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STM32F103 学习笔记-21-串口通信（第5节）—串口2345代码移植和讲解

news 2026/5/10 1:18:18

本章基于 STM32F103 标准外设库开发，从最基础的“串口是什么”讲起，通过生活化类比拆解硬件原理，配合逐行注释的可运行代码，让零基础读者读完就能实现单片机与电脑的双向通信。

一、什么是串口通信？

1.1 串口的本质：单片机的“电话”

串口（USART）是单片机和电脑之间最常用的通信方式，你可以把它想象成两个人打电话：

TX（发送端）：你的嘴巴，负责说话
RX（接收端）：你的耳朵，负责听话
全双工通信：两个人可以同时说话和听话（串口最常用的模式）
半双工通信：同一时间只能一个人说，另一个人听
单工通信：只能一个人说，另一个人只能听（比如广播）

1.2 串口通信的“约定”：通信参数

就像两个人打电话必须说同一种语言、语速差不多才能听懂一样，串口通信也需要双方提前约定好参数，否则会出现“鸡同鸭讲”的乱码。

参数	含义	最常用值	类比
波特率	每秒传输的二进制位数	115200	说话的速度，单位：比特/秒
数据位	每次传输的数据长度	8 位	每次说 8 个字
停止位	数据传输结束的标志	1 位	说完一句话停顿一下
校验位	检查数据传输是否出错	无校验	说完后确认对方有没有听清

注意：电脑和单片机的这四个参数必须完全一致，否则一定会出现乱码。

二、STM32 串口硬件原理

2.1 电脑和单片机之间的“翻译官”：CH340G

电脑只有 USB 接口，没有串口接口，而单片机只有串口接口，没有 USB 接口。所以需要一个翻译官把 USB 信号和串口信号互相转换，这个翻译官就是 CH340G 芯片。

电脑 USB 接口 ↔ CH340G 芯片 ↔ STM32 单片机串口 USB 信号 串口信号 串口信号

CH340G 的硬件连接非常简单：

CH340G 的 TX 引脚接单片机的 RX 引脚
CH340G 的 RX 引脚接单片机的 TX 引脚
两者的 GND 引脚必须连接在一起（共地）

注意：TX 和 RX 必须交叉连接！这是新手最容易犯的错误。如果接反了，串口会完全没有反应。

2.2 STM32 串口内部结构

STM32F103 一共有 5 个串口：USART1、USART2、USART3、UART4、UART5。它们的内部结构基本相同，主要由以下几个部分组成：

┌─────────────────────────────────────┐ │ │ CPU ─────►│ 数据寄存器(DR) ◄──► 移位寄存器 │ ◄──► TX引脚 │ (一个地址对应两个寄存器) │ │ 发送寄存器(TDR) 接收寄存器(RDR) │ ◄──► RX引脚 │ │ ├─────────────────────────────────────┤ │ │ │ 波特率发生器(BRR) ◄─── 控制器 │ │ │ └─────────────────────────────────────┘

数据寄存器(DR)：相当于一个邮箱。发送数据时，CPU 把数据放进发送邮箱(TDR)；接收数据时，CPU 从接收邮箱(RDR)里取数据。
移位寄存器：把并行数据转换成串行数据发送出去，或者把接收到的串行数据转换成并行数据。
波特率发生器：根据配置的波特率，产生串口通信需要的时钟信号。
控制器：控制串口的工作模式、中断等。

三、串口初始化的核心步骤

串口初始化就像给手机设置通话功能，需要一步步完成以下操作：

给手机充电：使能 GPIO 和串口的时钟
设置手机模式：配置 TX 和 RX 引脚的工作模式
设置通话参数：配置波特率、数据位、停止位、校验位
开启来电提醒：配置接收中断（可选）
开机：使能串口

3.1 为什么要使能时钟？

STM32 的所有外设默认都是关闭的，这样可以节省功耗。就像你不用手机的时候会关机一样，使用外设之前必须先打开它的电源（时钟）。

USART1 挂载在APB2 总线上，时钟频率 72MHz
USART2、USART3、UART4、UART5 挂载在APB1 总线上，时钟频率 36MHz

注意：这是串口初始化最容易出错的地方！如果 USART2 用了 APB2 的时钟，串口会完全无法工作。

3.2 GPIO 引脚模式配置

TX 引脚：配置为复用推挽输出。因为 TX 需要主动输出高低电平，推挽输出可以提供足够的电流。
RX 引脚：配置为浮空输入。因为 RX 需要接收外部的信号，浮空输入可以准确检测外部的高低电平。

