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串口通信（UART）是单片机与外设、上位机交互的核心方式，广泛应用于数据打印、指令接收、设备联动等场景。本文基于STM32F103C8T6单片机，结合Keil MDK-ARM开发环境，从底层寄存器配置到实战调试，手把手讲解UART初始化、查询模式收发、中断模式收发，并配套串口调试助手验证方法，零基础也能快速掌握串口开发核心技能。

一、前期准备

1. 软硬件环境

• 硬件：STM32F103C8T6最小系统板、USB-TTL模块（CH340/PL2303）、杜邦线、电脑（Windows）；
• 软件：Keil MDK-ARM V5.36（需安装STM32F103器件库）、串口调试助手（SSCOM/串口助手V1.4）；
• 基础知识：熟悉STM32 GPIO配置、USART寄存器结构、Keil工程创建流程、C语言基础。

2. UART核心原理梳理

STM32F103的USART1挂载在APB2总线，USART2/3挂载在APB1总线，核心参数：

• 波特率：数据传输速率（常用9600、115200bps），由波特率寄存器（USART_BRR）配置；
• 数据帧：1位起始位+8位数据位+1位停止位（无校验），可配置奇偶校验、停止位数量；
• 收发模式：查询模式（轮询寄存器标志位）、中断模式（数据收发触发中断）；
• 硬件连接：USART_TX（发送）接USB-TTL的RX，USART_RX（接收）接USB-TTL的TX，共地（GND）。

二、实战1：UART初始化（以USART1为例，9600波特率）

初始化是串口通信的基础，需配置GPIO复用、时钟、波特率、帧格式等核心参数。

1. 配置思路

• 系统时钟72MHz，USART1时钟来自APB2（72MHz），波特率9600bps，计算USART_BRR值：
  分频值 = 72000000 / 9600 = 7500 → BRR寄存器配置为0x1D4C（十进制7500的十六进制）；
• GPIO配置：PA9（USART1_TX）为复用推挽输出，PA10（USART1_RX）为浮空输入；
• 使能USART1时钟、GPIOA时钟，开启串口收发功能。

2. Keil工程代码实现

#include"stm32f10x.h"#include<stdio.h>// USART1初始化函数（9600波特率，8位数据位，1位停止位，无校验）voidUSART1_Init(void){GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;USART_InitTypeDef USART_InitStructure;// 1. 使能时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);// 2. 配置GPIO（PA9=TX，PA10=RX）// PA9：USART1_TX 复用推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);// PA10：USART1_RX 浮空输入GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);// 3. 配置USART参数USART_InitStructure.USART_BaudRate=9600;// 波特率USART_InitStructure.USART_WordLength=USART_WordLength_8b;// 8位数据位USART_InitStructure.USART_StopBits=USART_StopBits_1;// 1位停止位USART_InitStructure.USART_Parity=USART_Parity_No;// 无校验USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None;// 无硬件流控USART_InitStructure.USART_Mode=USART_Mode_Tx|USART_Mode_Rx;// 收发使能USART_Init(USART1,&USART_InitStructure);// 4. 使能USART1USART_Cmd(USART1,ENABLE);}// 重定向printf到USART1（方便打印字符串）intfputc(intch,FILE*f){// 等待发送数据寄存器为空while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE)==RESET);// 发送字节USART_SendData(USART1,(u8)ch);returnch;}

