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2990 字
8 分钟
STM32-03：USART/TTL串口通信
2026-07-15
2026-07-19
STM32
学习
/
硬件

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter），通用同步/异步串行收发，支持相互独立的收发数据操作，其核心功能涵盖同步/异步双模式运行。本文章聚焦于UART，即其中的异步通信。

在芯片中配置启用串口通信#

以UART2为例：

  1. 在左侧选择Connectivity展开后选择USART2，将顶部的的Mode选项更改为Asynchronous即可启用异步通信串口功能；
  2. 在右侧的芯片引脚处，可以看见引脚PA2和PA3已经被启用，并且分别被标记为USART2_TX和USART2_RX；
  3. 在左侧的配置界面，我们可以看到更多的设置信息：
  • Baud Rate（波特率）：每秒发送的码元数量，默认地，TTL串口每传递1Byte（8bit）数据会添加起始位和终止位，也就是每传输1Byte信息实际上需要10bit，因此115200Bits/s的波特率实际的传输速度是11520Byte/s。通信的两个设备需要保持相同的波特率才能正常通信，通常保持默认的115200Bits/s即可

轮询模式（Polling）#

在轮询模式下，接受/发送消息的过程处于阻塞，不能够执行其他指令，只有待接受/发送消息的指令结束后，才能继续执行其他指令。

发送信息#

在main.c中/* USER CODE BEGIN 2 */和/* USER CODE END 2 */之间写入：

  char *message="Hello world!";
  HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)message, strlen(message), 100);//Hello world!

其中：

  • &huart2：发送的UART端口地址，不要忘了取址符＆；
  • message：发送的信息，其数据类型应该是uint8_t*，我们在这里将其初始定义为字符串，发送时将其强制转化为uint8_t*类型；
  • strlen(message)：发送的信息的长度；
  • 100：最长等待时间（单位：毫秒），超过此时间后若还未发送完成则强制结束，设置为HAL_MAX_DELAY则无限等待。
    将USB转TTL串口模块的TX与单片机上的RX相连，RX与TX相连，注意不要连反了！胡言乱语.jpg
    下载程序后，打开串口调试应用，便可以看到单片机发来的Hello world!（记得把显示模式从HEX改为ASCII）
    串口调试程序下载

接受信息#

目的：发送长度为2的字符串，控制三色小灯亮灭，例如发送”R1”，使LED_Red亮起，并返回”LED_Red enabled.”
当我们编写代码涉及到添加更多功能时，若将代码全部写入main.c，多少显得有点臃肿，因此，将特定的功能独立出来，并写在额外的文件中，能大大提高代码的可读性和可维护性。
具体步骤如下：

  1. 在\Core\Src下创建新文件serial.c，在\Core\Inc下创建新文件serial.h；

  2. 在CLion中，在左侧的项目文件夹中按照\Core\Src的路径找到新建的文件serial.c，右键并选择 “将’serial.c’添加到 CMake 项目” ；
    在Keil和CubeIDE中也遵循类似的步骤，将新增文件添加到项目中。

  3. 在main.c中/* USER CODE BEGIN Includes */ 和/* USER CODE END Includes */之间，写入：

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "serial.h"
/* USER CODE END Includes */
  1. 在serial.h（Header file）中，我们需要先对函数进行声明：
#ifndef __SERIAL_H//头文件保护，防止同一个头文件被重复包含，导致编译错误。
#define __SERIAL_H


void serial_Polling(void);//声明函数


#endif
  1. 在serial.c（Source file）中，我们需要先include相关的.h文件：
#include "serial.h"//引入函数声明
#include "string.h"//函数会使用到string.h中的strlen函数
#include "usart.h"//串口接收，发送信息

然后，写入相关的消息表：

static const struct {
  struct {
    const char *red_enabled;
    const char *red_disabled;
    const char *green_enabled;
    const char *green_disabled;
    const char *blue_enabled;
    const char *blue_disabled;
  } LED;
  const char *invalid;
} message={
    .LED={
        .red_enabled = "LED_Red enabled.",
        .red_disabled = "LED_Red disabled.",
        .green_enabled = "LED_Green enabled.",
        .green_disabled = "LED_Green disabled.",
        .blue_enabled = "LED_Blue enabled.",
        .blue_disabled = "LED_Blue disabled."
    },
    .invalid = "Invalid."
};

