一. 基础理论知识

1. 串口协议和RS-232标准

内容	串口协议（UART）	RS-232 标准
全称	Universal Asynchronous Receiver/Transmitter（通用异步收发传输器）	Recommended Standard 232（推荐标准232）
通信方式	异步串行通信（无需时钟线）	支持异步串行通信（物理层支持）
数据同步方式	发送端与接收端通过预先约定的波特率进行同步	依赖 UART 协议实现数据同步
典型参数配置	波特率（如 9600、115200 bps） 数据位：8 位 停止位：1 位 校验位：无 / 奇 / 偶	不定义具体参数，但常配合 UART 使用上述配置
电气特性	无固定电平标准，通常使用 TTL 电平（0V/3.3V 或 0V/5V）	定义明确电平： 逻辑“1”：-3V ~ -15V 逻辑“0”：+3V ~ +15V（负逻辑）
接口类型	无固定接口，常以引脚形式出现在电路板上	定义机械接口：常用 DB9 或 DB25 连接器
传输距离	短距离（< 1 米，板级通信）	中短距离，最长约 15 米（受电缆质量影响）
主要用途	嵌入式系统内部通信、MCU 与外设通信	工业设备、老式计算机串口、调试接口等长距离通信场景
是否需要电平转换	直接连接 MCU，无需转换	必须通过 MAX232 等芯片将 TTL 转为 RS-232 电平才能连接

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2.RS232电平与TTL电平的区别：

项目	TTL 电平	RS-232 电平
逻辑“0”	0 ~ 0.8V	+3V ~ +15V
逻辑“1”	2.4 ~ 5V（或3.3V系统为1.8~3.3V）	-3V ~ -15V
供电电压	3.3V / 5V	±12V（需专用电源）
传输距离	短（板级）	较长（可达15m）
接口芯片	直接连接MCU	需 MAX232/SP3232 等电平转换

✅ 关键点：TTL 是数字电路内部使用的电平；RS-232 是用于远距离通信的负逻辑高压电平。
✅ 补充说明：

• RS-232 是物理层标准，规定了电气特性；而 UART 是协议层，定义了数据帧格式。
• TTL 电平不能直接连接到 RS-232 设备，必须通过 MAX232、SP3232 等电平转换芯片 进行转换。
• 常见的“USB转串口模块”（如 CH340 + MAX232）正是实现 USB → TTL → RS-232 的桥梁。

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3. USB/TTL转RS232 模块（以 CH340 模块为例）工作原理

“USB/TTL转232”模块（以CH340芯片为例）的核心作用是解决不同接口和电平的兼容性问题，让电脑的USB接口能与RS232设备（如老式仪表、打印机）或TTL设备（如单片机）通信。其工作原理可拆解为“协议转换”和“电平转换”两步，具体如下：

（1）模块核心组成

• CH340芯片：USB转TTL的“协议转换器”，负责将USB信号转为TTL电平的UART串口信号（反之亦然）。
• 电平转换电路（如MAX232芯片）：负责将TTL电平与RS232电平互相转换（因两者电平规则完全不同，无法直接通信）。
• 辅助电路：电源（从USB取5V电）、指示灯（显示工作状态）等。

（2）工作流程（以“电脑→RS232设备”为例）

1. 电脑USB信号→CH340→TTL信号：
   电脑通过USB线发送的是“USB协议差分信号”（电脑通用接口），进入模块后先被CH340芯片处理——CH340会将USB协议转换为单片机常用的“TTL电平UART信号”（即 TX_TTL（发送）、RX_TTL（接收）、GND（地线），电平规则：1对应3.3V/5V，0对应0V）。

2. TTL信号→MAX232→RS232信号：
   由于RS232设备只认“RS232电平”（1对应-3_{-15V，0对应+3}+15V），TTL信号需经MAX232芯片转换：将TTL的3.3V/5V转为RS232的+3_{+15V（逻辑0），将TTL的0V转为RS232的-3}-15V（逻辑1），最终输出符合RS232标准的信号给外部设备。