三、实战2：查询模式收发数据（基础版）

查询模式通过轮询USART状态标志位实现数据收发，逻辑简单，适合低频率数据交互。

1. 核心函数编写

// 查询模式：发送单个字节voidUSART1_SendByte(u8 data){// 等待TXE标志位（发送数据寄存器空）while(!USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE));USART_SendData(USART1,data);}// 查询模式：发送字符串voidUSART1_SendString(u8*str){while(*str!='\0'){USART1_SendByte(*str);str++;}// 等待发送完成while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)==RESET);}// 查询模式：接收单个字节（阻塞式）u8USART1_ReceiveByte(void){// 等待RXNE标志位（接收数据寄存器非空）while(!USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_RXNE));returnUSART_ReceiveData(USART1);}// 主函数测试intmain(void){u8 recv_data;// 初始化USART1USART1_Init();// 上电发送欢迎信息USART1_SendString((u8*)"STM32 USART1 Test (查询模式)\r\n");USART1_SendString((u8*)"请输入字符：\r\n");while(1){// 接收单个字节recv_data=USART1_ReceiveByte();// 回显接收到的字符USART1_SendByte(recv_data);// 接收到换行符，发送提示if(recv_data=='\r'){USART1_SendString((u8*)"\r\n已接收字符，等待下一次输入...\r\n");}}}

2. 串口调试助手验证

步骤1：硬件连接

• STM32 PA9（USART1_TX）→ USB-TTL RX；
• STM32 PA10（USART1_RX）→ USB-TTL TX；
• STM32 GND → USB-TTL GND；
• USB-TTL插入电脑USB口，安装驱动（CH340/PL2303）。

步骤2：串口调试助手配置

• 打开串口调试助手（如SSCOM）；
• 选择对应COM口（电脑设备管理器查看）；
• 配置参数：波特率9600、8位数据位、1位停止位、无校验、无流控；
• 点击“打开串口”。

步骤3：验证效果

• 编译Keil工程，下载程序到STM32；
• 串口调试助手接收区显示“STM32 USART1 Test (查询模式) 请输入字符：”；
• 在发送区输入任意字符（如“123”），点击发送，接收区回显该字符；
• 输入回车（\r），接收区显示“已接收字符，等待下一次输入…”，验证查询模式收发正常。

四、实战3：中断模式收发数据（高效版）

查询模式会阻塞主程序，中断模式通过收发中断实现异步通信，适合高频率、实时性要求高的场景。

1. 中断配置与代码实现

#include"stm32f10x.h"#include<stdio.h>u8 recv_buf[100];// 接收缓冲区u8 recv_len=0;// 接收数据长度u8 recv_flag=0;// 接收完成标志（回车触发）// USART1初始化（含中断配置）voidUSART1_Init(void){GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;USART_InitTypeDef USART_InitStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;// 1. 使能时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);// 2. GPIO配置GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);// 3. USART参数配置USART_InitStructure.USART_BaudRate=9600;USART_InitStructure.USART_WordLength=USART_WordLength_8b;USART_InitStructure.USART_StopBits=USART_StopBits_1;USART_InitStructure.USART_Parity=USART_Parity_No;USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None;USART_InitStructure.USART_Mode=USART_Mode_Tx|USART_Mode_Rx;USART_Init(USART1,&USART_InitStructure);// 4. 中断配置// 开启接收中断USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE);// NVIC配置NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=USART1_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1;// 抢占优先级1NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0;// 子优先级0NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);// 5. 使能USART1USART_Cmd(USART1,ENABLE);}// 重定向printfintfputc(intch,FILE*f){while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE)==RESET);USART_SendData(USART1,(u8)ch);returnch;}// USART1中断服务函数voidUSART1_IRQHandler(void){u8 recv_data;// 接收中断触发if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_RXNE)!=RESET){recv_data=USART_ReceiveData(USART1);// 读取接收数据if(recv_data!='\r')// 未接收到回车，存入缓冲区{recv_buf[recv_len]=recv_data;recv_len++;// 防止缓冲区溢出if(recv_len>=99)recv_len=0;}else// 接收到回车，标记接收完成{recv_buf[recv_len]='\0';// 字符串结束符recv_flag=1;// 置位完成标志recv_len=0;// 重置长度}USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE);// 清除中断标志}}// 主函数测试intmain(void){USART1_Init();printf("STM32 USART1 Test (中断模式)\r\n");printf("请输入字符串（回车结束）：\r\n");while(1){if(recv_flag==1)// 检测到接收完成{// 回显接收到的字符串printf("已接收：%s\r\n",recv_buf);// 重置标志recv_flag=0;printf("请继续输入：\r\n");}// 主循环可执行其他任务（如LED闪烁），不被串口阻塞}}

