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Arduino串口简化开发串口通信UART/USART是嵌入式开发、硬件调试中最基础且核心的通信方式广泛应用于单片机与外设、上位机的数据交互。一、串口通信核心概念UART vs USART1. 基本定义UART通用异步收发器异步通信无需时钟线仅通过TX发送、RX接收两根线实现双向通信依靠约定的波特率同步数据USART通用同步异步收发器兼容UART额外支持同步通信需时钟线SCK本文以更常用的UART异步模式为核心讲解。2. 核心通信参数必须两端一致串口通信的关键是两端参数匹配否则会出现乱码或通信失败核心参数如下参数说明常用值波特率每秒传输的比特数代表通信速率9600、115200最常用、38400、57600数据位每个字符的有效数据位数8位主流、7位停止位每个字符结束的标志位1位主流、1.5位、2位校验位用于检错可选奇/偶/无校验无校验主流、奇校验、偶校验流控控制数据传输节奏可选无流控主流、硬件流控RTS/CTS、软件流控XON/XOFF3. 通信原理异步UART空闲状态TX/RX线为高电平起始位发送端拉低电平1位时长标志数据传输开始数据位按“低位在前、高位在后”传输如8位数据校验位可选根据数据位计算奇偶性用于检错停止位拉高电平1/1.5/2位时长标志数据传输结束波特率同步收发双方按约定波特率采样数据无需时钟线同步。二、硬件基础串口通信电路与接线1. 硬件接线核心串口通信的硬件连接极其简单核心是“交叉连接”TX接RXRX接TX共地保证电平参考一致设备A如STM32设备B如USB转串口模块/上位机TX发送引脚RX接收引脚RX接收引脚TX发送引脚GND地GND地注意电平匹配51单片机/STM32默认是3.3V/5V TTL电平上位机PC是RS232电平±12V需通过USB转串口模块如CH340、PL2303做电平转换避免接反TX/RX接反会导致无法收发数据是新手最常见错误。2. 常用硬件模块USB转串口模块CH340性价比高、PL2303兼容性好、FT232工业级稳定单片机STM32F103入门首选、51单片机基础、Arduino简化开发调试工具串口助手上位机软件、示波器分析电平、逻辑分析仪抓包。三、串口数据收发三种核心模式查询/中断/DMA以STM32F103为例寄存器/库函数/HAL库均可本文以HAL库为例讲解三种收发模式的实现逻辑覆盖从基础到进阶的开发场景。1. 基础模式查询式收发轮询模式核心逻辑通过不断检查寄存器状态判断是否有数据接收/发送完成适合简单、低频率的通信场景缺点是占用CPU资源。1初始化配置HAL库#includestm32f1xx_hal.hUART_HandleTypeDef huart1;// 串口1初始化波特率1152008N18位数据位、无校验、1位停止位voidMX_USART1_UART_Init(void){huart1.InstanceUSART1;huart1.Init.BaudRate115200;huart1.Init.WordLengthUART_WORDLENGTH_8B;huart1.Init.StopBitsUART_STOPBITS_1;huart1.Init.ParityUART_PARITY_NONE;huart1.Init.ModeUART_MODE_TX_RX;// 同时开启发送和接收huart1.Init.HwFlowCtlUART_HWCONTROL_NONE;// 无流控huart1.Init.OverSamplingUART_OVERSAMPLING_16;if(HAL_UART_Init(huart1)!HAL_OK){Error_Handler();}}// 底层硬件初始化引脚、时钟voidHAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef*uartHandle){GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct{0};if(uartHandle-InstanceUSART1){__HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();// 使能USART1时钟__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();// 使能GPIOA时钟// PA9(TX)推挽复用输出GPIO_InitStruct.PinGPIO_PIN_9;GPIO_InitStruct.ModeGPIO_MODE_AF_PP;GPIO_InitStruct.SpeedGPIO_SPEED_FREQ_HIGH;HAL_GPIO_Init(GPIOA,GPIO_InitStruct);// PA10(RX)浮空输入GPIO_InitStruct.PinGPIO_PIN_10;GPIO_InitStruct.ModeGPIO_MODE_INPUT;GPIO_InitStruct.PullGPIO_NOPULL;HAL_GPIO_Init(GPIOA,GPIO_InitStruct);}}2查询式发送// 发送字符串轮询模式voidUART1_SendString(uint8_t*str){while(*str!\0){// 等待发送寄存器为空while(__HAL_UART_GET_FLAG(huart1,UART_FLAG_TXE)RESET);// 发送单个字节HAL_UART_Transmit(huart1,str,1,100);str;}}// 主函数调用intmain(void){HAL_Init();SystemClock_Config();MX_USART1_UART_Init();while(1){UART1_SendString((uint8_t*)Hello UART!