（3）反向流程（RS232设备→电脑）
RS232设备发送的-3_{-15V（逻辑1）和+3}+15V（逻辑0）信号，先经MAX232转换为TTL电平（3.3V/5V和0V），再由CH340将TTL的UART信号转回USB协议信号，最终通过USB线传给电脑。

（4）信号流向（PC → 外部设备）：

USB 协议⇌TTL 电平 UART（CH340 负责） → TTL 电平⇌RS232 电平（MAX232 负责）

功能作用：

• 实现现代无串口电脑与传统RS-232设备的连接。
• 提供虚拟COM端口（在Windows中识别为COMx）。
• 支持常见波特率（如9600, 115200等）。

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二. 串口传输文件实验

串口传输文件的练习。将两台笔记本电脑，借助 usb转rs232 模块和杜邦线，建立起串口连接。然后用串口助手等工具软件（带文件传输功能,如：sscom）将一台笔记本上的一个大文件（图片、视频和压缩包软件）传输到另外一台电脑，预算文件大小、波特率和传输时间三者之间的关系，并对比实际传输时间。

1、硬件连接方式

使用两台笔记本电脑，通过以下方式建立串口连接：

2、下载sscom

sscom下载链接

3、串口设置

4、发送与接受

选择下面这张图片发送


接收方：

将收到的文件在画图中打开：

5、时间计算

通信参数
波特率 (Baud Rate) 115200 bps
数据位 (Data Bits) 8
停止位 (Stop Bits) 1
校验位 (Parity) None
起始位 (Start Bit) 1
每个字节实际占用 10 位（1 起始 + 8 数据 + 1 停止）

理论传输时间计算公式：

$$\text{总传输时间}=\frac{\text{文件大小（字节）}\times 10}{\text{波特率（bps）}}$$

代入数据：

$$\text{时间}=\frac{1916270\times 10}{115200}=\frac{19162700}{115200}\approx 166.33\text{秒}$$

理论预估时间 ≈ 166.33 秒

实际传输时间（来自 SSCOM）

从截图中看到：
文件大小：1916270 字节
波特率：115200 bps
实际时间：大约 173.48500610352 秒

实际 vs 理论 173.49 - 166.33 = 7.16 秒 主要由于软件处理延迟和“分包延时”

SSCOM 中的“每发送256字节已插入1ms延时”
SSCOM 软件本身加入了人为延时！

计算额外延时：
文件大小：1,916,270 字节
每 256 字节加 1ms 延时
总共分包数：
$$\lfloor \frac{1916270}{256}\rfloor =7485\text{ 包}$$
每包加 1ms → 总额外延时：
$$7485\times 1\text{ms}=7.485\text{秒}$$

👉 这与实际多出的 7.16 秒非常接近！

6、拓展

如果只接TX–RX, RX–TX 这样两根线，不接电源线或者不接GND地线，文件传输无法正常进行。
分析原因：
不接 GND（地线）时，两个设备没有共同的参考电压。
发送方说“高电平是 3.3V”，是相对于它的地；
接收方却用自己的地来判断，两者地电位可能不同。
结果：
接收方看不懂发送方的信号，导致通信失败或数据出错。
🔌 就像打电话，有声音线但没接地，声音就不清楚。
所以，TX、RX、GND 三根线必须都接，才能正常通信。

三. STM32CubeMX + Keil 使用 HAL 库配置 USART1

1、前期准备

开发环境搭建

1. 安装 STM32CubeMX

   • 下载地址：https://www.st.com/en/development-tools/stm32cubemx.html
   • 安装后用于生成初始化代码。

2. 安装 Keil MDK-ARM（推荐版本 5.x 或以上）

   • 下载地址：https://www.keil.com/download/product/

3. 安装stm32的 HAL库支持包

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硬件准备

• 使用STM32F103C8T6开发板
• 连接 CH340模块
• 接线：
  • TX→PA10，RX→PA9
  • STM32 GND → USB-TTL GND

