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STM32F103 串口通信实现全指南

本文以 STM32F103C8T6（最小系统板）为例，详细讲解串口通信的硬件连接、软件配置、代码实现及调试问题解决方案，分别覆盖标准外设库（STM32F10x_StdPeriph_Driver）和HAL 库两种主流开发方式，同时包含轮询 / 中断两种数据收发模式。

一、硬件连接

1. 核心硬件

• 主控：STM32F103C8T6（默认使用 USART1，也可选择 USART2/3）
• 外设：USB 转 TTL 模块（CH340/PL2303）、杜邦线、电源（5V/3.3V）

2. 引脚对应（USART1 为例）

STM32F103 的 USART1 引脚为复用功能，需注意引脚定义：

注意：STM32 为 3.3V 电平，USB 转 TTL 模块若为 5V 输出，需串接 1kΩ 电阻分压，避免烧毁单片机引脚。

3. 硬件连接示意图

plaintext

STM32F103C8T6 USB转TTL模块 PA9 (TX) ────────→ RXD PA10 (RX) ────────→ TXD GND ────────→ GND 3.3V ────────→ 3.3V（可选）

二、时钟配置基础

串口通信依赖时钟源，STM32F103 的 USART 时钟由 APB 总线提供：

• USART1 挂载在 APB2 总线（最大时钟 72MHz）
• USART2/3 挂载在 APB1 总线（最大时钟 36MHz）

串口波特率计算公式：USART_BRR = APBx时钟 / 波特率例：APB2=72MHz，波特率 9600 → BRR=72000000/9600=7500（0x1D4C）

三、标准外设库实现（STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0）

1. 工程配置

• 引入标准外设库核心文件（stm32f10x_usart.c、stm32f10x_rcc.c、stm32f10x_gpio.c）
• 定义时钟宏：#define SYSCLK_FREQ_72MHz 72000000

2. 串口初始化（USART1，9600 波特率，8 位数据，1 位停止，无校验）

c

运行

#include "stm32f10x.h" // 串口初始化函数（USART1，轮询模式基础配置） void USART1_Init(uint32_t baudrate) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; USART_InitTypeDef USART_InitStruct; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct; // 中断模式需配置 /************************** 1. 使能时钟 **************************/ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); /************************** 2. 配置GPIO引脚 **************************/ // PA9 (TX)：复用推挽输出 GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽 GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); // PA10 (RX)：浮空输入（或上拉输入） GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10; GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); /************************** 3. 配置USART参数 **************************/ USART_InitStruct.USART_BaudRate = baudrate; // 波特率 USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; // 8位数据 USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1; // 1位停止位 USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No; // 无校验 USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; // 无硬件流控 USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx; // 收发使能 USART_Init(USART1, &USART_InitStruct); /************************** 4. 中断配置（可选，中断模式需开启） **************************/ // 使能接收中断 USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE); // RXNE：接收缓冲区非空中断 // 配置NVIC NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn; // USART1中断通道 NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; // 抢占优先级1（需根据系统调整） NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; // 子优先级0 NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; // 使能通道 NVIC_Init(&NVIC_InitStruct); /************************** 5. 使能USART **************************/ USART_Cmd(USART1, ENABLE); }

3. 轮询模式数据收发

（1）发送单个字符

c

运行

// 轮询发送单个字符（等待发送缓冲区为空） void USART1_SendChar(uint8_t ch) { // 等待TXE位置1：发送数据寄存器为空 while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); USART_SendData(USART1, ch); // 发送字符 // 可选：等待发送完成（TC位），确保数据完全发送 while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET); }

（2）发送字符串

c

运行

// 轮询发送字符串 void USART1_SendString(uint8_t *str) { while (*str != '\0') // 遍历字符串直到结束符 { USART1_SendChar(*str); str++; } }

（3）轮询接收单个字符

c

运行

// 轮询接收单个字符（阻塞式） uint8_t USART1_ReceiveChar(void) { // 等待RXNE位置1：接收缓冲区非空 while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET); return USART_ReceiveData(USART1); // 读取接收数据 }

