STM32F103C8T6 UART串口通信完整教程：从入门到精通

适用芯片: STM32F103C8T6（Blue Pill）
难度等级: 入门到进阶

---

📋 目录

1. UART协议基础理论
2. STM32F103 UART硬件资源
3. UART寄存器详解
4. UART配置与初始化
5. 硬件电路连接
6. 标准库开发实战
7. HAL库开发实战
8. 高级应用与优化
9. 常见问题与调试技巧

---

1. UART协议基础理论

1.1 什么是UART？

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）是一种串行、异步、全双工的通信协议。与SPI、I2C等同步协议不同，UART不需要时钟信号，通过约定的波特率进行数据传输。

1.2 UART协议特点

• 异步通信: 不需要时钟信号，只需要波特率一致
• 全双工通信: 可以同时发送和接收数据
• 简单协议: 硬件实现简单，软件易于控制
• 广泛应用: 广泛用于串口通信、调试、设备间通信
• 长距离传输: 可以使用RS232/RS485等标准延长传输距离

1.3 UART信号线定义

UART通信最少只需要2根线：

信号线名称	全称	方向	说明
TX	Transmitter	主机→从机	发送数据线
RX	Receiver	主机←从机	接收数据线
GND	Ground	-	地线（必需）

注意事项:

• TX连接对方的RX，RX连接对方的TX（交叉连接）
• 必须共地才能正常工作

1.4 UART数据帧格式

UART数据帧由以下几部分构成：

┌─────┬──────┬─────┬──────┬─────┐
│起始位│数据位│校验位│停止位│空闲位│
│  0  │ 5-9  │ 0-1  │  1-2 │ 高  │
└─────┴──────┴─────┴──────┴─────┘

各部分详细说明：

1. 起始位（Start Bit）:

   • 固定为低电平（逻辑0）
   • 表示数据帧的开始
   • 持续1个波特率周期

2. 数据位（Data Bits）:

   • 可以是5、6、7、8或9位
   • 最常用的是8位
   • 先发送最低位（LSB），后发送最高位（MSB）

3. 校验位（Parity Bit）（可选）:

   • 无校验（None）: 不使用校验位
   • 奇校验（Odd）: 使数据位+校验位的"1"的总数为奇数
   • 偶校验（Even）: 使数据位+校验位的"1"的总数为偶数

4. 停止位（Stop Bit）:

   • 固定为高电平（逻辑1）
   • 持续1个或2个波特率周期
   • 表示数据帧的结束

5. 空闲位（Idle）:

   • 传输间隔期间保持高电平
   • 确保下次起始位能被正确识别

1.5 波特率（Baud Rate）

波特率定义：

• 波特率表示每秒传输的符号（位）数
• 单位：bps（bits per second）
• 常用的波特率：9600, 19200, 38400, 57600, 115200 等

波特率计算公式：

STM32F103的UART波特率通过以下公式配置：

波特率 = fCK / (USARTDIV × 16)

其中：
- fCK: USART时钟频率
- USARTDIV: 分频因子

1.6 UART工作流程

发送流程：

1. 发送器将数据写入发送数据寄存器（TDR/DR）
2. 数据从TDR传送到发送移位寄存器
3. 按照LSB先发的顺序，逐位发送数据
4. 添加起始位、停止位、校验位（如果启用）
5. 通过TX引脚输出数据

接收流程：

1. 检测到RX引脚的下降沿（起始位）
2. 按照约定的波特率采样数据位
3. 数据从接收移位寄存器传送到接收数据寄存器（RDR/DR）
4. 触发接收中断或标志位
5. CPU读取接收到的数据

---

2. STM32F103 UART硬件资源

2.1 STM32F103C8T6 UART外设概述

STM32F103C8T6共有3个UART外设：

• USART1: 全功能UART/USART（最高4.5Mbps）
• USART2: 全功能UART/USART（最高2.25Mbps）
• USART3: 全功能UART/USART（最高2.25Mbps）

UART vs USART：

• UART：只支持异步通信
• USART：支持异步和同步通信（可以使用外部时钟）
• STM32F103的USART可以通过配置只使用异步模式

2.2 UART引脚资源表

USART1引脚:

模式	引脚	功能	复用重映射
标准	PA9	TX	已启用
标准	PA10	RX	已启用
重映射	PB6	TX	需要重映射
重映射	PB7	RX	需要重映射

USART2引脚:

引脚	功能	说明
PA2	TX	串口2发送
PA3	RX	串口2接收

USART3引脚:

模式	引脚	功能
标准	PB10	TX
标准	PB11	RX
部分重映射	PC10	TX
部分重映射	PC11	RX
完全重映射	PD8	TX
完全重映射	PD9	RX

2.3 UART时钟源配置

STM32F103的UART时钟源：

USART1: 挂载在APB2总线上 (最高72MHz)
USART2: 挂载在APB1总线上 (最高36MHz)
USART3: 挂载在APB1总线上 (最高36MHz)

波特率分频器配置：

通过配置BRR寄存器来设置波特率分频：

BRR寄存器 = 16位
- 高4位：小数部分
- 低12位：整数部分

常用波特率配置表（72MHz系统时钟，USART1）：

波特率	分频比	BRR值（Hex）
9600	750	0x1D4C
19200	375	0xEA6
38400	187.5	0x753
57600	125	0x4E2
115200	62.5	0x271
230400	31.25	0x139
460800	15.625	0x9D
921600	7.8125	0x4F

---

3. UART寄存器详解

3.1 状态寄存器（USART_SR）

USART状态寄存器用于反映当前UART的状态：

位	名称	说明
7	TXE	发送数据寄存器空：可以写入新数据
6	TC	传输完成：数据已完全发送
5	RXNE	接收数据寄存器非空：有数据可读
4	IDLE	空闲总线检测
3	ORE	溢出错误
2	NE	噪声错误
1	FE	帧错误
0	PE	校验错误

3.2 数据寄存器（USART_DR）

• 写入操作：数据写入发送数据寄存器（TDR）
• 读取操作：从接收数据寄存器（RDR）读取数据
• 该寄存器为8位，但在9位数据长度模式下可扩展到9位

3.3 波特率寄存器（USART_BRR）

16位寄存器，用于配置波特率：

位15-4：Mantissa（整数部分）
位3-0：Fraction（小数部分）

波特率 = fCK / (16 × USARTDIV)
USARTDIV = Mantissa + (Fraction/16)

3.4 控制寄存器1（USART_CR1）

位	名称	说明
13	UE	USART使能
12	M	字长度：0=8位，1=9位
10	PCE	奇偶校验使能
9	PS	奇偶选择：0=偶校验，1=奇校验
7	TXEIE	TXE中断使能
6	TCIE	TC中断使能
5	RXNEIE	RXNE中断使能
3	TE	发送使能
2	RE	接收使能
0	SBK	发送断开帧

3.5 控制寄存器2（USART_CR2）

位	名称	说明
13-12	STOP	停止位长度
5	CLKEN	时钟使能（同步模式）
3	CPHA	时钟相位
2	CPOL	时钟极性

3.6 控制寄存器3（USART_CR3）

位	名称	说明
7	DMAT	DMA发送使能
6	DMAR	DMA接收使能
5	SCEN	智能卡模式使能
1	IREN	红外模式使能

---

4. UART配置与初始化

4.1 UART初始化步骤

1. 使能时钟: 使能UART和GPIO的时钟
2. 配置GPIO: 配置TX为复用推挽输出，RX为浮空输入
3. 配置UART参数:
   • 波特率
   • 数据位长度
   • 停止位
   • 校验位
   • 硬件流控（可选）
4. 使能UART: 使能UART外设
5. 配置中断（可选）: 使能发送/接收中断

4.2 波特率计算

STM32提供的便捷计算公式：

// 波特率计算公式
uint16_t usartdiv = (uint16_t)(SystemCoreClock / (baudrate * 16));
uint8_t div_fraction = (uint8_t)(usartdiv % 16);
uint8_t div_mantissa = (uint8_t)(usartdiv / 16);

