STM32串口详解

文章摘要：串口（串行接口）是一种异步串行通信接口，通过单数据线逐位传输数据，实现设备互联。其核心特点是成本低、线路简洁、可靠性高，并解决了通信中的时序、同步和容错问题。相比并行通信，串口更适合远距离传输，采用全双工模式，支持多种校验方式。数据帧包含起始位、数据位（通常8位）、校验位和停止位。STM32单片机内置USART模块，可配置波特率、数据格式等参数，通过初始化流程实现串口通信功能。开发时需

弘毅失败的 main

1632人浏览 · 2025-10-01 18:17:16

弘毅失败的 main · 2025-10-01 18:17:16 发布

一、什么是串口？

在这里插入图片描述

串行接口（Serial Port），简称串口，是一种异步串行通信接口。它通过单一数据线将数据逐位顺序传输，实现设备间的数据交换。

想象一下两个说不同语言的人如何交流？他们需要一个翻译官。在电子世界里，串口（Serial Port） 就扮演着这个角色！

通信协议的意义

如同两人通过声波交流需要遵循共同的语言规则一样，设备间通信也需要统一的"语言规则"——这就是通信协议。串口就是这种规范化的通信方式，解决了原始IO控制中时序、同步、容错等复杂问题。

解决三大头疼问题：

时序问题 → 约定好"说话节奏"（波特率）
同步问题 → 明确"谁先说谁后说"（通信协议）
容错问题 → 设置"你听清了吗"确认机制（校验位）

二、串口的作用与特点

主要作用：

设备互联：实现计算机与外部设备（如单片机、传感器、调制解调器等）的数据交换
远距离通信：支持较长距离的可靠数据传输
调试接口：广泛应用于嵌入式系统调试和程序烧录

核心特点：

✅ 成本低廉：硬件结构简单，实现成本低
✅ 线路简洁：最少只需3条线（发送、接收、地线）
✅ 易于使用：编程接口简单，开发便捷
✅ 可靠性高：具备完善的错误检测机制

三、通信方式对比

串行通信：精打细算的"单车快递"

定义：数据在单条数据线上按时间顺序逐位传输

通俗解释：数据像单车送货，一次只送一件，按顺序送达

特点：

-特点：

只需要一条"小路"（传输线少）
适合"长途运输"（长距离成本低）
可利用现有"公路网"（电话网络）
管理稍微复杂（控制逻辑相对复杂）
先送小件(低位LSB)，后送大件(高位MSB)

在这里插入图片描述

并行通信：财大气粗的"货车车队"

定义：使用多条数据线同时传输多个数据位

通俗解释：数据像货车车队，多辆车同时出发送货

特点：

送货速度快
管理简单直接
"修路成本"高（线缆多）
“长途运输"容易"掉队”（同步困难）

在这里插入图片描述

对比总结

特性	串行通信	并行通信
传输线数量	少（1-3条）	多（8条以上）
传输速度	相对较慢	相对较快
成本	低	高
抗干扰能力	强	弱
适用距离	远距离	短距离
控制复杂度	较高	较低

现阶段绝大部分的通讯口都使用串口。

四、通信协议基础

通信模式

1.单工通信：广播电台

只能单向说话，不能接收
如：广播、电视信号

在这里插入图片描述

2.半双工通信：对讲机

可以说也可以听，但不能同时进行
需要说"完毕"才能切换

在这里插入图片描述

3.全双工通信：电话聊天

可以边说边听，双向同时进行
51单片机串口就是这种模式

在这里插入图片描述

五、关键技术参数

串口电平标准：音量的"大小"

TTL电平：+3V~+5V表示1，0V表示0（单片机常用）
RS232电平：-3_{-15V表示1，+3}+15V表示0（计算机串口）
RS485电平：两线压差+2_{+6V表示1，-2}-6V表示0（工业现场）

串口波特率：说话的"语速"

定义：单位时间内传输的二进制位数，决定通信速度

常见语速：

慢速：300、1200字/分钟
常速：2400、9600字/分钟
快速：19200、38400字/分钟
高速：115200、230400字/分钟

计算示例：

波特率9600：1秒传输9600位，每位时间=1/9600≈104.17μs
波特率115200：传输速度更快，每位时间约8.68μs

在这里插入图片描述

数据帧格式：说话的"语法规范"

一个完整的数据帧包含：

[起始位] + [数据位] + [校验位] + [停止位]

起始位：1位低电平，标志传输开始

数据位：5~9位实际数据，通常8位（1字节）

校验位：1位，用于错误检测

停止位：1~2位高电平，标志传输结束

在这里插入图片描述

校验方式详解

无校验（N）：8位数据位，无校验位
奇校验（O）：数据位中"1"的个数为奇数时，校验位为0，否则为1
偶校验（E）：数据位中"1"的个数为偶数时，校验位为0，否则为1
标记校验（M）：校验位固定为1
空校验（S）：校验位固定为0