四、完整代码实现

4.1 头文件设计（bsp_usart.h）

我们把所有硬件相关的参数都用宏定义封装起来，这样以后切换串口时只需要修改宏定义即可。

#ifndef __BSP_USART_H #define __BSP_USART_H #include "stm32f10x.h" #include <stdio.h> #define DEBUG_USART1 0 #define DEBUG_USART2 0 #define DEBUG_USART3 0 #define DEBUG_USART4 0 #define DEBUG_USART5 1 #if DEBUG_USART1 // 串口1-USART1 #define DEBUG_USARTx USART1 #define DEBUG_USART_CLK RCC_APB2Periph_USART1 #define DEBUG_USART_APBxClkCmd RCC_APB2PeriphClockCmd #define DEBUG_USART_BAUDRATE 115200 // 串口1 USART GPIO 引脚宏定义 #define DEBUG_USART_GPIO_CLK (RCC_APB2Periph_GPIOA) #define DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd RCC_APB2PeriphClockCmd #define DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT GPIOA #define DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN GPIO_Pin_9 #define DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT GPIOA #define DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN GPIO_Pin_10 #define DEBUG_USART_IRQ USART1_IRQn #define DEBUG_USART_IRQHandler USART1_IRQHandler #elif DEBUG_USART2 //串口2-USART2 #define DEBUG_USARTx USART2 #define DEBUG_USART_CLK RCC_APB1Periph_USART2 #define DEBUG_USART_APBxClkCmd RCC_APB1PeriphClockCmd #define DEBUG_USART_BAUDRATE 115200 // 串口2 USART GPIO 引脚宏定义 #define DEBUG_USART_GPIO_CLK (RCC_APB2Periph_GPIOA) #define DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd RCC_APB2PeriphClockCmd #define DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT GPIOA #define DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN GPIO_Pin_2 #define DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT GPIOA #define DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN GPIO_Pin_3 #define DEBUG_USART_IRQ USART2_IRQn #define DEBUG_USART_IRQHandler USART2_IRQHandler #elif DEBUG_USART3 //串口3-USART3 #define DEBUG_USARTx USART3 #define DEBUG_USART_CLK RCC_APB1Periph_USART3 #define DEBUG_USART_APBxClkCmd RCC_APB1PeriphClockCmd #define DEBUG_USART_BAUDRATE 115200 // 串口3 USART GPIO 引脚宏定义 #define DEBUG_USART_GPIO_CLK (RCC_APB2Periph_GPIOB) #define DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd RCC_APB2PeriphClockCmd #define DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT GPIOB #define DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN GPIO_Pin_10 #define DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT GPIOB #define DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN GPIO_Pin_11 #define DEBUG_USART_IRQ USART3_IRQn #define DEBUG_USART_IRQHandler USART3_IRQHandler #elif DEBUG_USART4 //串口4-UART4 #define DEBUG_USARTx UART4 #define DEBUG_USART_CLK RCC_APB1Periph_UART4 #define DEBUG_USART_APBxClkCmd RCC_APB1PeriphClockCmd #define DEBUG_USART_BAUDRATE 115200 // 串口4 USART GPIO 引脚宏定义 #define DEBUG_USART_GPIO_CLK (RCC_APB2Periph_GPIOC) #define DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd RCC_APB2PeriphClockCmd #define DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT GPIOC #define DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN GPIO_Pin_10 #define DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT GPIOC #define DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN GPIO_Pin_11 #define DEBUG_USART_IRQ UART4_IRQn #define DEBUG_USART_IRQHandler UART4_IRQHandler #elif DEBUG_USART5 //串口5-UART5 #define DEBUG_USARTx UART5 #define DEBUG_USART_CLK RCC_APB1Periph_UART5 #define DEBUG_USART_APBxClkCmd RCC_APB1PeriphClockCmd #define DEBUG_USART_BAUDRATE 115200 // 串口5 USART GPIO 引脚宏定义 #define DEBUG_USART_GPIO_CLK (RCC_APB2Periph_GPIOC|RCC_APB2Periph_GPIOD) #define DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd RCC_APB2PeriphClockCmd #define DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT GPIOC #define DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN GPIO_Pin_12 #define DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT GPIOD #define DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN GPIO_Pin_2 #define DEBUG_USART_IRQ UART5_IRQn #define DEBUG_USART_IRQHandler UART5_IRQHandler #endif void USART_Config(void); void Usart_SendByte(USART_TypeDef* pUSARTx,uint8_t data); void Usart_sendHalfWord(USART_TypeDef * pUSARTx, uint16_t data); void Usart_SendArray(USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t *array, uint8_t size); void Usart_SendString(USART_TypeDef * pUSARTx, char *str); #endif /* __BSP_USART_H */