\r\n);HAL_Delay(1000);// 每秒发送一次}}3查询式接收uint8_trecv_buf[100];uint8_trecv_len0;// 接收单个字节轮询模式uint8_tUART1_RecvByte(void){uint8_tdata0;// 等待接收寄存器非空while(__HAL_UART_GET_FLAG(huart1,UART_FLAG_RXNE)RESET);HAL_UART_Receive(huart1,data,1,100);returndata;}// 主函数中接收while(1){recv_buf[recv_len]UART1_RecvByte();if(recv_buf[recv_len]\n)// 以换行符作为结束标志{recv_buf[recv_len1]\0;UART1_SendString((uint8_t*)收到数据);UART1_SendString(recv_buf);recv_len0;// 重置接收长度}else{recv_len;}}2. 进阶模式中断式收发核心逻辑无需CPU轮询当串口有数据接收/发送完成时触发中断CPU仅在中断时处理数据大幅降低CPU占用率适合实时性要求高的场景。1开启串口中断初始化时配置在HAL_UART_MspInit中添加中断配置voidHAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef*uartHandle){// 原有引脚、时钟配置...// 开启USART1中断HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn,0,0);// 设置优先级HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);// 使能中断}2中断式接收以IDLE中断为例接收不定长数据uint8_tuart1_recv_buf[1024];// 接收缓冲区uint16_tuart1_recv_len0;// 接收长度uint8_tuart1_recv_flag0;// 接收完成标志// 启动接收中断开启RXNE和IDLE中断voidUART1_Start_Recv_IT(void){__HAL_UART_CLEAR_FLAG(huart1,UART_FLAG_IDLE);// 清除IDLE标志__HAL_UART_ENABLE_IT(huart1,UART_IT_RXNE);// 开启接收非空中断__HAL_UART_ENABLE_IT(huart1,UART_IT_IDLE);// 开启IDLE中断无数据接收时触发HAL_UART_Receive_IT(huart1,uart1_recv_buf[uart1_recv_len],1);}// USART1中断服务函数voidUSART1_IRQHandler(void){uint32_ttemp;if(__HAL_UART_GET_FLAG(huart1,UART_FLAG_RXNE)!RESET)// 接收非空{HAL_UART_IRQHandler(huart1);// 调用HAL库中断处理函数uart1_recv_len;// 接收长度1// 继续开启接收中断HAL_UART_Receive_IT(huart1,uart1_recv_buf[uart1_recv_len],1);}if(__HAL_UART_GET_FLAG(huart1,UART_FLAG_IDLE)!RESET)// IDLE中断接收完成{__HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(huart1);// 清除IDLE标志temphuart1.Instance-SR;// 读SR寄存器清标志temphuart1.Instance-DR;// 读DR寄存器uart1_recv_flag1;// 置位接收完成标志}}// 主函数处理接收数据intmain(void){HAL_Init();SystemClock_Config();MX_USART1_UART_Init();UART1_Start_Recv_IT();// 启动接收中断while(1){if(uart1_recv_flag1){// 发送接收到的数据HAL_UART_Transmit(huart1,uart1_recv_buf,uart1_recv_len,1000);// 重置标志和长度uart1_recv_flag0;uart1_recv_len0;}}}3中断式发送uint8_tuart1_send_buf[1024];uint16_tuart1_send_len0;uint16_tuart1_send_index0;// 启动发送中断voidUART1_Send_IT(uint8_t*buf,uint16_tlen){uart1_send_lenlen;uart1_send_index0;memcpy(uart1_send_buf,buf,len);__HAL_UART_ENABLE_IT(huart1,UART_IT_TXE);// 开启发送空中断}// 中断服务函数中处理发送voidUSART1_IRQHandler(void){// 原有接收中断处理...if(__HAL_UART_GET_FLAG(huart1,UART_FLAG_TXE)!RESET)// 发送寄存器空{if(uart1_send_indexuart1_send_len){huart1.Instance-DRuart1_send_buf[uart1_send_index];// 发送单个字节uart1_send_index;}else{__HAL_UART_DISABLE_IT(huart1,UART_IT_TXE);// 关闭发送中断}}}// 主函数调用UART1_Send_IT((uint8_t*)Interrupt Send!