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空闲位

不属于数据帧部分
传输间隔期间总线保持高电平
标志当前无数据传输

在这里插入图片描述

LSB（Least Significant Bit）则是低地址存放最低有效字节
MSB（Most Significant Bit）是指低地址存放最高有效字节

案例：

例子1：通过串口发送十进制数字 27

二进制：00011011
传输顺序：起始位(0) + 11011000(数据位，LSB优先) + 校验位 + 停止位(1)

例子2：通过串口发送字符串 “hello”

ASCII编码：
h → 01101000 → 起始位 + 00010110 + 校验 + 停止位
e → 01100101 → 起始位 + 10100110 + 校验 + 停止位
l → 01101100 → 起始位 + 00110110 + 校验 + 停止位
l → 01101100 → 起始位 + 00110110 + 校验 + 停止位
o → 01101111 → 起始位 + 11110110 + 校验 + 停止位

六、开发工具准备

串口调试助手

功能：用于数据收发的调试和监控

在这里插入图片描述

USB转串口(TTL)模块：

功能：实现USB接口到TTL电平串口的转换

在这里插入图片描述

逻辑分析仪：

功能：用于信号波形的捕获和分析

在这里插入图片描述

七、STM32串口应用

硬件接线示意图

在这里插入图片描述

USART模块简介

STM32单片机内置多个USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）模块，支持全双工异步通信。

在这里插入图片描述

主要特性：

支持同步/异步通信
全双工操作
可配置数据位（8/9位）
可编程校验位
多个中断源
DMA支持

在这里插入图片描述

USART = 嘴巴 + 耳朵，既能说又能听！

USART模块的基本使用方法：

USART模块的初始化 → 配置波特率 + 数据帧格式

//USART1 波特率115200、8位数据位、无校验、1位停止位
#include "stm32f10x.h"

int main(void)
{
	// 对 USART1 初始化
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);       		// 开启时钟
    
    // 配置相关参数 -> 配置波特率 + 数据帧格式
	USART_InitTypeDef USART_InitStruct = {0};		
	USART_InitStruct.USART_BaudRate = 115200; 					 		// 波特率 115200
	USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Tx; 		// 全双工
	USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;     		// 8位 数据位
	USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;             		// 无校验
	USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;          		// 1位 停止位
	USART_Init(USART1, &USART_InitStruct);								// 完成初始化
    
    // 使能 USART1
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);                                          
}

这一步就相当于：

是否让嘴巴说、是否让耳朵听

让嘴巴怎么说、让耳朵怎么听

为串口初始化IO引脚

引脚配置问题

核心问题：

串口的引脚在哪里？
怎么设置引脚的参数（模式、速度）？

在这里插入图片描述

USART模块引脚分布及配置

1.引脚分布表

在这里插入图片描述

查看那些IO可以作为嘴巴或耳朵

2.IO配置表

在这里插入图片描述

赋予嘴巴、耳朵基本的说、听机能

3.引脚初始化代码

// 默认PA9、PA10引脚配置
void USART1_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    // 开启GPIOA时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    // 配置TX引脚(PA9)为复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;      // 复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;    // 高速
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // 配置RX引脚(PA10)为浮空输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}



// 重映射到PB6、PB7引脚配置
void USART1_GPIO_Remap_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    // 开启GPIOB和AFIO时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
    
    // 使能USART1重映射
    GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_USART1, ENABLE);
    
    // 配置TX引脚(PB6)为复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    
    // 配置RX引脚(PB7)为浮空输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}

使用串口发送数据

串口通信流程

空闲状态：

数据线保持高电平（逻辑1）
表示当前无数据传输

开始传输：

起始位：一个低电平脉冲（逻辑0）
标志数据传输开始

数据传输：

数据位按顺序逐位传输（先低位后高位）
数据位长度可配置（通常5-9位）

结束传输：

停止位：高电平脉冲（逻辑1）
标志本次传输结束

传输能力：

每次传输一个完整的字节（8位）或字符

数据发送过程

CPU将数据写入发送寄存器
USART将数据写入移位寄存器
通过移位寄存器将数据逐位发送
循环往复

在这里插入图片描述

关键标志位

标志位是什么？

我们可以通过这些标志位的值获取USART的工作状态

我们可以把它看作说话的进度条

TXE标志位：话准备好了吗？

Transmit Data Register Empty
判断发送数据寄存器是否为空
当TDR空时，TxE = 1（可以准备下一句话）
否则 TxE = 0（还在准备中）

