4. UART串口通信：从原理到实战

UART串口，可以说是嵌入式开发中最基础、也最常用的通信接口了。我刚开始做STM32项目时，第一个调通的通信外设就是UART。说白了，它就是让两个设备之间能“说上话”的最简单方式。

这一章，我会带你从UART的底层原理讲起，然后手把手配置CubeMX，最后用HAL库实现串口打印和数据回显。嗯，这些都是我实际项目中反复用到的套路。

4.1 UART协议原理：一帧数据是怎么传的？

UART全称是Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器。它用两根线就能实现全双工通信：TX发、RX收。

为什么叫“异步”？因为没有时钟线。收发双方靠约定的波特率来同步。你想想看，就像两个人约定好每秒说一个字，不用额外喊“开始”和“结束”。

我在项目中遇到过一个问题：两个设备波特率都是115200，但通信就是乱码。查了半天，发现是停止位设置不一致——一个设了1位，另一个设了2位。所以，收发双方的帧格式必须完全一致。

4.2 CubeMX配置UART：三步搞定

我个人习惯用CubeMX生成初始化代码，省时省力。配置UART其实就三步：选引脚、设参数、生成代码。

4.2.1 引脚选择

STM32的USART外设通常有多个，比如USART1、USART2、USART3。每个外设的TX/RX引脚是固定的。以STM32F103C8T6为例：

USART外设	TX引脚	RX引脚	常用场景
USART1	PA9	PA10	调试打印、与PC通信
USART2	PA2	PA3	蓝牙模块、GPS模块
USART3	PB10	PB11	RS485、传感器

4.2.2 参数配置

在CubeMX的Pinout & Configuration界面，选中USART1，然后在Configuration选项卡里设置：

• Mode：Asynchronous（异步模式）
• Baud Rate：115200 Bits/s
• Word Length：8 Bits（含校验位时选9）
• Parity：None
• Stop Bits：1

为什么选115200？因为速度快，而且大多数串口工具都支持。如果线比较长或者环境有干扰，可以降到9600。

4.2.3 生成代码

配置完点生成代码，CubeMX会自动创建usart.c和usart.h。你会在main.c里看到类似这样的初始化：

// CubeMX生成的UART初始化代码
static void MX_USART1_UART_Init(void)
{
    huart1.Instance = USART1;
    huart1.Init.BaudRate = 115200;
    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

4.3 HAL库收发函数：核心API

HAL库把UART操作封装成了几个函数。我刚开始用的时候也觉得函数名太长，但用习惯了就会发现，命名很规范，一看就知道是干什么的。

4.3.1 发送函数

函数名	说明	阻塞/非阻塞
HAL_UART_Transmit	阻塞发送，发完才返回	阻塞
HAL_UART_Transmit_IT	中断发送，后台完成	非阻塞
HAL_UART_Transmit_DMA	DMA发送，CPU零负担	非阻塞

调试阶段我一般用阻塞发送，简单可靠。产品中如果数据量大，我会用DMA。

// 阻塞发送示例：发送"Hello World"
char msg[] = "Hello World\r\n";
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)msg, strlen(msg), HAL_MAX_DELAY);

4.3.2 接收函数

函数名	说明	阻塞/非阻塞
HAL_UART_Receive	阻塞接收，收够才返回	阻塞
HAL_UART_Receive_IT	中断接收，每收到一个字节触发回调	非阻塞
HAL_UART_Receive_DMA	DMA接收，批量传输	非阻塞

4.4 实现串口打印与数据回显

好了，理论讲完了，咱们直接上代码。我会实现两个功能：串口打印和串口回显。

4.4.1 重定向printf到串口

在STM32上，printf默认输出到标准输出，但标准输出没地方去。我们需要重定向_write函数，让printf的数据通过UART发出去。

/* 在usart.c或main.c中添加 */
#include <stdio.h>

#ifdef __GNUC__
  /* 使用GCC时 */
  int _write(int file, char *ptr, int len)
  {
      HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)ptr, len, HAL_MAX_DELAY);
      return len;
  }
#else
  /* 使用ARMCC时 */
  int fputc(int ch, FILE *f)
  {
      HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
      return ch;
  }
#endif

加上这段代码后，你就可以直接用printf了：

printf("系统启动成功！\r\n");
printf("当前温度：%.2f°C\r\n", temperature);

4.4.2 数据回显：你发什么，我回什么

回显功能很简单：收到一个字节，马上把它发回去。用中断方式实现：

/* 全局变量 */
uint8_t rx_byte;  // 接收缓冲区

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_USART1_UART_Init();
    
    printf("UART回显测试开始...\r\n");
    
    /* 启动中断接收，每次接收1个字节 */
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_byte, 1);
    
    while (1)
    {
        /* 主循环可以干别的事 */
        HAL_Delay(1000);
        printf("主循环运行中...\r\n");
    }
}

/* 中断回调函数：收到数据后自动调用 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1)
    {
        /* 把收到的字节发回去（回显） */
        HAL_UART_Transmit(&huart1, &rx_byte, 1, HAL_MAX_DELAY);
        
        /* 重新启动中断接收 */
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_byte, 1);
    }
}

这段代码的逻辑很简单：

1. 初始化UART后，启动中断接收
2. 每次收到一个字节，回调函数HAL_UART_RxCpltCallback被触发
3. 在回调里，把收到的字节发回去
4. 重新启动中断接收，等待下一个字节

4.5 实战中的避坑指南

最后，分享几个我在项目中踩过的坑，希望能帮你少走弯路。

嗯，UART串口通信的内容就这些。从原理到配置，再到代码实现，每一步我都结合项目经验给你讲透了。你可以在开发板上试试回显程序，用串口工具发个"Hello"，看看它会不会回你一个"Hello"。