2. 串口调试助手验证

• 硬件连接、串口助手配置同查询模式；
• 下载程序后，串口助手接收区显示“STM32 USART1 Test (中断模式) 请输入字符串（回车结束）：”；
• 在发送区输入任意字符串（如“hello stm32”），点击发送；
• 串口助手接收区回显“已接收：hello stm32”，且主程序可同时执行其他任务（如添加LED闪烁代码，验证中断不阻塞主循环）。

五、进阶配置：修改波特率（115200bps）

实际开发中115200bps更常用，仅需修改USART_Init中的波特率参数，并重新计算BRR值：

// 波特率改为115200USART_InitStructure.USART_BaudRate=115200;

STM32F103 APB2时钟72MHz时，115200波特率的BRR值由硬件自动计算，无需手动配置，仅需同步修改串口调试助手的波特率为115200即可。

六、Keil调试与问题排查技巧

1. Keil调试验证中断流程

• 编译工程后，点击“Debug”进入调试模式；
• 打开“Watch & Call Stack Window”，添加recv_flag、recv_len、recv_buf；
• 启动调试（Run），在串口助手发送字符串，暂停调试后查看变量：
  • recv_len随接收字符递增；
  • 发送回车后，recv_flag变为1，recv_buf存储完整字符串；
• 断点调试：在USART1_IRQHandler函数内添加断点（F9），触发接收中断时自动暂停，分析中断执行流程。

2. 常见问题与解决

问题1：串口无数据输出

• 排查点1：GPIO配置错误（PA9是否为复用推挽，PA10是否为浮空输入）；
• 排查点2：时钟未使能（RCC_APB2Periph_USART1/RCC_APB2Periph_GPIOA）；
• 排查点3：USART未使能（USART_Cmd(USART1, ENABLE)）；
• 排查点4：硬件连接错误（TX/RX交叉连接，未共地）。

问题2：接收数据乱码

• 排查点1：波特率不匹配（Keil配置与串口助手波特率一致）；
• 排查点2：系统时钟错误（确认STM32主频为72MHz，而非8MHz）；
• 排查点3：硬件干扰（缩短杜邦线，远离电源模块）。

问题3：中断不触发

• 排查点1：未开启接收中断（USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE)）；
• 排查点2：NVIC优先级配置错误（抢占/子优先级未合理分配）；
• 排查点3：中断标志未清除（USART_ClearITPendingBit）。

问题4：缓冲区溢出

• 解决方法：在中断服务函数中增加缓冲区长度判断，超出阈值时重置长度；
• 优化方案：采用环形缓冲区，提升数据存储效率。

七、实战扩展：多字节/协议收发

实际项目中常需收发结构化数据（如传感器数据、控制指令），可基于中断模式扩展：

// 示例：接收自定义协议（帧头0xAA + 数据 + 校验位 + 帧尾0xFF）voidUSART1_IRQHandler(void){staticu8 protocol_buf[20];staticu8 protocol_len=0;u8 recv_data;if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_RXNE)!=RESET){recv_data=USART_ReceiveData(USART1);// 帧头检测if(protocol_len==0&&recv_data!=0xAA)return;// 存入协议缓冲区protocol_buf[protocol_len]=recv_data;protocol_len++;// 帧尾检测（假设协议长度固定为8字节）if(protocol_len==8&&protocol_buf[7]==0xFF){// 校验位验证（示例：前6字节和 = 第7字节前的校验位）u8 check_sum=0;for(u8 i=1;i<6;i++)check_sum+=protocol_buf[i];if(check_sum==protocol_buf[6]){// 协议校验通过，处理数据printf("协议接收成功：");for(u8 i=0;i<8;i++)printf("%02X ",protocol_buf[i]);printf("\r\n");}protocol_len=0;// 重置}// 超时/溢出处理if(protocol_len>=19)protocol_len=0;USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE);}}