4. 中断模式数据接收

（1）中断服务函数

c

运行

uint8_t USART1_RxBuffer; // 接收缓冲区（全局变量） uint8_t USART1_RxFlag = 0; // 接收完成标志 // USART1中断服务函数 void USART1_IRQHandler(void) { uint32_t temp_flag = 0; uint32_t temp_data = 0; /************************** 1. 检查接收中断标志 **************************/ if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) { USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE); // 清除中断标志 USART1_RxBuffer = USART_ReceiveData(USART1); // 读取数据 USART1_RxFlag = 1; // 设置接收完成标志 } /************************** 2. 处理溢出错误（可选） **************************/ if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_ORE) != RESET) { temp_flag = USART1->SR; // 读SR寄存器 temp_data = USART1->DR; // 读DR寄存器清除ORE标志 (void)temp_flag; // 避免未使用变量警告 (void)temp_data; } }

（2）中断接收处理示例

c

运行

// 主函数中处理接收数据 int main(void) { USART1_Init(9600); // 初始化USART1，9600波特率 while (1) { if (USART1_RxFlag == 1) // 检测到接收完成 { USART1_SendChar(USART1_RxBuffer); // 回显接收到的字符 USART1_RxFlag = 0; // 清除标志 } } }

四、HAL 库实现（STM32CubeMX + HAL 库）

1. STM32CubeMX 配置步骤

（1）基础配置

• 选择芯片：STM32F103C8T6
• 配置 RCC：HSE 外部晶振（8MHz），系统时钟 72MHz
• 配置 SYS：Debug 选择 SWD（方便调试）

（2）串口配置（USART1）

• 模式：Asynchronous（异步模式）
• 参数：Baud Rate=9600，Word Length=8bit，Stop Bits=1，Parity=None，Flow Control=None
• GPIO：PA9 (TX)、PA10 (RX)（自动配置为复用功能）
• 中断：NVIC Settings → 勾选 USART1 global interrupt（开启全局中断）

（3）生成代码

• 工具链：MDK-ARM
• 生成初始化代码（自动生成 HAL 库底层配置）

2. 核心代码实现

（1）串口初始化（CubeMX 自动生成，关键代码）

c

运行

UART_HandleTypeDef huart1; // USART1初始化函数（CubeMX自动生成） void MX_USART1_UART_Init(void) { huart1.Instance = USART1; huart1.Init.BaudRate = 9600; 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(); // 初始化失败处理 } } // HAL_UART_Init回调函数（配置GPIO和中断） void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef* uartHandle) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; if(uartHandle->Instance==USART1) { // 1. 使能时钟 __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE(); __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); // 2. 配置GPIO /* PA9 TX */ GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); /* PA10 RX */ GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); // 3. 配置中断 HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 0, 0); HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn); } }

3. 轮询模式收发

（1）发送字符 / 字符串

c

运行

// 轮询发送单个字符 HAL_StatusTypeDef UART1_SendChar(uint8_t ch) { // HAL_UART_Transmit：阻塞发送，参数：句柄、数据指针、长度、超时时间 return HAL_UART_Transmit(&huart1, &ch, 1, 100); // 超时100ms } // 轮询发送字符串 HAL_StatusTypeDef UART1_SendString(uint8_t *str) { uint16_t len = 0; while (str[len] != '\0') len++; // 计算字符串长度 return HAL_UART_Transmit(&huart1, str, len, 100); }

（2）轮询接收字符

c

运行

// 轮询接收单个字符（阻塞式） HAL_StatusTypeDef UART1_ReceiveChar(uint8_t *ch) { // HAL_UART_Receive：阻塞接收，参数：句柄、数据指针、长度、超时时间 return HAL_UART_Receive(&huart1, ch, 1, 1000); // 超时1s }

