简介：

基于STM32标准库，主要涉及初始化、收发原理、中断收发、常用配置。STM32F103 有2个USART，其中，USART1位于APB2总线，USART2/3是APB1总线，支持同步/异步模式，常用异步串口UART模式。参考江科大视频，如有错误，欢迎指正，侵删！

一、串口核心知识点

1、总线时钟

USART1挂APB2，预分频器不分频，72MHz,串口时钟=APB2时钟。

USART2/3挂APB1，APB1最大36MHz，串口时钟=APB1时钟*2（APB1预分频不为1时加倍）。STM32标准库自动计算波特率分频值，不用手动算。

2、串口引脚复用功能

默认复用引脚：

USART1：TX-PA9、RX-PA10

USART2：TX-PA2 、RX-PA3

USART3：TX-PB10、RX-PB11

注：必须开启GPIO复用时钟，USART外设时钟，GPIO配置为复用推挽输出。

3、串口

1）工作模式：异步串口：只需要TX（发送）、RX（接收）2根线，无时钟线。

帧格式：起始位1bit +数据位8/9bit +停止位0.5/1.5/2bit +奇偶检验（可选），常见配置：8N1，9600/115200波特率。

2）硬件

注：RX与Tx交叉连接，只需担心数据传输，可以只接一根线。电平标准不一致时，加电平转换芯片。

3）常用串口电平标准如下：

TTL电平：+3.3V或+5V表示1，0V表示0（最常见，单片机常用）

RS232电平：-3~-15V表示1，+3~+15V表示0

RS485电平：两线压差+2~+6V表示1，-2~-6V表示

4）串口参数及时序

波特率：串口通信速率

起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平；

数据位：数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平；

校验位：数据验证，根据数据位计算；

停止位：数据帧间隔，固定位高电平；

   

建议：不需要校验位选8位数据，需要选9位数据。

二、标准库库函数

1、USART初始化结构体 USART_InitTypeDef()

typedef struct{
uint32_t USART_BaudRate;//波特率
uint16_t USART_WordLength;/数据位长度
uint16_t USART_StopBits;//停止位
uint16_t USART_Parity; //奇偶校验
uint16_t USART_Mode;//收发模式：只发/只收/收发
uint16_t USART_HardwareFlowControl;//硬件流控制，一般关闭
}USART_InitTypeDef;

2、常用宏定义：

USART_WordLength_8b //8位数据
USART_StopBits_1 //1位停止位
USART_Parity_No //无校验
USART_Mode_Tx |USART_Mode_Rx //收发全开
USART_HardwareFlowControl_None //关闭硬件流控制

3、中断配置结构体USART_ITConfig

串口常用中断：

USART_IT_RXNE：接收数据寄存器非空中断（收到一个字节就触发中断，最常用）；

USART_IT_TXE：发送数据寄存器空中断；

USART_IT_TC：发送完成中断；

4、关键库函数

USART_Init(USART_TypeDef* USARTx,USART_InitTypeDef*USART_InitStruct);//串口初始化函数
USART_Cmd(USART_TypeDef*USARTx,FunctionState NewState); //使能/关闭串口外设
USART_SendData(USART_TypeDef*USARTx,uint16_t Data);//发送一个字节
uint16_t USART_ReceiveData(USART_TypeDef*USARTx);//读取接收到的一个字节
FlagStatus USART_GetFlagStatus(USART_TypeDef*USARTx,uint16_t USART_FlAG);//查询标志位
void USART_ITConfig(USART_TypeDef*USARTx ,uint16_t USART_IT,FunctionState NewState)//开启串口对应中断

USART_FLAG_RXNE(Read data register not empty)：读数据寄存器非空，接收标志（有数据可读）；

USART_FLAG_TXE(Transmit data register empty)：发送数据寄存器空，可以写数据；

USART_FLAG_TC(Transmission complete)：一帧数据全部发送完成；

三、收发过程

1、概述

单片机串口：硬件独立工作，CPU只管写数据、读数据，收发是USART外设自行移位处理，不用CPU一位位搬运。分2部分：单片机发送数据、电脑/外设给单片机发送数据（单片机接收）。

2、发送过程（Tx接PA9）

寄存器核心：DR（数据寄存器）、TXE标志位、移位寄存器。

步骤1：CPU执行 USART_SendData(USART1,data);

函数本质：把你传入的8位数据，写入USART的DR数据保持寄存器。此时移位寄存器是空的，硬件自动把DR里的数据搬到移位寄存器，开始一位位往外发送。

步骤2：TXE标志位置1

数据从DR搬走后，硬件自动置位USART_FLAG_TXE。含义：DR寄存器已经空了，可以再写下一个字节。

查询发送：while(!TXE)或者while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) ==RESET);就是等待这个标志，等它置1就可以发送下一个字节。

