目录

UART通信协议的介绍

实现串口数据发送

CubeMX配置

printf重定向代码编写

实现串口数据接收

轮询方式实现串口数据接收

接收单个字符

接收不定长字符串（接收的字符串以\n结尾）

中断方式实现串口数据接收

CubeMX配置

UART中断方式接收数据函数是一次性的

HAL_UART_Receive_IT() 调用位置

接收单个字符

接收不定长字符串

UART通信协议的介绍

UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 是一种串行异步全双工通信协议。

UART通信的核心思想是异步和串行，全双工。

  • 异步 (Asynchronous)：通信双方不需要共享一个时钟信号来同步数据传输。取而代之的是，通过起始位 (Start Bit) 标记数据帧的开始，通过停止位 (Stop Bit) 标记数据帧的结束，以及预先约定好的波特率 (Baud Rate) 来协调数据的采样时间。
     

  • 串行 (Serial)：数据一位一位地按顺序在线路上传输，而不是并行多位同时传输。这使得只需要两根线。

异步详细介绍

  • 发送方： 按照预设的波特率，精确地控制每个数据位、起始位和停止位的持续时间，并将其串行发送出去。
     

  • 接收方： 同样按照预设的波特率，在检测到起始位后，精确地计算每个数据位的采样时间点，从而正确读取数据。

进行异步通信，通信的每一方都必须拥有自己的内部时钟，如果没有各自的内部时钟，发送方就无法知道何时发送下一个比特，接收方也无法知道何时去读取数据线上的电平。

通信双方的波特率必须相同，否则将导致数据错乱。

使用串口助手进行串口通信的时候，是满足这里的要求的，电脑上面有时钟，同时开发板内部的UART也有时钟。

串行，全双工详细介绍

标准的UART通信通常只需要两根信号线：

  • TX (Transmit)：发送数据线，用于发送数据。

  • RX (Receive)：接收数据线，用于接收数据。

连接方式是交叉连接：发送方的TX连接到接收方的RX，发送方的RX连接到接收方的TX。

由于发送和接收使用不同的物理线路，它们互不干扰，所以发送方可以在向接收方发送数据的同时，接收方也可以向发送方发送数据。UART协议是全双工通信协议

实现串口数据发送

CubeMX配置

配置好时钟源之后，选择USART1之后选择模式为异步模式就可以了，剩下的配置不需要动。

选完之后我们会发现这里多了两个选中的引脚， TX（发送），RX（接收）。

如果选择同步通信方式的话还会有一根时钟线用于同步操作。

在USART协议中我们其实是可以选择使用同步方式（synchronous）或者异步方式（Asynchronous）进行数据的发送和接收的 ，不过一般异步方式用的多，同步方式通信一般会选择其他类型协议如 SPI、I²C。

printf重定向代码编写

串口调试助手在没有显示屏的嵌入式系统中有着很好的应用，可以利用函数重定向功能，调用printf函数，将开发板中获取到的数据通过串口刷出到PC，为程序调试和串口通信提供了很大的便利。

我们不能直接调用printf将数据输出到串口，要想实现printf重定向功能，还需要进行重写一下fputc函数。

为什么 printf 默认不能输出到串口？

在 C 标准库中，printf() 的本质是将格式化后的字符串输出到一个默认的标准输出设备，这个设备在 PC 上通常是终端（屏幕），但在 MCU（如 STM32）里：

  • 没有默认的标准输出设备（没有屏幕、没有操作系统）；

  • 所以 printf() 其实调用的是底层函数如 fputc()、_write()，但这些在裸机环境下是 空实现 或 报错实现。

fputc的函数原型照抄就行，这里的第二个参数用不到，不需要处理。

fputc函数的作用是输出单个字符，所以这里使用HAL_UART_Transmit实现fputc输出字符的时候，参数选择字节数为1就行。这样实现出来的输出字符串到串口助手的效果非常好，还很简便，不需要我们判断发送到串口的字符串长度逻辑（printf帮我们做了，我们只需要实现单个字符发送就可以！）

int fputc(int ch, FILE *f)
{HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);return ch;
}

 HAL_UART_Transmit函数介绍

  1. UART_HandleTypeDef *huart (第一个参数):

    这是一个指向 UART_HandleTypeDef 结构体的指针。这个结构体包含了特定 UART 外设的所有配置信息和状态。

     
  2. uint8_t *pData (第二个参数):

    这是一个指向要发送数据的缓冲区的指针。uint8_t 表示数据是以字节（8位）的形式传输。函数会从这个地址开始读取数据并发送出去。

     
  3. uint16_t Size (第三个参数):

    这是一个 uint16_t 类型的变量，表示要发送的数据的字节数（长度）。

     
  4. uint32_t Timeout (第四个参数):
  • 这是一个 uint32_t 类型的变量，表示数据发送操作的超时时间，单位是毫秒（ms）。
  • 如果在指定的时间内数据没有发送完成，函数将返回 HAL_TIMEOUT。
  • 使用 HAL_MAX_DELAY 表示无限等待，直到数据发送完成（或发生错误），这在不希望有超时限制的情况下很常用。