BRR = (div_mantissa << 4) | div_fraction;

4.3 常用配置参数

常用波特率：

• 9600: 低速通信，稳定可靠
• 115200: 高速通信，常用调试
• 921600: 超高速通信

数据位配置：

• 8位: 最常用，一个字节
• 9位: 可用于多机通信

停止位配置：

• 1位: 标准配置
• 0.5位: 不需要
• 2位: 用于噪声环境

校验位配置：

• None: 无校验（常用）
• Even: 偶校验
• Odd: 奇校验

---

5. 硬件电路连接

5.1 STM32与电脑连接

STM32F103C8T6                USB转TTL模块
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
    PA9 (TX)  ────────────> RX
    PA10(RX)  <──────────── TX
    GND       ────────────> GND
    3.3V      ────────────> VCC (可选)

注意事项：

• STM32的UART是3.3V电平
• 必须使用3.3V的USB转TTL模块
• 不要连接5V模块，会损坏STM32

5.2 两个STM32互相通信

STM32#1                    STM32#2
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
    PA9 (TX)  ────────────> PA10(RX)
    PA10(RX)  <──────────── PA9 (TX)
    GND       ────────────> GND

重要: TX接RX，RX接TX（交叉连接）

5.3 通过RS232模块连接

STM32                    MAX232模块          电脑串口
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
    TX ──────> T1IN ────> T1OUT ────> RD
    RX <────── R1OUT <──── R1IN <──── TD
    3.3V ─────> VCC
    GND ──────> GND

---

6. 标准库开发实战

6.1 GPIO配置

/**
 * USART1 GPIO初始化配置
 * TX: PA9
 * RX: PA10
 */
void USART1_GPIO_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    // 使能GPIOA和USART1时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
    
    // 配置PA9为复用推挽输出（TX）
    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;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // 配置PA10为浮空输入（RX）
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}

6.2 UART配置

/**
 * USART1初始化配置
 * 波特率: 115200
 * 数据位: 8
 * 停止位: 1
 * 校验位: 无
 * 流控: 无
 */
void USART1_Config(void)
{
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    
    // USART初始化结构体配置
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;                           // 波特率115200
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;           // 8位数据
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;                // 1个停止位
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;                   // 无校验
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; // 无流控
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;       // 接收和发送模式
    
    // 初始化USART1
    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
    
    // 使能USART1
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

6.3 发送函数实现

/**
 * USART1发送一个字节
 * @param data: 要发送的数据
 */
void USART1_SendByte(uint8_t data)
{
    // 等待发送数据寄存器空
    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    
    // 发送数据
    USART_SendData(USART1, data);
}

/**
 * USART1发送字符串
 * @param str: 要发送的字符串
 */
void USART1_SendString(char *str)
{
    while(*str)
    {
        USART1_SendByte(*str);
        str++;
    }
}

/**
 * USART1发送数组
 * @param buf: 要发送的数据缓冲区
 * @param len: 数据长度
 */
void USART1_SendBuffer(uint8_t *buf, uint16_t len)
{
    uint16_t i;
    for(i = 0; i < len; i++)
    {
        USART1_SendByte(buf[i]);
    }
}

/**
 * USART1格式化输出（简单版）
 * 支持 %d, %x, %c, %s
 */
void USART1_Printf(const char *fmt, ...)
{
    char buffer[256];
    va_list args;
    
    va_start(args, fmt);
    vsnprintf(buffer, sizeof(buffer), fmt, args);
    va_end(args);
    
    USART1_SendString(buffer);
}

6.4 接收函数实现

/**
 * USART1接收一个字节（阻塞方式）
 * @return: 接收到的数据
 */
uint8_t USART1_ReceiveByte(void)
{
    // 等待接收数据就绪
    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
    
    // 读取接收到的数据
    return USART_ReceiveData(USART1);
}

/**
 * USART1非阻塞接收
 * @param data: 接收数据指针
 * @return: 1-成功, 0-失败
 */
uint8_t USART1_ReceiveByte_NonBlocking(uint8_t *data)
{
    if(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) != RESET)
    {
        *data = USART_ReceiveData(USART1);
        return 1;
    }
    return 0;
}

