USART 通信

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）是 STM32 最常用的外设之一，用于实现串行通信。本文档详细介绍 USART 的工作原理、寄存器配置、标准库函数以及中断和 DMA 模式的应用。

USART/UART 异步通信原理

异步通信基础

USART 支持同步和异步两种模式。在异步模式下，数据以字符为单位进行传输，每个字符包含：

• 起始位（1位）：逻辑低电平，标识字符开始
• 数据位（5-9位）：实际要传输的数据
• 校验位（可选）：用于错误检测
• 停止位（1-2位）：逻辑高电平，标识字符结束

通信帧格式

标准的异步通信帧格式如下：

┌─────┬─────────┬───────────┬───────┬─────┐
│ START│  DATA   │  PARITY   │ STOP1 │STOP2│
│  (1b)│ (5-9b)  │  (0-1b)   │  (1b) │(0-1b)│
└─────┴─────────┴───────────┴───────┴─────┘

波特率概念

波特率（Baud Rate）表示每秒传输的符号数。对于异步通信，波特率直接影响通信距离和可靠性：

波特率	典型应用场景	传输一个字节时间
4800	远距离、低速	~2.08ms
9600	常见低速应用	~1.04ms
115200	常见高速应用	~86.4μs
921600	高速数据传输	~10.8μs

STM32 波特率计算

STM32 的 USART 波特率由以下公式计算：

 baud_rate = f_ck / (16 * USARTDIV)

其中：

• f_ck 是 USART 时钟频率（对于 APB1 总线最大 36MHz，APB2 总线最大 72MHz）
• USARTDIV 是一个无符号定点数，存储在 BRR 寄存器中

示例：如果 f_ck = 72MHz，需要 115200 波特率：

USARTDIV = 72000000 / (115200 * 16) = 39.0625

在 BRR 寄存器中：

• USARTDIV_Mantissa = 39（整数部分）
• USARTDIV_Fraction = 0.0625 * 16 = 1（分数部分）

实际波特率误差：

实际波特率 = 72000000 / (16 * 39.0625) = 115200 Hz
误差 = 0%

全双工与半双工

• 全双工：USART1 的 TX（发送）和 RX（接收）可以同时工作
• 半双工：通过单线模式（USART_CR3 的 HDSEL 位）实现，仅用一根数据线

USART 寄存器详解

STM32F1 的 USART 寄存器结构如下：

1. SR - 状态寄存器（Status Register）

位	名称	说明
5	RXNE	接收缓冲区非空，读 USART_DR 后自动清零
6	TC	发送完成标志，发送完数据帧后置位，写 USART_DR 清零
7	TXE	发送缓冲区空，写入 USART_DR 后自动清零

// 轮询方式检查接收
while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE));
uint16_t data = USART1->DR;

// 轮询方式检查发送
while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE));
USART1->DR = data;

2. DR - 数据寄存器（Data Register）

• 发送时：写入数据会自动启动发送
• 接收时：读取数据获取接收的字节

// 发送单个字节
USART_SendData(USART1, 'A');

// 接收单个字节
uint16_t received = USART_ReceiveData(USART1);

3. BRR - 波特率寄存器（Baud Rate Register）

  15:4  USARTDIV[11:0]  整数部分
  3:0   DIV_Fraction[3:0]  小数部分（4位精度）

// 配置 115200 波特率（72MHz 时钟）
USART1->BRR = (39 << 4) | 1;  // 39.0625 -> 0x271

4. CR1 - 控制寄存器 1

位	名称	说明
13	UE	USART 使能位
12	M	数据字长：0=8位，1=9位
10	PCE	校验控制使能
9	PS	校验选择：0=偶校验，1=奇校验
5	TXEIE	发送缓冲区空中断使能
6	TCIE	发送完成中断使能
5	RXNEIE	接收缓冲区非空中断使能

// 使能 USART，8位数据，无校验
USART1->CR1 = USART_CR1_UE | USART_CR1_TE | USART_CR1_RE;
// 等价于
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;

5. CR2 - 控制寄存器 2

位	名称	说明
13:12	STOP[1:0]	停止位：00=1位，01=0.5位，10=2位，11=1.5位

// 配置 1 位停止位
USART1->CR2 &= ~USART_CR2_STOP;