如果开启中断，USART_ITConfig(USART1,USART_IT_TXE，ENABLE)，此时会触发 发送空 中断。

步骤3：移位寄存器自动串行输出

USART硬件自行处理时序：先发一位起始位（低电平）→依次发送8位数据位→1位停止位（高电平），波特率时钟由外设自己产生，CPU不用管。一帧数据全部发送完毕后，硬件置位 TC发送完成标志位。

整个流程：CPU写DR→DR数据送入移位寄存器→TXE置1→硬件串行移位输出引脚TX→全部发送完TC置1。

3、单片机接收过程（Rx引脚PA10，外设主动发送CPU）

步骤1、外部设备（电脑串口助手）往Rx引脚发高低电平，Rx引脚不断检测电平变化，当检测到一个下降沿（起始位），串口外设开始同步接收。

步骤2、硬件移位采样数据

USART按照波特率，连续采样8位数据，存入内部移位寄存器，8位数据全部收齐之后，硬件自动把移位寄存器的数据复制到DR数据寄存器。

步骤3、硬件置位RXNE标志位。DR寄存器装入新数据后，硬件自动置位USART_FLAG_RXNE，即：接收寄存器非空，有新数据，CPU要来读取。此时2种方式可以实现：

1)只查询方式，没开中断（不用USART_ITConfig）

USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_RXNE)，查询到标志为1，就去读DR寄存器。

2）开启RXNE接收中断（使用USART_ITConfig）

RXNE置1，由于开启了中断，串口外设立即向NVIC发出中断请求，NVIC已经提前配置USART1中断，CPU暂停主循环程序，跳入固定中断函数：USART1_IRQHandler()；

步骤4、CPU读取DR数据

函数：USART_ReceiveData()读取DR，这个读操作硬件会自动清除RXNE标志位。标志位清零后，串口外设才可以继续接收下一个字节。

注意：如果进入中断，没有用USART_ReceiveData()读取DR，RXNE标志一直是1，会一直不断重复进入中断，卡死程序。

综上：接收过程是：外部电平→Rx引脚硬件移位接收→数据存入DR→RXNE置1→开启中断就触发USART1中断→CPU进中断服务函数→读取DR→硬件自动清除RXNE标志位→等待下一个字节。

四、代码编写

配置：STM32F103C8T6，72MHz，9600bit/s，PA9-Tx，PA10-Rx

练习1、只发送数据Tx--PA9

1、开启时钟,GPIO配置为复用推挽输出

void Serial_Init()
{
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);
	//GPIO初始化
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 ;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);

    //USART 初始化并使能
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx;
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	USART_InitStructure.USART_WordLength =USART_WordLength_8b;
	USART_Init(USART1,&USART_InitStructure);
	USART_Cmd(USART1,ENABLE);
}

2、发送一个字节和发送字符串函数（先发送低位）

void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendData(USART1,Byte);
	while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) ==RESET);
}
//发送字符串
 void Serial_SendString(char* String)
 {
	while(*String )
	{
		Serial_SendByte(*String++);
	}
 
 }

3、测试

#include "stm32f10x.h"           
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"
int main()
{
	OLED_Init();
	Serial_Init();
	Serial_SendByte(0x34);
	Serial_SendString("hello\r\n");
	
	while(1)
	{
		
	}

}

练习2：收发数据

1、开启时钟,GPIO配置PA9复用推挽输出，PA10浮空输入，

void Serial_Init()
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 ;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 ;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx |USART_Mode_Rx;
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	USART_InitStructure.USART_WordLength =USART_WordLength_8b;
	USART_Init(USART1,&USART_InitStructure);
	USART_Cmd(USART1,ENABLE);

}

2、接收数据并发送，在OLED上显示

方式1：接步骤1的代码，采用查询的方式：不断检测USART_FLAG_RXNE标志位，置1就读取数据。

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"
uint8_t Data;

int main()
{
	OLED_Init();
	Serial_Init();
	
	while(1)
	{
		if(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_RXNE) ==SET)
		{
			Data =USART_ReceiveData(USART1);
			Serial_SendByte(Data);
			OLED_ShowHexNum(1,1,Data,2);	
		}		
	}
}

方法2、中断方式接收（项目常用）

原理：外设设备发来一个字节，硬件置位RXNE标志，触发USART1中断，进入中断函数读取数据。完整代码如下：

Serial.c代码

#include "Serial.h"

uint8_t Receive_Flag,Data;

void Serial_Init()
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 ;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 ;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE);