6.5 中断配置

/**
 * USART1中断配置
 */
void USART1_NVIC_Config(void)
{
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
    // 配置USART1中断优先级
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);
    
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    
    // 使能接收中断
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
    
    // 使能发送完成中断（可选）
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_TC, ENABLE);
}

/**
 * USART1中断服务函数
 */
void USART1_IRQHandler(void)
{
    uint8_t recv_data;
    
    // 接收中断
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)
    {
        // 清除中断标志
        USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);
        
        // 读取接收到的数据
        recv_data = USART_ReceiveData(USART1);
        
        // 处理接收到的数据
        // 例如：回传数据或处理命令
        USART1_SendByte(recv_data);
    }
    
    // 发送完成中断
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_TC) != RESET)
    {
        USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_TC);
        // 可以在这里更新发送完成标志
    }
}

6.6 主函数示例

#include "stm32f10x.h"

extern void USART1_GPIO_Config(void);
extern void USART1_Config(void);
extern void USART1_SendByte(uint8_t data);
extern void USART1_SendString(char *str);
extern uint8_t USART1_ReceiveByte(void);

int main(void)
{
    uint8_t recv_data;
    
    // 系统初始化
    SystemInit();
    
    // USART1初始化
    USART1_GPIO_Config();
    USART1_Config();
    
    // 发送测试信息
    USART1_SendString("STM32F103 UART Test!\r\n");
    
    while(1)
    {
        // 接收数据
        recv_data = USART1_ReceiveByte();
        
        // 回传数据
        USART1_SendByte(recv_data);
    }
}

---

7. HAL库开发实战

7.1 HAL库UART初始化

#include "main.h"
#include "stm32f1xx_hal.h"

UART_HandleTypeDef huart1;

/**
 * USART1初始化（HAL库版本）
 */
void MX_USART1_UART_Init(void)
{
    huart1.Instance = USART1;
    huart1.Init.BaudRate = 115200;                          // 波特率
    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;           // 8位数据
    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;                // 1个停止位
    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;                 // 无校验
    huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;                    // 收发模式
    huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;           // 无流控
    huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;       // 过采样16倍
    
    if(HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

/**
 * UART底层初始化（MSP回调函数）
 */
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
    if(huart->Instance == USART1)
    {
        // 使能时钟
        __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();
        __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
        
        // 配置PA9(TX)
        GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
        GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
        HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
        
        // 配置PA10(RX)
        GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10;
        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
        GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
        HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
        
        // 使能UART中断（可选）
        HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 0, 0);
        HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);
    }
}

7.2 HAL库发送接收

/**
 * HAL库：UART发送数据
 * @param data: 数据指针
 * @param size: 数据大小
 * @param timeout: 超时时间(ms)
 */
void UART1_Transmit(uint8_t *data, uint16_t size, uint32_t timeout)
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1, data, size, timeout);
}

/**
 * HAL库：UART接收数据
 * @param data: 数据缓冲区
 * @param size: 数据大小
 * @param timeout: 超时时间(ms)
 */
void UART1_Receive(uint8_t *data, uint16_t size, uint32_t timeout)
{
    HAL_UART_Receive(&huart1, data, size, timeout);
}

/**
 * HAL库：中断方式发送
 */
void UART1_Transmit_IT(uint8_t *data, uint16_t size)
{
    HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, data, size);
}

/**
 * HAL库：中断方式接收
 */
void UART1_Receive_IT(uint8_t *data, uint16_t size)
{
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, data, size);
}

/**
 * HAL库：DMA方式发送
 */
void UART1_Transmit_DMA(uint8_t *data, uint16_t size)
{
    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, data, size);
}

/**
 * HAL库：DMA方式接收
 */
void UART1_Receive_DMA(uint8_t *data, uint16_t size)
{
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, data, size);
}

7.3 HAL库回调函数

/**
 * 发送完成回调函数
 */
void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if(huart->Instance == USART1)
    {
        // 发送完成处理
    }
}