由于使用了printf这个函数，所以我们需要在main.c文件中包含对应的头文件：

#include "stdio.h"

  /* Initialize all configured peripherals */MX_GPIO_Init();MX_USART1_UART_Init();/* USER CODE BEGIN 2 */uint16_t cnt=0;/* USER CODE END 2 *//* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while (1){/* USER CODE END WHILE */printf("this is a message from stm32 cnt : %d\n", cnt++);/* USER CODE BEGIN 3 */}/* USER CODE END 3 */
}

Keil中对文件勾选配置：Use MicroLIB

效果展示： 

实现串口数据接收

轮询方式实现串口数据接收

接收单个字符

uint8_t receive_data;/* USER CODE END 2 *//* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while (1){/* USER CODE END WHILE */HAL_UART_Receive(&huart1, &receive_data, 1, HAL_MAX_DELAY);printf("receive data: %c\r\n", receive_data);/* USER CODE BEGIN 3 */}

接收不定长字符串（接收的字符串以\n结尾）

    uint8_t receive_data;uint8_t receive_buf[256] = {0};uint8_t index = 0;/* USER CODE END 2 *//* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while (1){/* USER CODE END WHILE */HAL_UART_Receive(&huart1, &receive_data, 1, HAL_MAX_DELAY);if(receive_data != '\n'){receive_buf[index++] = receive_data;}else{receive_buf[index++] = '\0';printf("receive data: %s\r\n", receive_buf);index = 0;memset(receive_buf, 0, sizeof(receive_buf));}/* USER CODE BEGIN 3 */}

代码介绍 

这段代码是典型的使用 HAL 库的轮询（阻塞）模式接收串口数据，并以换行符 \n 作为结束标志 的实现。

这段代码的主要功能是：

  1. 在无限循环 while(1) 中，阻塞式地等待 接收 UART1 的一个字节数据。
     
  2. 如果接收到的字节不是换行符 \n，则将其存储到 receive_buf 缓冲区中。
     
  3. 如果接收到换行符 \n，则认为一帧数据接收完毕：
    • 在缓冲区末尾添加字符串结束符 \0。
    • 通过 printf 打印接收到的字符串。
    • 重置 index 为 0，准备接收下一帧数据。
    • 清空 receive_buf 缓冲区。

代码优缺点：

优点

  1. 简单易懂： 对于初学者来说，这种轮询加阻塞的模式是最容易理解和实现的。逻辑直接，容易跟踪。

  2. 便于调试： 由于是阻塞式的，每次接收一个字节，单步调试时可以清晰地看到数据流。

  3. 处理明确的结束符： 使用 \n 作为帧结束符是文本协议中常见且有效的方式，使得数据包的边界清晰。

缺点

CPU 效率极低（最主要的问题）：

  • HAL_UART_Receive(&huart1, &receive_data, 1, HAL_MAX_DELAY); 这行代码会无限期阻塞，直到接收到一个字节。这意味着在没有数据到达时，CPU 会一直停在这里等待，无法执行其他任何任务。

  • 这对于任何需要做其他事情（比如控制LED、读取传感器、处理按键等）的实时嵌入式系统来说都是不可接受的。CPU 的大部分时间都会被浪费在等待串口数据上。

注意看，我们在使用串口助手向开发板发送数据的时候，需要加上一个换行符，表示发送的这串字符串结束了。开发板内部的串口处理程序，顺序收到/n之后，根据判断逻辑就会输出缓冲区积攒的字符串。

中断方式实现串口数据接收

CubeMX配置

相比于上面采用非中断模式来实现串口数据接收，采用中断方式的话，需要将Uart1对应的中断打开。

UART中断方式接收数据函数是一次性的

HAL_StatusTypeDef  HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size)

函数作用：启动 UART1 的中断接收，期望接收 uint16_t Size 个字节

HAL_UART_Receive_IT(&huart1, rx_buffer, 1); // 推荐每次只接收一个字节

虽然调用一次函数可以选择接收多个字节数据，但是我们通常选择调用一次UART中断接收数据函数只接收一个字节，会在中断回调里处理并再次启动接收函数。

为什么说UART 中断接收函数为何说是“一次性的”？

  1. 这句话的意思是，当你调用 HAL_UART_Receive_IT(&huart, pData, Size); 这个函数后，它只会启动一次中断接收过程，并等待接收指定数量（Size）的字节。
     
  2. 一旦 UART 接收到这 Size 个字节的数据，这个函数所启动的当前接收任务就完成了。UART 接收中断会相应地被触发，执行你的回调函数 HAL_UART_RxCpltCallback()。
     
  3. 但是，此时 UART 并不会自动开始接收下一组数据。 如果你想继续接收数据，你需要再次调用 HAL_UART_Receive_IT() 来“重新武装”UART 硬件，让它准备好接收下一批数据，通常我们会选择在回调函数HAL_UART_RxCpltCallback中再次启动接收函数。