\r\n,16);3. 高级模式DMA式收发核心逻辑直接内存访问DMA数据收发无需CPU参与由DMA控制器直接在内存和串口寄存器间传输数据CPU仅需初始化DMA和处理传输完成事件适合大数据量、高波特率的通信场景。1DMA初始化以STM32F103 USART1 RX/TX DMA为例DMA_HandleTypeDef hdma_usart1_rx;DMA_HandleTypeDef hdma_usart1_tx;// 串口1 DMA初始化voidMX_USART1_DMA_Init(void){// RX DMA配置DMA1通道5hdma_usart1_rx.InstanceDMA1_Channel5;hdma_usart1_rx.Init.DirectionDMA_PERIPH_TO_MEMORY;// 外设到内存hdma_usart1_rx.Init.PeriphIncDMA_PINC_DISABLE;// 外设地址不递增hdma_usart1_rx.Init.MemIncDMA_MINC_ENABLE;// 内存地址递增hdma_usart1_rx.Init.PeriphDataAlignmentDMA_PDATAALIGN_BYTE;// 字节对齐hdma_usart1_rx.Init.MemDataAlignmentDMA_MDATAALIGN_BYTE;hdma_usart1_rx.Init.ModeDMA_CIRCULAR;// 循环模式持续接收hdma_usart1_rx.Init.PriorityDMA_PRIORITY_MEDIUM;if(HAL_DMA_Init(hdma_usart1_rx)!HAL_OK){Error_Handler();}__HAL_LINKDMA(huart1,hdmarx,hdma_usart1_rx);// 关联串口和DMA// TX DMA配置DMA1通道4hdma_usart1_tx.InstanceDMA1_Channel4;hdma_usart1_tx.Init.DirectionDMA_MEMORY_TO_PERIPH;// 内存到外设hdma_usart1_tx.Init.PeriphIncDMA_PINC_DISABLE;hdma_usart1_tx.Init.MemIncDMA_MINC_ENABLE;hdma_usart1_tx.Init.PeriphDataAlignmentDMA_PDATAALIGN_BYTE;hdma_usart1_tx.Init.MemDataAlignmentDMA_MDATAALIGN_BYTE;hdma_usart1_tx.Init.ModeDMA_NORMAL;// 正常模式单次发送hdma_usart1_tx.Init.PriorityDMA_PRIORITY_MEDIUM;if(HAL_DMA_Init(hdma_usart1_tx)!HAL_OK){Error_Handler();}__HAL_LINKDMA(huart1,hdmatx,hdma_usart1_tx);}// 在HAL_UART_MspInit中开启DMA时钟voidHAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef*uartHandle){// 原有引脚、中断配置...__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();// 使能DMA1时钟// DMA中断配置可选用于传输完成回调HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Channel5_IRQn,1,0);HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel5_IRQn);HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Channel4_IRQn,1,0);HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel4_IRQn);}2DMA接收循环模式持续接收数据#defineUART1_DMA_BUF_LEN1024uint8_tuart1_dma_recv_buf[UART1_DMA_BUF_LEN];uint16_tuart1_dma_recv_last0;// 启动DMA接收voidUART1_Start_DMA_Recv(void){HAL_UART_Receive_DMA(huart1,uart1_dma_recv_buf,UART1_DMA_BUF_LEN);}// 主函数中处理DMA接收数据intmain(void){HAL_Init();SystemClock_Config();MX_USART1_UART_Init();MX_USART1_DMA_Init();UART1_Start_DMA_Recv();while(1){// 