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2、使用 STM32CubeMX 配置工程

步骤1：创建新项目
1 打开 STM32CubeMX，并点击

2. 选择芯片：STM32F103C8T6，收藏后点击右上角Start Project

3.在RCC中选择外部高速晶振（只有选择了这个之后才能在后续配置时钟树）

4. 在SYS中选择调试接口

注：如果不选择的话就只能下载一次代码，后续下载之后可能需要点击复位键，比较麻烦

为了增强大家对后续操作的理解，这里简单补充关于时钟树的相关知识

当然可以！以下是极简版 STM32 时钟树，用一张简单表格告诉你所有关键点，适合初学者快速理解：

名称	是什么	频率	用途
HSI	内部时钟（自带）	8 MHz	开机默认，不用外接
HSE	外部晶振（小水晶）	8 MHz	精准时钟，用于主系统
PLL	锁相环（倍频器）	72 MHz	把 8MHz 放大到 72MHz
SYSCLK	主时钟（系统心跳）	最高 72 MHz	决定 CPU 跑多快
HCLK	CPU 时钟	通常 = SYSCLK（72MHz）	给 CPU 和内存用
PCLK1	低速外设时钟	通常 36 MHz	给 I2C、UART、TIM2/3/4 等
PCLK2	高速外设时钟	通常 72 MHz	给 GPIO、USART1、TIM1 等
LSE	外部低速晶振	32.768 kHz	给“闹钟”（RTC）用
LSI	内部低速时钟	~40 kHz	给看门狗（IWDG）用

其中PLL为锁相环倍频输出，其时钟输入源可选择为HSI/2、HSE或者HSE/2。倍频可选择为2~16倍，但是其输出频率最大不得超过72MHz。 通过倍频之后作为系统时钟的时钟源。
所以我们后续选择HSE ,然后PLL进行倍频

步骤2：配置时钟（Clock Configuration）
1、进入 Clock Configuration 标签页

• 设置 HSE 为 Crystal/Ceramic Resonator
• 将系统时钟（SYSCLK）设置为 72MHz（典型值）
  • HCLK = 72MHz
  • PCLK1 = 36MHz, PCLK2 = 72MHz

步骤 3：配置 USART1
选择USART1进行传输，将串口设置为异步工作模式

• 在 Connectivity → USART1 中：
  

步骤 4：启用中断

• 在 NVIC Settings 标签页中：
  • ✅ USART1 global interrupt
    

步骤 5：生成代码

• Project Manager → 设置项目名、路径、工具链为 MDK-ARM V5
  

• Code Generator Options:

  • 勾选 Generate peripheral initialization as a pair of '.c/.h' files per peripheral
    

• 点击右上角 Generate Code生成代码
  
  

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3、Keil 工程修改与代码实现

打开生成的工程，在 main.c 文件中进行如下修改：

✅ （1）：连续发送“hello windows！”并测试是否丢包

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER INCLUDE END */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);

/* Global variables */
uint8_t send_data[] = "hello windows!\r\n";
uint8_t rx_data; // 用于接收中断
volatile uint8_t send_pause = 0; // 控制发送暂停标志

/**
  * @brief  The application entry point.
  */
int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();

  /* Enable UART interrupt for RX */
  HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1);

  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    if (!send_pause)
    {
      HAL_UART_Transmit(&huart1, send_data, sizeof(send_data) - 1, HAL_MAX_DELAY);
      // 注意：这里没有加延时
    }
  }
}

结果如下：

➤仿真分析：
检测： USART1_SR 寄存器的 RXNE 位 的变化情况


分析：

第一次上升沿 RXNE = 1 发送了一个字节
第二次上升沿 RXNE = 1 再次发送一个字节
第三次上升沿 RXNE = 1 第三次发送

3 个 RXNE 脉冲，以下原因如下：
接收中断触发条件
HAL_UART_Receive_IT() 设置的是 单字节接收中断。
每当收到一个字节，就会触发一次中断，并将 RXNE 标志置 1。
中断处理完成后，RXNE 自动清零（由硬件自动清除）。