HAL_UART_Receive_IT() 调用位置

HAL_UART_Receive_IT() 函数推荐在以下几个地方调用：

1. main() 函数的初始化部分

这是最常见和推荐的调用位置。 在你的 main.c 文件中，通常在所有硬件初始化完成（例如 MX_GPIO_Init()、MX_USARTx_UART_Init() 等）之后，while(1) 无限循环之前，调用一次 HAL_UART_Receive_IT() 来启动串口的首次接收。

int main(void)
{// ... 系统初始化 ...HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();MX_USART1_UART_Init();// ... 其他外设初始化 .../* USER CODE BEGIN 2 */// 启动 UART1 的中断接收，期望接收 SOME_BUFFER_SIZE 个字节// 或者通常只接收一个字节，在中断回调里处理并再次启动HAL_UART_Receive_IT(&huart1, rx_buffer, 1); // 推荐每次只接收一个字节/* USER CODE END 2 *//* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while (1){/* USER CODE END WHILE */

2. UART 接收完成回调函数 HAL_UART_RxCpltCallback() 中

// 这个函数是弱声明，你需要重写它
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{if (huart->Instance == USART1){// 假设这里处理了接收到的数据 rx_buffer// Process_Received_Data(rx_buffer);// 重新启动下一次中断接收HAL_UART_Receive_IT(&huart1, rx_buffer, 1); // 再次启动接收一个字节}
}

接收单个字符

让我们用一个小栗子来进行实现一下中断接收单个字符吧。

代码功能：

这里我们想要实现的是通过串口助手，每次发送一个字符1/2/3/4来控制LED1/2/3/4，比如发送一个1，LED1电平就翻转，再次输入1LED1电平就再次翻转。LED2/3/4同理。

这里为了展现出中断方式接收数据不阻塞主程序执行，我们在main函数中还持续用向串口发送字符串"hello world"

代码实现如下：

在main.c中定义成一个全局变量
/* USER CODE BEGIN PV */uint8_t receive_data;//存放UART1接收到的数据
/* USER CODE END PV */函数声明部分
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);
int fputc(int ch, FILE *f);
/* USER CODE END PFP */main函数里面
/* Initialize all configured peripherals */MX_GPIO_Init();MX_USART1_UART_Init();/* USER CODE BEGIN 2 */HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &receive_data, 1);/* USER CODE END 2 *//* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while (1){/* USER CODE END WHILE */printf("hello world\r\n");HAL_Delay(1000);/* USER CODE BEGIN 3 */}/* USER CODE END 3 */
}main函数中定义的函数的具体实现
/* USER CODE BEGIN 4 */
int fputc(int ch, FILE *f)
{HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);return ch;
}void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart){if(huart->Instance == USART1){if(receive_data == '1'){HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_10);}else if(receive_data == '2'){HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_2);}else if(receive_data == '3'){HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_1);}else if(receive_data == '4'){HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_0);}}HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &receive_data, 1);
}
/* USER CODE END 4 */

代码编写时候需要注意的就是：

  • HAL_UART_Receive_IT()需要在main函数初始化的时候调用，
     
  • 还需要在 HAL_UART_RxCpltCallback中调用

接收不定长字符串

代码实现思路：

  1. 每次只接收一个字节： 在中断模式下，将 HAL_UART_Receive_IT() 的 Size 参数设置为 1。这样每接收到一个字节，就会触发一次接收完成中断。
     
  2. 使用缓冲区 (Buffer)： 在中断服务程序中，将接收到的每一个字节存入缓冲区。
     
  3. 在主循环中判断数据完整性： 主循环会不断地检查缓冲区中是否有完整的字符串帧（通常通过查找特定的结束符，如 \n ）。
     
  4. 重新启动接收： 在每次接收完成中断回调函数中，都需要再次调用 HAL_UART_Receive_IT() 来“重新武装”串口，准备接收下一个字节。

CubeMX配置

上面已经说过了，主要需要注意的是记得在NVIC 设置中，勾选开启对应 UART 全局中断的 Enabled。

代码实现

额外包含头文件
#include "stdio.h"
#include "string.h"main.c中定义的全局变量
/*
这里定义成全局变量的原因：
回调函数的实现以及main函数中都要用到这些变量
*/
/* USER CODE BEGIN PV */uint8_t receive_data;uint8_t receive_buf[256] = {0};uint8_t receive_buf_index = 0;
/* USER CODE END PV */函数声明
/* USER CODE BEGIN PFP */
int fputc(int ch, FILE* f);
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);
/* USER CODE END PFP */main函数中代码
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &receive_data, 1);/* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while (1){/* USER CODE END WHILE */printf("hello world\r\n");HAL_Delay(1000);/* USER CODE BEGIN 3 */}代码实现部分
int fputc(int ch, FILE* f){HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);	return ch;
}void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart){if(huart->Instance == USART1){if(receive_data != '\n'){receive_buf[receive_buf_index++] = receive_data;}else{receive_buf[receive_buf_index++] = '\0';printf("receive data: %s\r\n", receive_buf);receive_buf_index = 0;memset(receive_buf, 0, sizeof(receive_buf));}HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &receive_data, 1);}
}

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