计算新接收的数据长度循环模式下通过当前指针和上一次指针的差值uint16_tcurrent_lenUART1_DMA_BUF_LEN-__HAL_DMA_GET_COUNTER(hdma_usart1_rx);uint16_tnew_lencurrent_len-uart1_dma_recv_last;if(new_len0){// 发送接收到的数据DMA发送HAL_UART_Transmit_DMA(huart1,uart1_dma_recv_buf[uart1_dma_recv_last],new_len);uart1_dma_recv_lastcurrent_len;// 更新上一次指针}}}3DMA发送单次模式发送大数据// DMA发送字符串voidUART1_Send_DMA(uint8_t*buf,uint16_tlen){// 等待上一次DMA发送完成while(HAL_DMA_GetState(hdma_usart1_tx)!HAL_DMA_STATE_READY);HAL_UART_Transmit_DMA(huart1,buf,len);}// 主函数调用uint8_tsend_data[]DMA Send: Hello World! This is a long data test...\r\n;UART1_Send_DMA(send_data,sizeof(send_data));4DMA传输完成回调可选// 接收完成回调voidHAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef*huart){if(huart-InstanceUSART1){// 循环模式下无需重新启动DMA会自动继续接收// 可在此处处理接收完成逻辑}}// 发送完成回调voidHAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef*huart){if(huart-InstanceUSART1){// 发送完成可置位标志}}四、串口调试工具与常见问题排查1. 必备调试工具工具用途操作要点USB转串口模块CH340/PL2303单片机与上位机通信的桥梁安装对应驱动确认COM口编号串口助手SSCOM/串口调试助手上位机收发数据、验证通信配置波特率/数据位/停止位/校验位与单片机一致示波器/逻辑分析仪分析TX/RX电平、波特率、帧格式抓取起始位/数据位/停止位排查电平异常万用表测量TX/RX引脚电平、检查接线空闲时TX/RX应为高电平3.3V/5V2. 调试步骤从基础到复杂1硬件调试第一步排除接线问题检查接线TX→RX、RX→TX、GND→GND避免接反测量电平空闲时TX/RX引脚应为高电平发送数据时电平应高低变化测试模块用USB转串口模块直接连接电脑串口助手自发自收验证模块是否正常。2软件调试参数与代码核对参数波特率、数据位、停止位、校验位必须与上位机一致如115200 8N1测试发送先实现单片机向上位机发送数据串口助手能接收则发送侧正常测试接收上位机发送数据单片机回显验证接收侧逻辑中断/DMA调试先关闭中断/DMA用查询模式验证基础通信再逐步开启高级模式。3. 常见问题与解决方案问题现象原因分析解决方案串口助手接收乱码1. 波特率不匹配2. 晶振频率错误3. 电平不匹配4. 数据位/停止位错误1. 核对波特率2. 检查单片机晶振配置如STM32系统时钟3. 用电平转换模块4. 确认8N1等参数一致无法接收数据1. RX/TX接反2. 接收中断未开启3. 缓冲区溢出4. 引脚配置错误1. 调换RX/TX接线2. 检查中断使能代码3. 增大缓冲区或开启DMA4. RX引脚配置为浮空输入中断不触发1. 中断优先级配置错误2. 中断标志未清除3. NVIC未使能1. 调整中断优先级2. 中断服务函数中清除标志3. 调用HAL_NVIC_EnableIRQ()DMA传输失败1. DMA通道配置错误2. 内存/外设地址错误3. DMA模式错误1. 核对DMA通道如USART1_RX对应DMA1通道52. 确认Periph→Memory方向3. 接收用循环模式发送用正常模式数据丢失/不完整1. 缓冲区太小2. 中断响应不及时3. 波特率过高硬件不支持1. 增大缓冲区2. 优化中断优先级3. 降低波特率如从115200降至9600五、不同平台适配要点1. 51单片机串口配置对比STM32// 51单片机串口初始化9600波特率11.0592MHz晶振voidUART_Init(void){TMOD|0x20;// 定时器1工作在模式28位自动重装TH10xFD;// 9600波特率初值TL10xFD;TR11;// 启动定时器1SCON0x50;// 串口工作在模式1REN1允许接收EA1;// 开启总中断ES1;// 开启串口中断}// 51串口中断服务函数voidUART_ISR(void)interrupt4{if(RI)// 接收中断{RI0;// 清除接收标志P1SBUF;// 接收到的数据输出到P1口SBUFSBUF;// 回显数据while(!TI);// 等待发送完成TI0;// 清除发送标志}}2. Arduino串口简化开发// Arduino串口示例9600波特率voidsetup(){Serial.begin(9600);// 初始化串口波特率9600}voidloop(){if(Serial.available()0)// 有数据接收{chardataSerial.read();// 读取单个字节Serial.print(收到);Serial.println(data);// 回显数据}Serial.println(Arduino UART Test);delay(1000);}