4. 中断模式收发

（1）接收中断配置与实现

c

运行

uint8_t UART1_RxBuffer; // 接收缓冲区 uint8_t UART1_RxFlag = 0; // 接收完成标志 // 主函数中开启接收中断 HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &UART1_RxBuffer, 1); // 开启单次接收中断 // 接收中断回调函数（HAL库自动调用） void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) { if (huart->Instance == USART1) { UART1_RxFlag = 1; // 设置接收完成标志 // 重新开启接收中断（HAL库中断接收为单次，需手动重启） HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &UART1_RxBuffer, 1); } } // USART1中断服务函数（CubeMX自动生成） void USART1_IRQHandler(void) { HAL_UART_IRQHandler(&huart1); // 调用HAL库中断处理函数 } // 主函数处理接收数据 int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_USART1_UART_Init(); HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &UART1_RxBuffer, 1); // 开启首次接收中断 while (1) { if (UART1_RxFlag == 1) { HAL_UART_Transmit(&huart1, &UART1_RxBuffer, 1, 100); // 回显 UART1_RxFlag = 0; // 清除标志 } } }

五、调试常见问题及解决方案

1. 串口乱码

原因：

• 波特率不匹配（单片机配置与串口助手不一致）
• 时钟配置错误（APB 总线时钟计算错误）
• 硬件未共地
• 电平不匹配（5V→3.3V 未分压）
• 晶振未起振（系统时钟错误）

解决方案：

• 核对串口助手波特率 / 数据位 / 停止位 / 校验位与代码一致；
• 重新计算时钟：确认 SYSCLK=72MHz，APB2=72MHz（USART1），APB1=36MHz（USART2/3）；
• 确保 STM32 与 USB 转 TTL 模块共地；
• 5V TTL 模块串接 1kΩ 电阻到 STM32 RX 引脚；
• 检查外部晶振电路（8MHz），确认 RCC 配置正确。

2. 无法接收数据

原因：

• RX 引脚配置错误（如配置为输出而非输入）
• 中断未开启（中断模式）
• NVIC 优先级配置错误
• 接收缓冲区溢出（ORE 错误未处理）
• USB 转 TTL 模块 TX 引脚损坏

解决方案：

• 确认 RX 引脚为浮空 / 上拉输入模式；
• 中断模式下检查USART_ITConfig和 NVIC 配置；
• 处理 ORE 错误（读 SR 和 DR 寄存器清除标志）；
• 更换 USB 转 TTL 模块测试。

3. 中断不触发

原因：

• 全局中断未开启（__enable_irq()）
• USART 全局中断未使能
• NVIC 通道未使能
• 中断优先级配置冲突

解决方案：

• 确保主函数中开启全局中断（HAL 库自动开启，标准库需手动__enable_irq()）；
• 检查USART_Cmd(USART1, ENABLE)已执行；
• 核对 NVIC 配置，确保NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE；
• 调整中断优先级，避免被高优先级中断抢占。

4. HAL 库中断接收仅触发一次

原因：

HAL 库的HAL_UART_Receive_IT为单次中断，触发后需手动重启。

解决方案：

在HAL_UART_RxCpltCallback回调函数中重新调用HAL_UART_Receive_IT。

5. 发送数据丢失

原因：

• 发送前未等待 TXE 位置 1（轮询模式）
• 波特率过高（超过硬件支持范围）
• 电源不稳定

解决方案：

• 轮询模式下等待USART_FLAG_TXE或USART_FLAG_TC；
• 降低波特率（如 9600→4800）测试；
• 增加电源滤波电容（100nF+10μF）。

六、总结

STM32F103 串口通信实现的核心步骤为：

1. 硬件：正确连接 TX/RX/GND，注意电平匹配；
2. 时钟：使能 USART 和 GPIO 对应总线时钟；
3. GPIO：TX 配置为复用推挽输出，RX 配置为浮空 / 上拉输入；
4. USART：配置波特率、数据位、停止位等参数，使能收发；
5. 收发：轮询模式简单易实现（阻塞），中断模式适合非阻塞场景；
6. 调试：重点排查波特率、共地、引脚配置、中断使能四大问题。

两种库的选择：标准外设库更接近底层，适合深入理解原理；HAL 库简化开发，适配 STM32Cube 生态，适合快速开发。实际项目中可根据需求选择，同时注意处理串口错误（如溢出、帧错误），提升通信稳定性。