（2）：上位机控制 STM32 发送启停

功能描述：

• 上位机发 # → 停止发送
• 上位机发 * → 继续发送

✅ 添加串口中断回调函数（处理接收命令）

在 main.c 中添加以下函数（放在 main() 后面即可）：

/**
  * @brief UART 回调函数
  */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  if (huart->Instance == USART1)
  {
    if (rx_data == '#')
    {
      send_pause = 1; // 暂停发送
    }
    else if (rx_data == '*')
    {
      send_pause = 0; // 恢复发送
    }

    // 重新开启下一次中断接收
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1);
  }
}

效果如下：

---

四. 使用中断和 DMA 方式实现串口通信

我们继续深入学习 STM32 的中断与 DMA 通信机制，使用 STM32CubeMX + HAL 库 + Keil 完成以下两个任务：

1、采用串口中断方式重做任务二（2）

目标：用 中断方式接收上位机命令（# 暂停，* 继续），并用 中断方式发送数据 替代阻塞发送。

为什么使用中断？

• 避免 HAL_UART_Transmit() 阻塞 CPU
• 提高系统响应性和效率
• 实现“后台发送 + 实时响应接收”

---

步骤 1：CubeMX 配置

确保已配置：

• USART1 异步模式，115200, 8N1
• ✅ 使能 USART1 全局中断（NVIC）
• ✅ 初始化时已调用 HAL_UART_Receive_IT() 和 HAL_UART_Transmit_IT()

CubeMX 中无需额外设置，只需在代码中启用中断传输。

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步骤 2：完整代码（main.c）

/* Includes */
#include "main.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

/* Private variables */
extern UART_HandleTypeDef huart1;

uint8_t send_data[] = "hello windows!\r\n";
uint8_t rx_data;
volatile uint8_t send_pause = 0;
volatile uint8_t tx_complete = 1; // 标志：上一次发送完成

void SystemClock_Config(void);

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();

  // 启动串口接收中断（单字节循环接收）
  HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1);

  while (1)
  {
    // 非阻塞发送控制
    if (!send_pause && tx_complete)
    {
      tx_complete = 0;
      HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, send_data, sizeof(send_data) - 1);
      // 不加延时，靠中断触发下一次发送
    }
  }
}

/**
 * @brief UART 发送完成回调函数
 */
void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  if (huart->Instance == USART1)
  {
    tx_complete = 1; // 发送完成，可触发下一次
  }
}

/**
 * @brief UART 接收完成回调函数
 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  if (huart->Instance == USART1)
  {
    if (rx_data == '#')
    {
      send_pause = 1;
    }
    else if (rx_data == '*')
    {
      send_pause = 0;
      // 若暂停后恢复，尝试立即触发一次发送
      if (tx_complete)
      {
        tx_complete = 0;
        HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, send_data, sizeof(send_data) - 1);
      }
    }

    // 必须重新启动接收中断！！
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1);
  }
}

效果如下：

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2、使用DMA 方式连续向上位机高速发送数据

目标：利用 DMA 实现 零 CPU 干预 的连续串口发送，支持 115200 或更高速率（如 921600、2Mbps）

为什么使用 DMA？

• 发送大量数据时不占用 CPU
• 支持高波特率下稳定传输
• 适合音频、图像、日志等大数据流

步骤 1：CubeMX 配置 USART1 + DMA

1. 打开 CubeMX，选择 USART1

2. 在 DMA Settings 标签页中点击 Add：

   • Request: USART1_TX
   • Mode: Circular（循环发送）
   • Inc: Memory Increment Enable
   • Data Width: Byte
   • Direction: Memory to Peripheral
     

