STM32 串口通信实战（包含串口、中断、DMA）

一、目的

1. 掌握 STM32CubeMX 与 Keil 的协同开发流程，熟悉 HAL 库串口配置方法。
2. 实现 STM32 向上位机连续发送数据，观察无延时发送时的数据传输情况。
3. 通过中断方式实现上位机指令控制（“#”暂停、“*”继续），理解中断响应机制。
4. 采用 DMA 方式完成高速串口发送，对比 CPU 占用率差异。
5. 利用 Keil 软件仿真逻辑分析仪验证串口波特率时序正确性。

二、环境

类别	具体参数
硬件	STM32F103C8T6 核心板、USB 转TTL模块、杜邦线
软件	STM32CubeMX 、Keil MDK-ARM 5、串口调试助手
通信参数	波特率 115200bps、数据位 8 位、停止位 1 位、无校验位、无硬件流控

三、原理

1. 串口通信原理

串口通过异步通信方式传输数据，每帧数据包含 1 位起始位（低电平）、8 位数据位、1 位停止位（高电平），无校验位时共 10 位。波特率 115200bps 表示每秒传输 115200 位，单个位传输时间约 8.68μs。

2. 中断原理

开启 USART 接收中断后，当上位机发送数据时，STM32 会触发中断，进入中断服务函数处理指令（如“#”暂停发送、“*”继续发送），避免主循环阻塞，提升响应速度。

3. DMA 原理

DMA（直接存储器访问）可在内存与外设间直接传输数据，无需 CPU 干预。串口 DMA 发送时，CPU 仅需初始化 DMA 通道和缓冲区，后续数据传输由 DMA 自动完成，适合高速连续发送场景。

四、步骤与实现

1. 基础环境配置（STM32CubeMX）

1.1 芯片与时钟配置

1. 打开 STM32CubeMX，选择芯片“STM32F103C8T6”。

2. 配置时钟：RCC 选择“HSE 外部晶振”，系统时钟（SYSCLK）设为 72MHz，USART1 挂载于 APB2 总线，时钟频率 72MHz。
   

1.2 USART1 配置

1. 引脚配置：PA9 设为“USART1_TX”（复用推挽输出），PA10 设为“USART1_RX”（浮空输入）。

2. 串口参数：模式选择“异步通信（Asynchronous）”，波特率 115200bps，数据位 8 位，停止位 1 位，校验位“无”，流控“无”。

1.3 中断与 DMA 补充配置

• 中断配置：进入“NVIC Settings”，勾选“USART1 global interrupt”，抢占优先级 1，子优先级 1。

• DMA 配置：进入“DMA Settings”，添加“USART1_TX”通道（DMA1_Channel4），方向“内存到外设”，模式“循环模式”，内存地址自增使能，数据宽度“字节”。

1.4 生成工程

选择“Keil MDK-ARM”作为 IDE，勾选“Generate peripheral initialization as a pair of .c/.h files per peripheral”，生成工程并打开。

2. 基础串口通信实现

无延时连续发送+上位机指令控制

代码实现（main.c）：

#include "main.h"
#include <string.h>

UART_HandleTypeDef huart1;
uint8_t rx_data;       // 接收上位机指令的缓冲区（1字节）
uint8_t send_flag = 1; // 发送使能标志（1：发送，0：暂停）
uint8_t send_data[] = "hello windows！\r\n";

int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_USART1_UART_Init();

  while (1) {
    // 非阻塞接收上位机指令，超时时间 10ms（避免主循环阻塞）
    if (HAL_UART_Receive(&huart1, &rx_data, 1, 10) == HAL_OK) {
      if (rx_data == '#') {
        send_flag = 0; // 接收“#”，暂停发送
      } else if (rx_data == '*') {
        send_flag = 1; // 接收“*”，继续发送
      }
    }

    // 根据标志位控制发送
    if (send_flag) {
      UART_SendString(send_data);
      HAL_Delay(50); // 加短延时，避免发送过于密集
    }
  }
}

实验现象：

• 发送“*”：上位机连续接收“hello windows！”；

• 发送“#”：上位机接收停止；再次发送“

3. 中断与 DMA 方式实现

3.1 ：串口中断方式控制

代码实现（main.c + stm32f1xx_it.c）：

#include "main.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "stm32f1xx_hal_usart.h"
#include "stdio.h"
#include "string.h"
uint8_t rx_buf; // 存储接收的字符
uint8_t send_en = 1; // 发送使能标志，1为允许，0为暂停
char re_a = '#';
char send_buf[] = "hello windows! \r\n";

