 复用推挽输出GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10; // TX: PA9, RX: PA10GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_PULLUP; // 上拉GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; // 高速GPIO_InitStructure.Alternate = GPIO_AF7_USART1; // 复用功能HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);}
}/* 重定向 printf 函数为串口输出 */
int fputc(int ch, FILE *p)
{char c = ch;HAL_UART_Transmit(&UART1_Handle, (uint8_t *)&c, 1, HAL_MAX_DELAY);return ch;
}

2、串口输入检测

#include "UART.h"
#include "stdio.h"UART_HandleTypeDef UART1_Handle;
uint8_t uart_rx_buf[128]; // 串口接收数据缓冲区void UART1_Init(void)
{UART1_Handle.Instance = USART1;UART1_Handle.Init.BaudRate = 115200; // 波特率UART1_Handle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE; // 无硬件流UART1_Handle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX; // 发送接收模式UART1_Handle.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;UART1_Handle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE; // 无校验UART1_Handle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1; // 停止位UART1_Handle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; // 字长HAL_UART_Init(&UART1_Handle);HAL_UART_Receive_IT(&UART1_Handle, uart_rx_buf, 1); // 设置串口中断缓冲区及中断阈值(当前为1)
}/* 串口 MSP 回调函数 */
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{if (huart->Instance == USART1){/* 1、使能 USART 和对应 IO 口的时钟 */__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); // 使能 GPIOA 时钟__HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE(); // 使能 USART1 的时钟/*2、初始化IO口*/GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // 复用推挽输出GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10; // TX: PA9, RX: PA10GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_PULLUP; // 上拉GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; // 高速GPIO_InitStructure.Alternate = GPIO_AF7_USART1; // 复用功能HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);/* 3、设置中断优先级，使能串口中断 */HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn,1,1);HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);}
}/* 串口接收完成回调函数 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{if (huart->Instance == USART1){/*接收到的数据在uart_rx_buf内*在这个回调函数内对接收到的数据进行处理*/printf("%c",*uart_rx_buf);}
}void USART1_IRQHandler(void)
{HAL_UART_IRQHandler(&UART1_Handle);HAL_UART_Receive_IT(&UART1_Handle, uart_rx_buf, 1); // 重新启用中断
}/* 重定向 printf 函数为串口输出 */
int fputc(int ch, FILE *p)
{char c = ch;HAL_UART_Transmit(&UART1_Handle, (uint8_t *)&c, 1, HAL_MAX_DELAY);return ch;
}