4.2 源文件实现（bsp_usart.c）

// bsp_usart.c #include "bsp_usart.h" /** * @brief 配置嵌套向量中断控制器 NVIC * @param 无 * @retval 无 */ static void NVIC_Configuration(void) { NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; /* 配置中断优先级分组为 2 */ NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); /* 配置 USART 为中断源 */ NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DEBUG_USART_IRQn; /* 抢断优先级为 1 */ NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; /* 子优先级为 1 */ NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; /* 使能中断 */ NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; /* 初始化 NVIC */ NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); } /** * @brief USART 初始化函数 * @param 无 * @retval 无 */ void USART_Config(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; USART_InitTypeDef USART_InitStructure; // 1. 使能串口时钟 DEBUG_USART_APBx(DEBUG_USART_CLK, ENABLE); // 2. 使能 GPIO 时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE); // 3. 配置 TX 引脚为复用推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_TX_PIN; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 引脚速度 50MHz GPIO_Init(DEBUG_USART_GPIO, &GPIO_InitStructure); // 4. 配置 RX 引脚为浮空输入 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_RX_PIN; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入 GPIO_Init(DEBUG_USART_GPIO, &GPIO_InitStructure); // 5. 配置串口参数 USART_InitStructure.USART_BaudRate = DEBUG_USART_BAUDRATE; // 波特率 115200 USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; // 数据位 8 位 USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; // 停止位 1 位 USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; // 无校验 USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; // 无硬件流控 USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; // 收发模式 USART_Init(DEBUG_USARTx, &USART_InitStructure); // 6. 配置串口接收中断 USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE, ENABLE); // 7. 配置 NVIC 中断优先级 NVIC_Configuration(); // 8. 使能串口 USART_Cmd(DEBUG_USARTx, ENABLE); } /** * @brief 发送单个字节 * @param pUSARTx: 串口外设 * @param ch: 待发送字节 * @retval 无 */ void Usart_SendByte(USART_TypeDef * pUSARTx, uint8_t ch) { // 把数据写入发送数据寄存器 USART_SendData(pUSARTx, ch); // 等待发送数据寄存器为空（TXE 标志位置 1） while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET); } /** * @brief 发送字符串 * @param pUSARTx: 串口外设 * @param str: 待发送字符串 * @retval 无 */ void Usart_SendString(USART_TypeDef * pUSARTx, char *str) { unsigned int k = 0; do { // 逐个发送字符串中的字符 Usart_SendByte(pUSARTx, *(str + k)); k++; } while (*(str + k) != '\0'); // 直到遇到字符串结束符'\0' // 等待所有数据发送完成（TC 标志位置 1） while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_TC) == RESET); } /** * @brief 重定向 C 库函数 printf 到串口 * @param ch: 待发送字符 * @param f: 文件指针 * @retval 发送的字符 */ int fputc(int ch, FILE *f) { Usart_SendByte(DEBUG_USARTx, (uint8_t)ch); return ch; } /** * @brief 串口接收中断服务函数 * @param 无 * @retval 无 */ void DEBUG_USART_IRQHandler(void) { uint8_t ucTemp; // 检查是否是接收中断（RXNE 标志位置 1） if (USART_GetITStatus(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE) != RESET) { // 读取接收到的数据 ucTemp = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx); // 把接收到的数据回显给电脑 Usart_SendByte(DEBUG_USARTx, ucTemp); } }

4.3 主函数（main.c）

// main.c #include "stm32f10x.h" #include "bsp_usart.h" int main(void) { // 初始化串口 USART_Config(); // 发送欢迎信息 Usart_SendString(DEBUG_USARTx, "这是一个串口回显实验\r\n"); Usart_SendString(DEBUG_USARTx, "你发送什么，单片机就会返回什么\r\n"); // 也可以使用 printf 发送 printf("printf 重定向成功！\r\n"); while(1) { // 主循环什么都不做，所有工作都在中断中完成 } }

五、printf 重定向详解

5.1 什么是 printf 重定向？

printf 是 C 语言标准库中的函数，默认是把数据输出到电脑的屏幕上。在单片机中，我们没有屏幕，所以需要把 printf 的输出重定向到串口，这样就可以用 printf 方便地打印调试信息了。

5.2 重定向的原理

printf 函数内部会调用 fputc 函数来输出单个字符。我们只需要重新实现 fputc 函数，让它把字符发送到串口，printf 就会自动把所有数据输出到串口了。

5.3 必须注意的事项

在 Keil MDK 中使用 printf 重定向，必须勾选“Use MicroLIB”选项：

点击 Keil 工具栏的“魔术棒”按钮
切换到“Target”选项卡
勾选“Use MicroLIB”
点击“OK”保存设置

注意：如果不勾选这个选项，程序会编译失败或者运行时卡死。

六、串口接收的两种方式

6.1 查询方式（不推荐）

查询方式就是 CPU 一直不停地检查接收数据寄存器是否有数据。就像你一直盯着门口等快递，什么事都干不了。

// 查询方式接收数据 uint8_t Usart_ReceiveByte(USART_TypeDef * pUSARTx) { // 等待接收数据寄存器非空（RXNE 标志位置 1） while (USART_GetFlagStatus(pUSARTx, USART_FLAG_RXNE) == RESET); // 返回接收到的数据 return USART_ReceiveData(pUSARTx); }