// 启动串口中断接收（单次接收1字节）
void UART_StartReceiveIT(void) {
  HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_data, 1);
}
UART_HandleTypeDef huart1;
// 串口接收中断回调函数（接收完成后自动调用）
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  if (huart == &huart1)
  {
    // 根据接收的字符控制发送使能
   
		if (rx_buf == '#')
			{
			send_en = 0;  // 收到“#”，暂停发送
				// 发送单个字符'#'
			HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)&re_a, 1, 100);
			}
    
    else if (rx_buf == '*')
    {
      send_en = 1;  // 收到“*”，继续发送
    }
    
    // 重新启动接收中断，确保能持续接收数据
    // 使用do-while循环确保中断能重新启动
    do
    {
      if (HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_buf, 1) == HAL_OK)
      {
        break;
      }
    } while (1);
  }
}

int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_USART1_UART_Init();
  UART_StartReceiveIT(); // 初始化后启动中断接收

  while (1) {
    if (send_flag) {
      HAL_UART_Transmit(&huart1, send_data, strlen((char*)send_data), 0xFFFF);
      HAL_Delay(10);
    }
  }
}

// stm32f1xx_it.c 部分（中断服务函数）
#include "usart.h"
void USART1_IRQHandler(void) {
  // 调用 HAL 库中断处理函数，间接触发回调
  HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
}

实验现象：
与任务二（2）功能一致，但中断方式响应速度更快（上位机发送指令后，STM32 可立即响应）。

3.2 ：串口 DMA 连续发送

代码实现（main.c）：

#include "main.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <string.h>

UART_HandleTypeDef huart1;
DMA_HandleTypeDef hdma_usart1_tx;

// 定义要发送的字符串
#define SEND_STR "hello world\r\n"
// 字符串长度（不含结束符）
#define STR_LEN  (sizeof(SEND_STR) - 1)
// 发送缓冲区大小（建议为字符串长度的整数倍，此处用4倍避免频繁中断）
#define TX_BUFFER_SIZE  (STR_LEN * 4)
uint8_t tx_buffer[TX_BUFFER_SIZE];

int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_DMA_Init();        // DMA 初始化（CubeMX 自动生成）
  MX_USART1_UART_Init();// USART1 初始化

  // 填充 DMA 发送缓冲区（循环复制字符串）
  for (uint16_t i = 0; i < sizeof(tx_buffer); i++) {
    tx_buffer[i] = SEND_STR[i % TX_LEN];
  }

  // 启动 DMA 循环发送（无需 CPU 干预）
  HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, tx_buffer, sizeof(tx_buffer));

  while (1) {
    // 主循环空闲，DMA 自动完成数据传输
  }
}

// DMA 发送完成回调函数（可选，循环模式下自动重启）
void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
  if (huart == &huart1) {
    // 可在此处更新 tx_buffer 数据（循环模式下发送不中断）
  }
}

实验现象：
上位机连续、无丢失接收“hello world”，即使波特率提升至 1Mbps 仍稳定传输。

4. 任务四：Keil 软件仿真分析波特率

4.1 仿真配置步骤

1. 打开 Keil 工程，点击 Debug → Start/Stop Debug Session 进入仿真模式。

2. 打开逻辑分析仪：View → Analysis Windows → Logic Analyzer。

3. 添加串口 TX 引脚：点击逻辑分析仪界面的 Setup，在“Signal”栏输入 PORTA.9（USART1_TX 引脚），“Display Type”选择“Bit”，点击“Add”。

4. 启动仿真：点击 Run 按钮，等待 2~3 秒后点击 Stop，观察时序波形。

5. 其他keil配置：

   

4.2 波特率计算

• 波形分析：1 个字符（如“h”，ASCII 码 0x68）包含 1 位起始位（低电平）、8 位数据位、1 位停止位，共 10 位。
• 时间测量：在逻辑分析仪波形上，测量 1 个字符的总传输时间 T（10 位 / 115200bps ≈ 86.8μs）。
• 计算实际波特率：波特率 = 10 / T（实测值与理论值误差 <1%）。

仿真结果：
实测 1 个字符传输时间约 87μs，计算波特率 ≈ 114943bps，误差 <0.2%，符合设计要求。

五、总结

1. 数据丢失原因：无延时连续发送时，STM32 代码执行速度远高于串口传输速度，导致发送缓冲区溢出，需通过 HAL_Delay() 或 DMA 避免。
2. 中断与 DMA 对比：中断适合响应上位机指令（低延迟），DMA 适合高速连续传输（零 CPU 占用）。
3. 仿真验证价值：Keil 软件仿真可无需示波器，直接观察串口时序，验证波特率正确性，降低硬件调试成本。

六、附录

1. 硬件接线图： STM32 PA9（TX）→ USB 转串口 RX、PA10（RX）→ USB 转串口 TX、共地引脚。
   

2. 串口助手配置图：标注端口号、波特率、数据位/停止位/校验位设置。

仿真验证价值*：Keil 软件仿真可无需示波器，直接观察串口时序，验证波特率正确性，降低硬件调试成本。