6. CR3 - 控制寄存器 3

位	名称	说明
6	CTSIE	CTS 中断使能
3	CTSE	CTS 硬件流控制使能
2	RTSE	RTS 硬件流控制使能

USART 标准库配置

基本配置步骤

头文件引用：

#include "stm32f10x_usart.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"

GPIO 引脚配置

USART1 默认引脚：

• TX = PA9（复用推挽输出）
• RX = PA10（浮空输入）

void USART1_GPIO_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    // 使能 GPIO 和 USART1 时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);

    // 配置 USART1 Tx (PA9) 为复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 配置 USART1 Rx (PA10) 为浮空输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}

USART 初始化

void USART1_Config(void)
{
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

    // 配置 USART1
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;           // 波特率
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; // 8位数据位
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;      // 1位停止位
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;        // 无校验
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; // 无硬件流控制
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; // 收发模式

    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);  // 使能 USART1
}

完整初始化函数

void USART1_Init(void)
{
    // GPIO 配置
    USART1_GPIO_Config();

    // USART 参数配置
    USART1_Config();
}

发送和接收函数

发送单个字符

void USART1_SendByte(uint16_t data)
{
    // 等待发送缓冲区为空
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    USART_SendData(USART1, data);
}

发送字符串

void USART1_SendString(char *str)
{
    while (*str != '\0')
    {
        USART1_SendByte(*str);
        str++;
    }
}

接收单个字符（轮询）

uint16_t USART1_ReceiveByte(void)
{
    // 等待接收缓冲区有数据
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
    return USART_ReceiveData(USART1);
}

中断模式

NVIC 配置

void USART1_NVIC_Config(void)
{
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;

    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

中断服务函数

#define RX_BUFFER_SIZE 128
uint8_t rx_buffer[RX_BUFFER_SIZE];
volatile uint16_t rx_head = 0;
volatile uint16_t rx_tail = 0;

void USART1_IRQHandler(void)
{
    // 接收中断
    if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)
    {
        rx_buffer[rx_head] = USART_ReceiveData(USART1);
        rx_head = (rx_head + 1) % RX_BUFFER_SIZE;
    }

    // 发送中断
    if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_TXE) != RESET)
    {
        if (rx_tail != rx_head)  // 回显模式
        {
            USART_SendData(USART1, rx_buffer[rx_tail]);
            rx_tail = (rx_tail + 1) % RX_BUFFER_SIZE;
        }
        else
        {
            USART_ITConfig(USART1, USART_IT_TXE, DISABLE);  // 缓冲区空，关闭发送中断
        }
    }
}

使能中断

void USART1_Interrupt_Config(void)
{
    USART1_GPIO_Config();

    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;

    USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

    // 使能接收中断
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);

    USART1_NVIC_Config();
    USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

DMA 模式

DMA 请求映射

DMA通道	USART1_TX	USART1_RX
DMA1	Channel 4	Channel 5

DMA 发送配置

#define TX_BUFFER_SIZE 256
uint8_t tx_buffer[TX_BUFFER_SIZE];

void DMA_USART1_Config(void)
{
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;

    // 使能 DMA1 时钟
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);

    // DMA 初始化结构体
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&USART1->DR;  // 外设地址
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)tx_buffer;         // 存储器地址
    DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST;                  // 外设作为目的地
    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = TX_BUFFER_SIZE;                 // 数据长度
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;    // 外设地址不增
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;             // 存储器地址递增
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;
    DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;                       // 正常模式
    DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
    DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;                       // 非存储器到存储器

    DMA_Init(DMA1_Channel4, &DMA_InitStructure);
    DMA_Cmd(DMA1_Channel4, ENABLE);

    // 使能 USART1 的 DMA 发送
    USART_DMACmd(USART1, USART_DMAReq_Tx, ENABLE);
}

DMA+USART 发送函数

void USART1_DMA_Send(uint8_t *data, uint16_t len)
{
    // 复制数据到发送缓冲区
    memcpy(tx_buffer, data, len);

    // 配置 DMA 传输长度
    DMA1_Channel4->CNDTR = len;

    // 启动 DMA 传输
    DMA_Cmd(DMA1_Channel4, ENABLE);
}

DMA+USART 接收配置

#define RX_BUFFER_SIZE 256
uint8_t rx_buffer[RX_BUFFER_SIZE];

void DMA_USART1_RX_Config(void)
{
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;