	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
	
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx |USART_Mode_Rx;
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
	USART_InitStructure.USART_WordLength =USART_WordLength_8b;
	USART_Init(USART1,&USART_InitStructure);
	USART_Cmd(USART1,ENABLE);

}
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendData(USART1,Byte);
	while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) ==RESET);
}
 void Serial_SendString(char* String)
 {
	while(*String )
	{
		Serial_SendByte(*String++);
	}
 }
 
uint8_t Serial_RxFlag1()
{
	if(Receive_Flag ==1)
	{
		Receive_Flag =0;
		return 1;
	}
	return 0;
}
uint8_t Rx_GetData1()
{
	return Data;
}
 
 void USART1_IRQHandler()
 {
	if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_RXNE) ==SET)
	{
		Data =USART_ReceiveData(USART1);
		Receive_Flag =1;
		USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE);		
	}
 }


 

main.c代码：

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Serial.h"

uint8_t GetData;
int main()
{
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	OLED_Init();
	Serial_Init();
	
	while(1)
	{
		if(Serial_RxFlag1()==1)
		{
			GetData =Rx_GetData1();
			Serial_SendByte(GetData);
			OLED_ShowHexNum(1,1,GetData,2);
			
		}
		
	}
}

初始化时，也可以将波特率设为变量 uint32_t  BaudRate 。

总结：标准库配置流程（中断）：

1、开启GPIO时钟、开串口外设时钟；

2、GPIO配置：Tx复用推挽，Rx浮空输入；

3、USART1结构体初始化：波特率、8N1格式；

4、开启外设中内部断使能（USART_ITConfig必写）；

5、NVIC优先级分组，设置一次全局即可；

6、NVIC通道初始化，打开CPU中断响应；

7、使能USART外设；

8、编写中断服务函数；

五、关于中断USART_ITConfig

1、USART_ITConfig()是单独打开串口某一个中断开关，外设本身有中断功能，默认是关闭，这个函数就是打开对应的中断使能开关，不写的话，硬件不会触发串口中断。

STM32有2道开关，都得开启，缺一不可：

开关1：外设内部中断使能 USART_ITConfig()，有很多中断源，默认都关闭。（给串口外设开门）

比如：USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE);就是告诉USART1外设，收到数据（RXNE事件发生），要向NVIC中断控制器发出中断请求信号。

开关2：NVIC总开关---NVIC_Init()   （3、给CPU开门）

NVIC是芯片统一中断控制器，配置NVIC，是允许CPU响应这个中断通道。

总之：USART_ITConfig()允许外设产生中断请求→NVIC_Init()CPU允许响应这个请求。

2、USART_ITConfig()第2个参数：

参数	含义
USART_IT_RXNE	接收数据寄存器非空 中断
USART_IT_TXE	发送数据寄存器空 中断
USART_IT_TC	一帧全部发送完成 中断
USART_IT_PE	奇偶检验错误 中断

3、三种情况要不要写USART_ITConfig()

1）查询方式接收（while轮询标志位），不用写；

2）开启串口Rx接收中断，必须写；

3）只用串口发送，不开启任何中断，不用写；

六、printf重定向

1、原理：printf()底层会调用一个标准库函数fputc()，默认这个函数往电脑控制台输出，我们要重写这个函数让它把每一个字符通过串口发送出去。

2、开启步骤

步骤1、在keil里，魔术棒→Target勾选UseMircroLIB，否则printf无法输出。

步骤2、在串口初始化的c文件中编写重定向即可。本案例是Serial.c，包含头文件<stdio.h>

#include <stdio.h>
int fputc(int ch,FILE*f)
{
	while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE) ==RESET);
	USART_SendData(USART1,ch);	
	return ch;
}

这样就定向到了串口1。

3、注意事项

1）printf内部是等待TXE标志逐个发送字符，会阻塞CPU允许。

2）不要在中断服务函数里调用printf。中断里运行printf会造成程序卡死、时序混乱。

3）主循环里随便使用printf，但打印大量数据会占用CPU时间。

4、printf重定向什么时候用？什么时候不用？

使用：

场景1、调试程序，查看变量数值，程序运行状态，比如，可直接写：printf("温度：%d\r\n",temp);

串口助手直接看到打印的数值等。

场景2：快速打印字符串+数字混合内容，不然打印数字很麻烦，要拆分百、十、个位等

场景3：工程复杂，多处需打印日志信息。程序模块多，采集、通讯、电机控制等多处需要输出信息，统一printf，代码简洁。

不使用：

场景1：产品已经调试完毕，关闭printf接收flash空间。

场景2：只用串口简单收发指令，只接收上位机命令，不需要打印日志。

场景3：单片机资源紧张。