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第四课时：UART 基础知识

本课主题：UART（串口）的基础知识，包括数据帧格式、UART 与 USART 的区别，以及两个串口收发的小实验。

课程视频：UART 基础知识

一、单片机与其他设备之间的通信连接

两台设备之间通信，接线必须交叉，数据也有固定的格式。先看接线。

Tx 是数据发送引脚，负责把数据发出去，Rx 是数据接收引脚，负责从对面收数据。所以单片机和其他设备相连时，自己的 Tx 要接对方的 Rx，自己的 Rx 要接对方的 Tx，也就是交叉连接。接反了就收不到数据，这是接线时最容易犯的错。

1.1 数据格式

串口线上没有时钟线，收发双方全靠事先约定好的格式来对齐，这个格式叫数据帧。一帧由三部分组成：起始位、数据位、停止位。

串口平时空闲时线是高电平。要开始发数据，先发一个起始位，也就是把线拉低一个位的时间，告诉对方我要开始发了。接着是数据位，这里用电压来表示数据，发送低电压代表 0，发送高电压代表 1。数据位发完，再发停止位，方法就是保持一段时间的高电平。数据位的长度是可以设定的，习惯上以字节，也就是 8 位来传输。

数据位长度不同，一帧能装的信息也不同。8 位正好是一个字节；如果加上校验位，8 位数据加 1 位校验就变成 9 位。图里把 8 位无校验、8 位有校验、9 位无校验、9 位有校验这几种情况并排列了出来，方便对照。

1.2 我的疑问

• 这些位数代表的是什么东西呢？
• 知道这些有什么用处呢？

1.3 疑问解答

数据位长度，说白了就是一帧里装数据的格子数。串口是把数据拆成一个个二进制位，也就是 0 和 1，一位一位地发；设成 8 位，就是每次连发 8 个 0 或 1，正好装下一个字节。所以位数指的是这一步能承载多少信息，位数越多，一次能装的数据越多，但传得也越慢。

知道这些的用处在于，收发双方必须把这些参数约定成一样，包括数据位长度、校验方式、停止位、波特率，否则接收方会把每一帧切错，收到的就全是乱码。这也是为什么在 CubeMX 和串口调试助手里要填 Data Bits、Parity、Stop Bits、Baud Rate，这几个选项正是对着这张数据格式图来的。

1.4 校验位

数据在传输途中可能出错，校验位就是用来粗查这种错误的。它分奇校验和偶校验，靠数数据位里 1 的个数来判断。

以发送十进制 85 为例，它的二进制是 1010101，其中有四个 1，是偶数个。用奇校验时，校验位补一个 1，让 1 的总数变成奇数；用偶校验时，校验位补 0，保持 1 的总数是偶数。接收方收到后同样数一遍 1 的个数，如果奇偶性对不上，就说明传输过程中出了错。

1.5 一位的时间

一位代表传输一个高低电压所消耗的时间，这个时间由波特率决定。

波特率是每秒钟传输位的数量。9600 波特率就是每秒传 9600 个位，一位等于 1/9600 秒，约 0.1 毫秒；115200 波特率每秒传 115200 个位，一位约 8.7 微秒。收发双方的波特率必须一致，否则每一位的时间对不上，数据就全乱了。

二、UART 与 USART 的区别

UART 和 USART 名字很像，工作模式却不一样。

UART 的全称是 Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，也就是通用异步收发器，只支持异步工作模式，只有 Tx、Rx 两根线。USART 是 Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，也就是通用同步异步收发器，同步和异步都支持，除了 Tx、Rx，还多出一根 CK 时钟线。也就是说，USART 比 UART 多了一种带时钟的同步模式，用它就能补上 UART 只支持异步的短板。

三、简单数据发送实验

3.1 连接单片机与电脑

单片机要跟电脑通信，中间需要一个 USB 转 TTL 模块，把电脑的 USB 信号转成串口能识别的电平。

模块的 GND、TXD、RXD 接出来和单片机相连。还是要记住发送接接收，所以模块的 TXD 接单片机的 Rx，模块的 RXD 接单片机的 Tx。

在这块 STM32F103C8T6 上，USART1 用的引脚是固定的：PA10 是 USART1_RX，也就是数据接收引脚；PA9 是 USART1_TX，也就是数据发送引脚。

实际接线就是这样，USB 转 TTL 模块的 GND、RXD、TXD 分别接到板子的 PA10、PA9 一带，另外还有 ST-Link 负责下载和调试。

接着打开 CubeMX 配置。在 Connectivity 分类里找到 USART，这颗芯片一共有三个串口。

USART1、USART2、USART3 分别对应串口 1、串口 2、串口 3，这次用串口 1。

点开之后先选模式。

Mode 里有好几个选项。Asynchronous 是异步模式，Synchronous 是同步模式，Single Wire 是半双工，后面还有多处理器通信、IrDA、LIN、智能卡等。这里选 Asynchronous，也就是异步模式。

选好异步模式后，CubeMX 会自动把引脚配好。可以看到 PA9 被设成了 USART1_TX，引脚模式自动变成复用输出推挽，最大输出速度是 High；PA10 被设成 USART1_RX，自动变成输入、No pull。要记住 CubeMX 会把 RX 自动配置为输入、TX 自动配置为输出，接线的时候千万不能接反。

