UART串口通信从零实现：基于单片机的入门项目应用

UART串口通信从零实现：一个真正能跑起来的单片机入门项目

你有没有过这样的经历？
刚写完一段代码，烧录进单片机后，板子“安静如鸡”——既不亮灯，也不报错。你想知道程序到底执行到哪一步了，变量值对不对，但除了万用表测电压，好像啥也干不了。

这时候，UART就是你最该掌握的技能。

它不像RTOS那样高深，也不像CAN总线那样复杂，但它却是嵌入式开发中第一个让你“听见”系统声音的工具。今天，我们就来手把手做一个完整的UART回环项目，带你从零理解这门“嵌入式世界的母语”。

为什么是UART？因为它够“原始”，也够强大

在各种炫酷接口满天飞的今天，为什么我们还要学UART？

很简单：它是唯一不需要额外协议栈、不需要上位机驱动、连数据线都只要两根就能工作的双向通信方式。

你可以用它做：
- 实时打印调试信息（比如printf("x=%d\n", x);）
- 接收用户命令控制LED开关
- 和蓝牙模块（HC-05）、Wi-Fi模组（ESP8266）对话
- 把传感器数据发给PC绘图分析

更重要的是，几乎所有MCU都原生支持UART，哪怕是最便宜的STM32F103C8T6也不例外。

而且，它的底层逻辑非常清晰——没有主从地址、没有CRC校验包头包尾一大堆，就是一个字节一个字节地发和收。这种“赤裸”的通信方式，反而最适合初学者建立对时序、电平、帧结构的真实感知。

UART不是魔法，是精心设计的“异步默契”

很多人第一次听说“异步通信”，会觉得奇怪：没有时钟线，怎么保证两边节奏一致？

答案是：靠“约定”。

就像两个人用手电筒打摩斯电码，只要事先说好“每秒闪三次”，哪怕没有秒表同步，也能靠心跳大致对齐节奏。UART就是这个道理。

数据是怎么一帧一帧传出去的？

当你发送一个字节（比如'A'，ASCII码0x41），UART并不会直接把0x41扔出去。它会把它包装成一个完整的数据帧：

[起始位] [D0][D1][D2][D3][D4][D5][D6][D7] [停止位] ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↑ 低电平 1 0 0 0 0 0 1 0 高电平

具体来说：
-起始位：拉低，告诉对方“我要开始发了”
-数据位：低位在前，逐位发送（LSB first）
-可选奇偶校验位：简单防错机制（本文暂不用）
-停止位：拉高，表示这一帧结束

整个过程持续的时间由波特率决定。例如115200bps，意味着每位传输时间约为8.68μs。

📌 关键点：发送方和接收方必须使用相同的波特率设置，否则采样位置偏移，就会读错数据。

波特率真的可以随便设吗？

不可以。虽然你可以写BaudRate = 9600或115200，但实际能否精确达成，取决于系统时钟频率。

以STM32F103为例，主频72MHz，UART模块通过分频器生成波特率：

USARTDIV = f_PCLK / (16 × BaudRate)

假设你要配置115200波特率：

72,000,000 / (16 × 115200) ≈ 39.0625

硬件只能取整为39，导致实际波特率为：

72,000,000 / (16 × 39) ≈ 115,384.6 bps

误差约 +0.64%，远小于±2%的容忍范围，完全可用。

但如果你的晶振不准或者主频偏低，误差可能超标，出现乱码甚至帧错误（Framing Error）。所以，高精度通信务必使用外部晶振。

动手实战：基于STM32的UART回环测试

我们现在就来做一件最基础但也最有成就感的事：让单片机把你输入的字符原样返回回来——也就是所谓的“Echo”功能。

一旦成功，你就打通了“芯片 → 外界”的第一道通道。

硬件准备清单

设备	型号/说明
主控芯片	STM32F103C8T6（“蓝丸”最小系统板）
下载器	ST-Link V2 或集成Bootloader串口下载
USB转TTL模块	CH340 / CP2102 / FT232（任选其一）
连接线	杜邦线若干
上位机工具	XCOM、SSCOM、PuTTY 或 Arduino Serial Monitor

接线方式如下：

STM32F103C8T6 ↔ USB-TTL模块 PA9 (TX) → RXD PA10 (RX) ← TXD GND ↔ GND

⚠️ 注意事项：
-不要接VCC！单片机由ST-Link或独立电源供电，避免TTL模块反向供电损坏芯片。
- 所有设备必须共地，否则信号参考电平不一致，通信必失败。

软件实现：HAL库快速搭建UART通道

我们使用STM32CubeIDE生成初始化代码，并加入核心逻辑。

第一步：配置时钟与UART1

打开STM32CubeMX，选择PA9和PA10为USART1_TX和USART1_RX，启用USART1外设，设置波特率为115200，8数据位，无校验，1停止位。

生成代码后，你会发现关键函数已经自动创建：

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(); } }

这段代码完成了所有底层寄存器配置，包括GPIO复用、时钟使能、波特率分频等。

第二步：主循环轮询接收并回显

int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_GPIO_Init(); MX_USART1_UART_Init(); uint8_t rx_data; while (1) { // 非阻塞式接收，超时1秒 if (HAL_UART_Receive(&huart1, &rx_data, 1, 1000) == HAL_OK) { // 成功收到一个字节，立即回传 HAL_UART_Transmit(&huart1, &rx_data, 1, 1000); } else { // 可选：处理超时或错误情况 // 例如点亮LED提示异常 } } }

编译烧录后，打开串口助手，输入任意字符（如Hello），点击发送——你会看到同样的内容被原样返回！

🎉 恭喜你，第一次串口通信成功了！

升级玩法：改用中断方式，解放CPU

上面的轮询方式虽然简单，但有个大问题：主循环一直在“等”数据，无法同时做其他事。

解决办法？开启中断接收。

只需两步改造：

1. 启动中断接收（只调一次）

uint8_t rx_data; // 全局变量用于缓存 int main(void) { // ... 初始化部分省略 ... // 开启单字节中断接收 HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1); while (1) { // 主循环现在可以自由执行其他任务 // 比如扫描按键、更新显示、控制电机... } }

2. 实现回调函数处理数据

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) { if (huart->Instance == USART1) { // 回显收到的数据 HAL_UART_Transmit(huart, &rx_data, 1, 1000); // 重新开启下一次中断接收（形成循环） HAL_UART_Receive_IT(huart, &rx_data, 1); } }

这样一来，CPU不再浪费时间轮询，只有当真正有数据到来时才会触发中断服务程序。效率大幅提升，适合多任务环境。