    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);

    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&USART1->DR;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)rx_buffer;
    DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;           // 外设作为源
    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = RX_BUFFER_SIZE;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;
    DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;              // 循环模式
    DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
    DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;

    DMA_Init(DMA1_Channel5, &DMA_InitStructure);
    DMA_Cmd(DMA1_Channel5, ENABLE);

    // 使能 USART1 的 DMA 接收
    USART_DMACmd(USART1, USART_DMAReq_Rx, ENABLE);
}

printf 重定向

方法一：使用标准库

#include <stdio.h>

// 重定向 printf 到 USART1
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    USART_SendData(USART1, (uint8_t)ch);
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    return ch;
}

// 重定向 fgetc（如果需要从 USART 输入）
int fgetc(FILE *f)
{
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
    return (int)USART_ReceiveData(USART1);
}

方法二：不使用标准库（减少代码体积）

// 简单的 printf 替代函数
void USART1_Printf(char *fmt, ...)
{
    char buffer[256];
    va_list args;
    va_start(args, fmt);
    vsnprintf(buffer, sizeof(buffer), fmt, args);
    va_end(args);
    USART1_SendString(buffer);
}

多字节数据发送

发送 16 位数据

void USART1_SendData16(uint16_t data)
{
    // 发送高字节
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    USART_SendData(USART1, (uint8_t)(data >> 8));

    // 发送低字节
    while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    USART_SendData(USART1, (uint8_t)(data & 0xFF));
}

发送 float 数据

void USART1_SendFloat(float value)
{
    uint8_t *p = (uint8_t *)&value;
    for (int i = 0; i < sizeof(float); i++)
    {
        USART1_SendByte(p[i]);
    }
}

常见问题与解决方案

1. 波特率误差问题

问题：通信距离较长时出现误码

原因：不同晶振频率下，115200 波特率误差较大

解决：

晶振频率	115200 实际波特率	误差率
8MHz	115108	-0.09%
11.0592MHz	115200	0%
12MHz	115385	+0.16%

建议：使用 11.0592MHz 晶振可获得精确的常用波特率

2. 串口缓冲区溢出

问题：高速发送时数据丢失

解决：

• 使用 DMA 模式
• 增加接收缓冲区大小
• 使用接收中断+发送应答机制

3. 接收数据不完整

问题：接收到的数据不完整或有截断

排查：

1. 检查 RX 引脚连接是否正确
2. 确认双方波特率一致
3. 检查数据位、停止位、校验位配置匹配

4. DMA 传输卡住

问题：DMA 传输后程序不响应

排查：

1. 检查 DMA 通道是否正确
2. 确认缓冲区地址对齐
3. 确认 DMA 传输完成后有正确的后续处理

USART 其他功能

同步模式

STM32 的 USART 还支持同步模式，需要额外配置 SCK 引脚：

// 配置 SCK 引脚
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

// 使能同步模式
USART_ClockInitTypeDef USART_ClockInitStructure;
USART_ClockInitStructure.USART_Clock = USART_Clock_Enable;  // 使能时钟
USART_ClockInitStructure.USART_CPOL = USART_CPOL_Low;       // 时钟极性
USART_ClockInitStructure.USART_CPHA = USART_CPHA_1Edge;     // 时钟相位
USART_ClockInitStructure.USART_LastBit = USART_LastBit_Disable;
USART_ClockInit(USART1, &USART_ClockInitStructure);

硬件流控制

当使能 RTS/CTS 引脚时，可以实现硬件流控制：

// 配置 RTS (PA12) 和 CTS (PA11)
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_RTS_CTS;

总结

USART 是 STM32 最基础也最常用的外设之一。本文档涵盖了：

• 通信原理：异步串行通信的帧格式和波特率计算
• 寄存器配置：SR、DR、BRR、CR1、CR2、CR3 的详细说明
• 标准库函数：GPIO 配置、USART 初始化、收发函数
• 中断模式：NVIC 配置和中断服务函数编写
• DMA 模式：减少 CPU 负担的高速传输方案
• 常见问题：波特率误差、缓冲区溢出等问题的解决方案

掌握这些内容后，可以熟练使用 USART 完成各种串行通信任务。