3.2 串口参数与生成的代码

模式选好之后，往下配置串口参数，这些参数和前面讲的数据帧格式一一对应。

Baud Rate 是波特率，这里默认 115200 Bits/s；Word Length 是数据位长度，默认 8 Bits，也就是 8 位数据位；Parity 是校验方式，默认 None；Stop Bits 是停止位长度，默认 1。

停止位长度可以选 1 位或者 2 位，这里用 1 位。

校验方式有不使用校验位、偶校验、奇校验三种，这里选 None，也就是不使用校验位。综合下来，本课的串口默认配置就是 8 位数据位、无校验、1 位停止位、波特率 115200。

配置好生成工程，打开 main.c 看初始化流程。

MX_GPIO_Init 负责 IO 引脚的初始化，MX_USART1_UART_Init 负责 USART1 串口的初始化，两者分工明确。

除此之外，CubeMX 还自动生成了一个句柄（handle），写法是 UART_HandleTypeDef huart1，它包含了跟串口 1 有关的所有数据，后面收发数据的函数都要用到它。这里只需要记住有这么个句柄叫 huart1 就行。

3.3 发送数据的接口

要把数据发出去，用的是 HAL_UART_Transmit。

它的作用是通过串口向外发送数据，参数 huart 填串口句柄的指针，也就是 &huart1，pData 填要发送的数据的指针。

写发送代码之前，先认识一下单片机里常用的整数类型。

带符号整数用 int，无符号整数多一个 u，写作 uint。int8_t 和 uint8_t 是 8 位，int16_t 和 uint16_t 是 16 位，32 位、64 位依次类推。8 位无符号数范围是 0 到 255，16 位是 0 到 65535。后面发数据时 pData 要求是 uint8_t 指针，所以这些长度要提前心里有数。

完整的参数一共有四个：huart 是句柄，pData 是要发送的数据，Size 是要发送的字节数，Timeout 是超时时间，单位毫秒。返回值方面，HAL_OK 是成功，HAL_ERROR 是发送出错，HAL_BUSY 是串口忙，HAL_TIMEOUT 是发送超时。最后这个 Timeout 参数这里填 HAL_MAX_DELAY，表示无限期地等下去，直到发送完成为止。

3.4 实战

发送的数据可以是字节、数组、字符，也可以是字符串，写法略有不同。

发单个字节 0x5a，指针用 &byteNumber，长度写 1；发数组，指针直接用数组名 byteArray，长度写 5；发单个字符，因为 pData 要的是 uint8_t 指针，需要把 char 强转一下，写成 (uint8_t *)&ch；发字符串，指针用 (uint8_t *)str，长度用 strlen(str) 自动算。照着这个套路来就行。

四、通过电脑发送数据控制开发板

第二个实验反过来，让电脑发数据、开发板收数据。CubeMX 里的配置和前面一模一样，还是默认配置。

数据帧仍然是 8 位无校验、波特率 115200。本次实验的目标是，用电脑通过串口发指令，控制板载 LED 的熄灭与亮起。

工程里同样有串口 1 的句柄 huart1。

接收数据用的函数是 HAL_UART_Receive，作用和 Transmit 刚好相反，参数含义一样，只是把发送换成了接收，pData 变成了接收缓冲区的指针。

完整的参数和返回值也与发送类似，这里同样用 HAL_MAX_DELAY，一直等，直到接收完成。

把接收和判断拼起来就是完整逻辑：先读一个字节到 dataRcvd，再判断它是什么。这里有一个很重要的点，接收到的数据要加上引号，写成 ‘0’ 或 ‘1’，代表的是字符；如果写成不带引号的 0 或 1，那是数值，判断永远不成立，起不到任何作用。

uint8_tdataRcvd;HAL_UART_Receive(&huart1,&dataRcvd,1,HAL_MAX_DELAY);if(dataRcvd=='0')// 收到字符 '0'，熄灭 LED{HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_13,GPIO_PIN_SET);// 板载灯是开漏，写 1 熄灭}elseif(dataRcvd=='1')// 收到字符 '1'，点亮 LED{HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_13,GPIO_PIN_RESET);// 板载灯是开漏，写 0 点亮}

需要说明一下，原视频这张图里的 else if 分支也写成了 GPIO_PIN_SET，那是笔误。板载 LED 是开漏接法，写 0 才点亮，所以这里应该是 GPIO_PIN_RESET，上面的代码已经改正。

复习速记

• 串口默认配置：8 数据位、无校验、1 停止位、波特率 115200。
• 收发双方的帧格式必须一致，否则收到的全是乱码。
• 起始位是一个下降沿；停止位是保持一段高电平。
• 接线要交叉：TX 接 RX、RX 接 TX，千万别接反，TX 是发、RX 是收。
• 校验位分奇校验和偶校验，靠 1 的个数判断有没有传错。
• 发送指令是 HAL_UART_Transmit(&huart1, 数据指针, 数量, 超时)，接收是 HAL_UART_Receive，参数一样。
• 判断收到的字符要加引号，写成 ‘0’、‘1’；写成 0、1 没有作用，那是数值不是字符。
• HAL_MAX_DELAY 表示无限期等待，是超时参数专用。
• 初始化：MX_GPIO_Init() 管 IO，MX_USART1_UART_Init() 管串口；句柄是 huart1。