想要让上位机向单片机通过串口发送指令，需要用到以下函数：

HAL_UART_Receive(&huart2, receive_data, 2, HAL_MAX_DELAY);

执行此函数后，单片机便进入阻塞接收状态，只有在接收足够长的信息后，才会退出此状态。
与HAL_UART_Transmit类似：

  • &huart2：用于接受的UART端口地址，不要忘了取址符＆；
  • receive_data：存储收到的信息；
  • 2：最多接受的信息的长度（单位：Byte）；
  • HAL_MAX_DELAY：最长等待时间（单位：毫秒），这里指无限等待。

最后，补全函数serial_Polling：

uint8_t receive_data[2];
void serial_Polling(void) {
  HAL_UART_Receive(&huart2, receive_data, 2, HAL_MAX_DELAY);
  switch (receive_data[0]) {
  case 'R': {
    switch (receive_data[1]) {
    case '0': {
      HAL_GPIO_WritePin(LED_Red_GPIO_Port, LED_Red_Pin, GPIO_PIN_RESET);
      HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)message.LED.red_disabled, strlen(message.LED.red_disabled), HAL_MAX_DELAY);
      break;
    }
    case '1': {
      HAL_GPIO_WritePin(LED_Red_GPIO_Port, LED_Red_Pin, GPIO_PIN_SET);
      HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)message.LED.red_enabled, strlen(message.LED.red_enabled), HAL_MAX_DELAY);
      break;
    }
    }
    break;
  }
  case 'G': {
    switch (receive_data[1]) {
    case '0': {
      HAL_GPIO_WritePin(LED_Green_GPIO_Port, LED_Green_Pin, GPIO_PIN_RESET);
      HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)message.LED.green_disabled, strlen(message.LED.green_disabled), HAL_MAX_DELAY);
      break;
    }
    case '1': {
      HAL_GPIO_WritePin(LED_Green_GPIO_Port, LED_Green_Pin, GPIO_PIN_SET);
      HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)message.LED.green_enabled, strlen(message.LED.green_enabled), HAL_MAX_DELAY);
      break;
    }
    }
    break;
  }
  case 'B': {
    switch (receive_data[1]) {
    case '0': {
      HAL_GPIO_WritePin(LED_Blue_GPIO_Port, LED_Blue_Pin, GPIO_PIN_RESET);
      HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)message.LED.blue_disabled, strlen(message.LED.blue_disabled), HAL_MAX_DELAY);
      break;
    }
    case '1': {
      HAL_GPIO_WritePin(LED_Blue_GPIO_Port, LED_Blue_Pin, GPIO_PIN_SET);
      HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)message.LED.blue_enabled, strlen(message.LED.blue_enabled), HAL_MAX_DELAY);
      break;
    }
    }
    break;
  }
  default: {
    HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)message.invalid, strlen(message.invalid), HAL_MAX_DELAY);
  }
  }
  return;
}
  1. 完成功能外置后，我们回到main.c，在while(1)中只需写入：
serial_Polling();

就会执行期望功能：

如果从第二次起，一直返回”Invalid”，则有可能是串口调试软件在发送的信息尾部自动追加了\n或\r，更改为无追加即可。

中断模式#

中断模式下，处理器通过频繁的触发中断，实现在接收/发送信息的同时也不会阻塞其他指令。

芯片配置#

在CubeMX中，在左侧选择Connectivity展开后选择USART2，进入下方的NVIC Settings栏目，找到其中的USART2 global interrupt，这一条就是USART2的中断路线，将其启用，并生成代码，便可以使用USART2串口通信的中断模式。

接收信息#

使用以下函数，可以开启中断接收模式：

HAL_UART_Transmit_IT(UART_HandleTypeDef *huart, const uint8_t *pData, uint16_t Size);

