📚 课程目录第2章 UART基础与HAL库轮询模式

UART基础与HAL库轮询模式

各位同学，咱们今天聊点实在的。串口通信，说白了就是嵌入式工程师的"嘴"和"耳朵"。你想想看，一个单片机要是不能跟外界说话，那跟一块砖头有什么区别？我刚开始做嵌入式那会儿，第一个调通的外设就是UART，当时看着串口助手上一行行打印出来的数据，那种成就感，到现在还记得。

这一章，咱们就把UART的底裤扒干净。从协议基础到HAL库的轮询收发，一步步来。

UART协议基础

UART全称是Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器。注意"异步"这两个字——收发双方没有独立的时钟线，全靠约定好的参数来对齐数据。

一条UART通信线路上，默认是空闲高电平。起始位拉低，然后从最低位开始传数据，最后是停止位拉高。就这么简单。

参数	常见取值	我的建议
波特率	9600、115200、460800	调试用115200，量产看需求
数据位	8位（最常用）	除非特殊协议，否则用8位
停止位	1位、2位	1位就够了，2位浪费带宽
校验位	无、奇校验、偶校验	大多数场景用无校验

注意：收发双方的波特率误差不能超过±2%。我遇到过一块劣质USB转串口模块，标称115200实际只有112000，折腾了我一整天。后来换了FT232芯片的模块，问题立刻解决。

波特率怎么算？以STM32F103为例，APB2总线时钟72MHz，USART1挂在这个总线上。波特率计算公式是：

波特率 = 时钟频率 / (16 × USARTDIV)

USARTDIV是一个小数分频系数，HAL库的HAL_UART_Init()会帮你算好。你只需要在CubeMX里选个波特率就行。

HAL_UART_Transmit 与 HAL_UART_Receive 详解

这两个函数，是HAL库UART轮询模式的核心。咱们先看发送：

HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(
    UART_HandleTypeDef *huart,
    uint8_t *pData,
    uint16_t Size,
    uint32_t Timeout
);

参数不多，但每个都有讲究：

huart：UART句柄指针，CubeMX生成的&huart1这种
pData：要发送的数据缓冲区指针
Size：发送的字节数
Timeout：超时时间，单位ms。设为HAL_MAX_DELAY表示一直等

返回值是HAL_OK、HAL_ERROR、HAL_BUSY或HAL_TIMEOUT。我个人习惯每次调用后都检查返回值，哪怕是在demo代码里。

小技巧：Timeout参数别设太大。调试时设1000ms就够了，如果1秒还没发完，大概率是硬件有问题。我曾经把Timeout设成HAL_MAX_DELAY，结果硬件没接好，程序卡死在发送函数里，连调试器都连不上。

接收函数长这样：

HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(
    UART_HandleTypeDef *huart,
    uint8_t *pData,
    uint16_t Size,
    uint32_t Timeout
);

参数跟发送一模一样。但有个坑——这个函数必须收到正好Size个字节才会返回。少一个字节都不行，会一直等直到超时。

为什么会这样？因为HAL库的轮询接收是"阻塞式"的。它在内部用一个while循环，不断检查RXNE标志位，收一个字节存一个，直到收满Size个。

轮询模式实现数据收发

咱们写个最简单的例子。STM32F103C8T6，USART1，PA9-TX，PA10-RX，115200-8N1。

初始化代码CubeMX帮你生成了，咱们直接看收发：

// 发送一个字符串
uint8_t tx_buf[] = "Hello, UART!\r\n";
HAL_UART_Transmit(&huart1, tx_buf, sizeof(tx_buf)-1, 1000);

// 接收5个字节
uint8_t rx_buf[5];
if(HAL_UART_Receive(&huart1, rx_buf, 5, 1000) == HAL_OK)
{
    // 收到5个字节，处理数据
    // 注意：如果只收到3个字节，函数会超时返回HAL_TIMEOUT
}

这段代码看着简单，但实际项目里很少这么用。为什么？因为轮询模式会阻塞CPU。在等待接收的1000ms里，CPU啥也干不了。你想想看，如果主循环里还有其他任务——比如读传感器、控制电机——那整个系统就卡死了。

    轮询模式的适用场景：
    调试阶段，临时打印日志
与PC端简单交互，数据量小
系统空闲，没有其他实时任务

实战：PC端串口助手收发数据

咱们来做个实验。用STM32开发板，接上USB转串口模块，打开串口助手。

代码逻辑很简单：

上电后发送"UART Ready!\r\n"
等待接收1个字节
收到后，把收到的字节加1，再发回去
循环

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

    uint8_t tx_ready[] = "UART Ready!\r\n";
    HAL_UART_Transmit(&huart1, tx_ready, sizeof(tx_ready)-1, 100);

    uint8_t rx_byte;
    uint8_t tx_byte;

    while (1)
    {
        // 等待接收1个字节
        if(HAL_UART_Receive(&huart1, &rx_byte, 1, 5000) == HAL_OK)
        {
            // 收到数据，加1后回发
            tx_byte = rx_byte + 1;
            HAL_UART_Transmit(&huart1, &tx_byte, 1, 100);
        }
        else
        {
            // 超时，打印提示
            uint8_t timeout_msg[] = "Timeout!\r\n";
            HAL_UART_Transmit(&huart1, timeout_msg, sizeof(timeout_msg)-1, 100);
        }
    }
}

在串口助手里发送字符'A'（0x41），应该收到'B'（0x42）。如果收不到，别急，按下面的步骤排查：

检查串口助手的波特率、数据位、停止位是否跟代码一致
检查TX/RX有没有接反——我犯过这个错不下五次
检查共地——两个设备的GND必须连在一起
用示波器或逻辑分析仪看TX引脚有没有波形

避坑指南：我曾经在调试一个量产项目时，发现10块板子里有2块串口不通。查了半天，发现是USB转串口模块的TX引脚电平是3.3V，但STM32的RX引脚容忍5V——问题出在模块的TX驱动能力不足。后来换了带电平转换的模块，问题解决。所以，硬件选型一定要看datasheet，别想当然。

好了，咱们用一张图来总结本章的核心知识：

轮询模式虽然简单，但它是理解UART通信的基础。你把这个搞透了，后面学中断和DMA就会轻松很多。记住：先跑通轮询，再谈优化。