TC标志位：话说完了吗？

Transmit Complete
判断数据是否发送完成
当TDR空且移位寄存器为空时，TC = 1（说完了）
否则 TC = 0（还在说）

在这里插入图片描述

编程接口

FlagStatus

作用：查询USART标志位的值，返回值：RESET-0；SET-1

// 查询USART标志位的值
FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t USART_FLAG);
// 返回值：RESET-0；SET-1

USART_SendData

作用：把要发送的数据写入到发送数据寄存器里

// 发送数据到数据寄存器
void USART_SendData(USART_TypeDef* USARTx, uint16_t Data);
// 参数为uint16_t：为了支持9位数据位

实时发送函数

/**
 * @brief 使用串口发送多个字节
 * 
 * @param USARTx  指定发送串口
 * @param pData   要发送的数据
 * @param Size 	  要发送的字节的数
 */
void USART_Send_Bytes(USART_TypeDef* USARTx, uint8_t* pData, uint16_t Size)
{
	for(uint32_t i = 0; i < Size; i++)
	{
		// #1. 等待发送数据寄存器空
		while(USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);

		// #2. 将要发送的数据写入到发送数据寄存器
		USART_SendData(USARTx, pData[i]);
	}

	// #3. 等待数据发送完成
	while(USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_TC) == RESET);
}

格式化打印字符串

格式化字符串的编程原理

在这里插入图片描述

1.生成格式化字符串

在这里插入图片描述

2.通过fputc发送到控制台

在这里插入图片描述

重写fputc函数

#include <stdio.h>

// 重定向printf到串口
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    // #3. 等待发送寄存器为空
    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    
    // #2. 发送字符
    USART_SendData(USART1, (uint8_t)ch);
    
    return ch;
}

// 重定向scanf从串口输入（可选）
int fgetc(FILE *f)
{
    // #1. 等待接收到数据
    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
    
    // #2. 返回接收到的字符
    return (int)USART_ReceiveData(USART1);
}

重写fputs函数其实就是给fputs函数输出重定向，使其发送目标由控制台变为串口

格式化输出时间字符串

#include <stdio.h>
#include <time.h>

// 格式化输出时间信息
void Print_TimeInfo(void)
{
    // 获取系统运行时间（需要自己实现计时功能）
    uint32_t system_time = GetSystemTick();
    uint32_t hours = system_time / 3600000;
    uint32_t minutes = (system_time % 3600000) / 60000;
    uint32_t seconds = (system_time % 60000) / 1000;
    uint32_t milliseconds = system_time % 1000;
    
    printf("系统运行时间: %02lu:%02lu:%02lu.%03lu\r\n", 
           hours, minutes, seconds, milliseconds);
}

使用串口接收数据

数据接收过程

数据通过RX引脚逐位接收
数据存入接收移位寄存器
当完整字节接收完成后，数据转移到接收数据寄存器(RDR)
触发RXNE标志位

关键标志位

RxNE标志位：听到新内容了吗？

Receive Data Register Not Empty
判断接收数据寄存器是否为空
当RDR非空时，RxNE = 1（有新消息）
否则RxNE = 0（没听到什么）

可以把他当作听力的状态

编程接口

USART_ReceiveData

作用：从接收数据寄存器读取数据

uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef* USARTx);
// 作用：从接收数据寄存器读取数据
// 返回uint16_t：为了支持9位数据位

错误标志位说明

PE：Parity Error - 奇偶校验错
如果接收到的数据有校验错误，则PE = 1；否则 PE = 0

FE：Frame Error - 帧格式错误
接收到了无效的数据帧，则FE = 1；否则FE = 0

NE：Noise Error - 噪声错
接收的数据中检测到了噪声，则NE = 1；否则NE = 0

ORE：Overrun Error - 过载错
由于过载造成了数据丢失，则ORE = 1；否则ORE = 0

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对比总结

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通信模式

1.单工通信：广播电台

2.半双工通信：对讲机

3.全双工通信：电话聊天

五、关键技术参数

串口电平标准：音量的"大小"

串口波特率：说话的"语速"

数据帧格式：说话的"语法规范"

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USB转串口(TTL)模块：

逻辑分析仪：

七、STM32串口应用

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主要特性：

USART模块的基本使用方法：

为串口初始化IO引脚

引脚配置问题

核心问题：

USART模块引脚分布及配置

1.引脚分布表

2.IO配置表

3.引脚初始化代码

使用串口发送数据

串口通信流程

数据发送过程

关键标志位

标志位是什么？

TXE标志位：话准备好了吗？

TC标志位：话说完了吗？

编程接口

实时发送函数

格式化打印字符串

格式化字符串的编程原理

重写fputc函数

格式化输出时间字符串

使用串口接收数据

数据接收过程

关键标志位

RxNE标志位：听到新内容了吗？

编程接口

错误标志位说明

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