开启中断接收后，处理器会继续处理其他指令，直到接受到指定长度的数据，然后触发以下中断函数：

HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);

因此，我们要在此中断函数中对接收到的数据进行处理：

  1. 在serial.h文件中添加头文件并声明函数：
#include "usart.h"
void serial_IT(void);
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);
  1. 在serial.c中写入函数serial_IT()用于启用中断接收模式：
int is_receiving=0;
void serial_IT(void){
  if(is_receiving==0){
    HAL_UART_Receive_IT(&huart2,receive_data, 2);
    is_receiving=1;
  }
  return;
}
  1. 当接收信息结束后，用中断函数HAL_UART_RxCpltCallback对接收到的信息进行处理，不过在处理之前，我们要先判断是否是&huart2发来的信息：
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart){
  if (huart==&huart2)
  {
    switch (receive_data[0]) {...}
  }
  return;
}
  1. 当然，在结尾处，我们不能忘了重新开启中断接收，以等待下一次的数据输入：
is_receiving=0;

发送信息#

与接收信息类似，发送信息也有自己的中断模式：

HAL_UART_Transmit_IT(UART_HandleTypeDef *huart, const uint8_t *pData, uint16_t Size);

同样地，也有自己的中断函数：

HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);

他们与接收信息的函数基本一致，在此不再赘述。

DMA模式#

DMA（Direct Memory Access），直接内存访问，可以协助处理器在寄存器与内存之间搬运数据。

芯片配置#

在左侧选择Connectivity展开后选择USART2，进入下方的DMA Settings栏目，点击最下方的Add，为其添加DMA通道。

代码配置#

启用DMA接收模式，需要用到以下函数：

HAL_UART_Receive_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);
HAL_UART_Transmit_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, const uint8_t *pData, uint16_t Size);

设置DMA模式后，发送和接收的过程由DMA协助完成，处理器能够去处理其他指令，因此，和中断模式类似，DMA模式也是非阻塞的。
和中断模式类似，在发送/接收结束时，也会触发函数：

HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);

因此，同样地，我们需要在此函数对接收到的信息进行处理，在此不再赘述。

不定长数据的接收#

借助串口空闲中断，可以实现对不定长数据的接收。
同样地，它也拥有阻塞，中断，DMA三种模式：

HAL_UARTEx_ReceiveToIdle(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint16_t *RxLen, uint32_t Timeout);
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);

其中*huart，*pData与之前基本一致，而*Rxlen和Size的含义发生了改变：它表示的是一次能接受的最大数据长度。
当接收完毕后，会调用以下回调函数：

HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size);

与HAL_UART_RxCpltCallback不同的是，HAL_UARTEx_RxEventCallback多了一个入参Size，它代表着此次实际上接收了多少字节的数据。
在serial.h中添加函数声明：

void serial_idle(void);
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size);

在serial.c中写入函数：

uint8_t receive_data_2[50];
void serial_idle(void){
  if(is_receiving==0){
    HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart2, receive_data_2, sizeof(receive_data_2));
    is_receiving=1;
  }
  return;
}
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size){
  if(huart==&huart2){
    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart2, receive_data_2, Size);
  }
  is_receiving=0;
  return;
}

这样，我们从上位机输入任意长度的字符串时，单片机也会返回相同长度的字符串。

NOTE

注意，在DMA模式下，DMA传输过半中断也会触发HAL_UARTEx_RxEventCallback回调函数，即接收的数据量达到设定最大值的一半时，也会触发此回调函数。
因此，我们需要添加以下函数，以关闭DMA传输过半中断：

__HAL_DMA_DISABLE_IT(&hdma_usart2_rx, DMA_IT_HT);

在usart.h中添加extern语句：

extern DMA_HandleTypeDef hdma_usart2_rx;

修改后的serial_idle函数：

void serial_idle(void){
  if(is_receiving==0){
   HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart2, receive_data_2, sizeof(receive_data_2));
   is_receiving=1;
  }
  __HAL_DMA_DISABLE_IT(&hdma_usart2_rx, DMA_IT_HT);
  return;
}