/**
 * 接收完成回调函数
 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if(huart->Instance == USART1)
    {
        // 接收完成处理
        // 可以重新启动接收
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, buffer, 1);
    }
}

/**
 * 错误回调函数
 */
void HAL_UART_ErrorCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if(huart->Instance == USART1)
    {
        // 错误处理
    }
}

/**
 * USART1中断服务函数
 */
void USART1_IRQHandler(void)
{
    HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
}

---

8. 高级应用与优化

8.1 DMA方式传输

/**
 * UART DMA发送配置
 */
void UART1_DMA_Config(void)
{
    // DMA配置...
    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, tx_buffer, tx_len);
}

8.2 环形缓冲区实现

#define UART_BUFFER_SIZE 256

typedef struct
{
    uint8_t buffer[UART_BUFFER_SIZE];
    volatile uint16_t head;
    volatile uint16_t tail;
} uart_ring_buffer_t;

uart_ring_buffer_t rx_buffer;

/**
 * 环形缓冲区初始化
 */
void RingBuffer_Init(uart_ring_buffer_t *rbuf)
{
    rbuf->head = 0;
    rbuf->tail = 0;
}

/**
 * 写入数据到环形缓冲区
 */
uint8_t RingBuffer_Put(uart_ring_buffer_t *rbuf, uint8_t data)
{
    uint16_t next = (rbuf->head + 1) % UART_BUFFER_SIZE;
    
    if(next == rbuf->tail)
        return 0; // 缓冲区满
    
    rbuf->buffer[rbuf->head] = data;
    rbuf->head = next;
    return 1;
}

/**
 * 从环形缓冲区读取数据
 */
uint8_t RingBuffer_Get(uart_ring_buffer_t *rbuf, uint8_t *data)
{
    if(rbuf->head == rbuf->tail)
        return 0; // 缓冲区空
    
    *data = rbuf->buffer[rbuf->tail];
    rbuf->tail = (rbuf->tail + 1) % UART_BUFFER_SIZE;
    return 1;
}

8.3 printf重定向

#include <stdio.h>

/**
 * 重定向fputc函数到UART
 */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    USART1_SendByte((uint8_t)ch);
    return ch;
}

// 现在可以使用printf了
printf("Hello World! Value = %d\r\n", value);

---

9. 常见问题与调试技巧

9.1 常见问题排查

问题1: 接收不到数据

可能原因:

1. TX和RX接反
2. 波特率不匹配
3. 没有共地
4. GPIO配置错误

解决方法:

• 检查TX接对方RX，RX接对方TX
• 确保波特率一致
• 确保GND连接
• 检查GPIO是否配置为复用功能

问题2: 数据乱码

可能原因:

1. 波特率错误
2. 时钟配置错误
3. 数据位/停止位不匹配

解决方法:

• 重新配置波特率
• 检查系统时钟配置
• 确保参数匹配

9.2 调试技巧

使用逻辑分析仪

• 抓取TX/RX波形
• 验证波特率
• 检查数据格式

使用串口助手

• 设置正确的参数
• 十六进制显示
• 发送/接收测试

9.3 实际应用案例

案例1: 串口命令解析

void UART1_Command_Process(uint8_t cmd)
{
    switch(cmd)
    {
        case '1':
            USART1_SendString("LED1 ON\r\n");
            GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);
            break;
        case '0':
            USART1_SendString("LED1 OFF\r\n");
            GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);
            break;
        default:
            USART1_SendString("Unknown Command\r\n");
            break;
    }
}

---

📚 总结

本文档详细介绍了STM32F103C8T6的UART串口通信，包括：

1. 理论基础: UART协议原理、帧格式、波特率
2. 硬件资源: STM32 UART外设和引脚资源
3. 寄存器配置: 详细解释了关键寄存器
4. 实战编程: 提供了标准库和HAL库的完整代码
5. 高级应用: DMA、环形缓冲区、printf重定向
6. 调试技巧: 常见问题排查方法

希望本文档能帮助大家快速掌握STM32F103的UART通信！

---

祝您学习愉快，开发顺利！ 🎉