3. NVIC Settings：

   • ✅ USART1 global interrupt

4. 生成代码

自动生成 MX_DMA_Init() 和 DMA 相关初始化

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步骤 2： 完整代码（main.c）

#include "main.h"
#include "dma.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <string.h>
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
// 发送缓冲区（可自定义内容和长度，最大65535字节）
#define TX_BUFFER_LEN  32
uint8_t tx_buffer[TX_BUFFER_LEN] = "Hello DMA\r\n";
/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PV */

/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  // 启动DMA连续发送（循环模式下一次启动即可持续发送）
  if (HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, tx_buffer, TX_BUFFER_LEN) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    // 可添加其他业务逻辑（DMA自动循环发送，无需干预）
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

效果如下：

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3、提高波特率的方法（支持更高速率）

在 CubeMX 中修改 USART1 波特率：

• 设置为：921600 或 1000000（1Mbps）甚至 2000000
• 注意：PC 端串口芯片（如 CH340、CP2102）必须支持该速率
  • ✅ CP2102 支持最高 2Mbps
  • ❌ CH340 最高通常 2Mbps，但部分驱动支持有限

推荐使用 CP2102 模块测试高速传输

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五、 总结

从实验中可以总结出串口与DMA的核心作用，二者在数据传输中分工不同但协同工作，共同保障通信的可靠性与效率：

1、串口（UART/USART）的作用

串口是设备间数据交换的“物理链路与协议规范”，核心作用是实现不同设备（如STM32与上位机、电脑与电脑）之间的异步数据传输，具体体现为：

1. 提供标准化的通信协议
   定义数据传输的“规则”：包括波特率（数据传输速率，如115200bps）、数据帧格式（1位起始位、8位数据位、1位停止位、无校验位等），确保发送方与接收方能“听懂”彼此的信号（如实验中STM32与上位机需一致配置波特率才能正确解析“hello windows！”）。

2. 实现电平信号的转换与传输
   作为物理接口，串口通过TX（发送）和RX（接收）引脚传输电信号（TTL电平或RS232电平），将二进制数据转换为符合协议的高低电平波形（如实验中STM32的PA9引脚输出的串口波形），完成数据的物理层传输（如文件传输实验中电脑间的二进制文件数据通过串口线传递）。

3. 支持双向通信与指令交互
   串口可同时实现发送（TX）和接收（RX），支持设备间的双向数据交换。例如实验中“#暂停、*继续”功能：上位机通过串口发送控制指令，STM32通过串口接收并响应，体现了串口作为“指令交互通道”的作用。

2、DMA（直接存储器访问）的作用

DMA是解放CPU、提升数据传输效率的“硬件搬运工”，核心作用是在无需CPU干预的情况下，直接实现内存与外设（如串口）之间的数据传输，具体体现为：

1. 减少CPU负担，提高系统效率
   传统串口发送（轮询或中断方式）中，CPU需频繁参与数据搬运（如轮询等待发送完成，或中断响应处理），占用大量CPU资源。而DMA可独立完成“内存缓冲区→串口外设”的数据传输（如实验中DMA循环发送“hello windows！”时，CPU可空闲处理其他任务）。

2. 支持高速率、连续数据传输
   由于DMA由硬件直接控制传输，速度远快于CPU软件操作，适合高波特率（如115200bps及以上）或大量数据的连续传输。实验中DMA循环发送时，数据无间断输出，且不会因CPU忙碌导致传输延迟或丢失，保障了高速通信的稳定性。

3. 简化连续传输的软件逻辑
   通过配置DMA为“循环模式”，可实现数据的自动重复发送（如实验中发送缓冲区的数据发送完成后，DMA自动从头开始传输），无需CPU在主循环中重复调用发送函数，简化了连续传输的代码设计。

二者结合，既保证了通信的可靠性（串口协议），又提升了系统的效率（DMA硬件加速），是嵌入式系统中高效数据传输的经典方案。

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3、参考文献

江科大自化协
串口简单数据收发