别忘了也需要在程序开始时添加此函数。

深入串口通信#

TTL串口通信中，仅需两根数据线即可完成两个设备之间的双向通信，两设备分别有RX（接收端）和TX（发送端）两个接口，要注意A设备的TX应该和B设备的RX相接，A设备的RX应该和B设备的TX相接。

在STM32每个串口的内部都有两个寄存器：发送/接收数据寄存器和发送/接收移位寄存器。
在轮询模式下，当我们调用函数HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)message, strlen(message), 100);时，处理器会依次将数据移动到寄存器中：

  • 发送移位寄存器会将字符转化为高低电平信号，从TX引脚发送回上位机；
  • 发送完当前字节后，发送数据寄存器会将自身存储的数据移动到发送移位寄存器中，然后处理器将下一个数据写入发送数据寄存器中；

这样说可能有些难懂，我们可以进行以下的类比：

  • 发送移位寄存器：在枪管中正在被发射的子弹；
  • 发送数据寄存器：在枪膛中待击发的子弹，待枪管中的子弹被打出后（发送移位寄存器空），将其击发（送入发送移位寄存器），然后机械结构将弹匣中下一发子弹移入枪膛（处理器将下一位数据移入发送数据寄存器）；
  • 待发送的数据：弹匣中的子弹；
  • 处理器：枪械中的机械结构。

串口接收也是类似，接收到的信息先进入接收移位寄存器，然后进入接收数据寄存器，处理器会一直查询接收数据寄存器是否为空，然后将接收数据寄存器中的数据移入用于接收数据的变量中。
在此过程中，处理器会不停的检测发送/接收数据寄存器是否为空，如果为空，则将下一个数据移入发送/接收数据寄存器，直到把所有数据发送/接收完毕或达到设定的最大超时时间。因此，在轮询模式下，属于阻塞状态。

而在中断模式下，处理器将数据移入寄存器后，便去执行其他指令，而当发送数据寄存器的数据被移入发送移位寄存器后，触发发送数据寄存器空 中断，使处理器将下一位数据移入发送数据寄存器，然后处理器继续处理其他指令，如此反复直到全部数据发送完毕，并触发HAL_UART_TxCpltCallback回调函数。
同样地，接收数据时，接收移位寄存器将数据移入接收数据寄存器，触发接收数据寄存器非空 中断，使处理器将接收数据寄存器中的数据移入存储数据的变量中，然后处理器继续处理其他指令，直至接受到最大长度的数据，然后触发HAL_UART_RxCpltCallback回调函数。

在DMA模式下， DMA会协助在发送/接收数据寄存器和内存变量中搬运数据，无需处理器搬运，因而DMA模式也是非阻塞的。

总结#

相关函数#

HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, const uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);//阻塞发送
HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout);//阻塞接收


HAL_UART_Transmit_IT(UART_HandleTypeDef *huart, const uint8_t *pData, uint16_t Size);//中断发送
HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);//中断接收


HAL_UART_Transmit_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, const uint8_t *pData, uint16_t Size);//DMA模式发送
HAL_UART_Receive_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);//DMA模式接收


HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);//发送结束回调函数
HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);//接收结束回调函数


HAL_UARTEx_ReceiveToIdle(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint16_t *RxLen,uint32_t Timeout);//阻塞不定长数据接收
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);//中断不定长数据接收
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size);//DMA模式不定长数据接收
HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size);//接收事件回调函数

多文件编程#

  • .h（Header file）文件用于声明函数，需要加头文件保护，防止同一个头文件被重复包含，导致编译错误；
  • .c（Source file）文件用于写入函数源码；
  • 记得将.c文件加入到CMake中。

寄存器#

  • 发送/接收数据寄存器
  • 发送/接收移位寄存器
STM32-03：USART/TTL串口通信
https://nf3eb.github.io/posts/stm32/stm32-03/
作者
NF3eb
发布于
2026-07-15
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

部分信息可能已经过时

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