8.STM32 串口通信程序编写详解：寄存器与 HAL 库实战

摘要：本文以 STM32F103 系列和 USART1 为例，系统讲解串口通信的程序编写方法。内容涵盖寄存器方式与 HAL 库方式两种实现路径，包括单字符与指定长度数据的收发、printf 与 scanf 的串口重定向，以及通过串口指令控制 LED 的完整实验。文章同时对比了查询方式与中断方式的适用场景，并总结了收发配置一致、TX-RX 交叉接线等关键实践要点。

程序编写

本章以 STM32F103 系列、USART1 为例，介绍串口通信的程序编写方法。默认配置为：波特率 115200、8 位数据位、无校验、1 位停止位（8N1）。USART1 的 TX 引脚为 PA9，RX 引脚为 PA10。

注意：安装串口调试助手和 CH340

1、寄存器方式单字符收发

• 寄存器方式单字节发送

• 放到 while 上面验证没有问题

• 多数据发送验证

按照之前的程序会乱，所以做了优化

void UartSendBit(uint8_t ch) { while(!(USART1->SR & (1<<7))){} USART1->DR=ch; }

（1）GPIO 和 USART 初始化

void USART1_Init(void) { // 1. 使能 GPIOA 和 USART1 时钟 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN; // 使能 GPIOA 时钟 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN; // 使能 USART1 时钟 // 2. 配置 PA9(TX) 为复用推挽输出，50MHz GPIOA->CRH &= ~(0xF << 4); // 清除 PA9 原有配置 GPIOA->CRH |= (0xB << 4); // PA9: 复用推挽输出, 50MHz // 3. 配置 PA10(RX) 为浮空输入 GPIOA->CRH &= ~(0xF << 8); // 清除 PA10 原有配置 GPIOA->CRH |= (0x4 << 8); // PA10: 浮空输入 // 4. 设置波特率 115200 (PCLK2=72MHz) // USARTDIV = 72000000 / (16 * 115200) = 39.0625 // DIV_Mantissa = 39, DIV_Fraction = 1 USART1->BRR = 0x271; // 5. 配置 CR1: 8位数据, 无校验, 使能发送和接收 USART1->CR1 = 0; // 清零 USART1->CR1 |= USART_CR1_TE; // 使能发送 USART1->CR1 |= USART_CR1_RE; // 使能接收 USART1->CR1 |= USART_CR1_UE; // 使能 USART1 }

（2）指定长度数据接收

除了单字符接收，查询方式下还可以实现接收指定长度的数据块，或接收以特定结束符（如换行符 '\n'）结尾的字符串。

/** * @brief 接收指定长度的数据 * @param buf: 接收缓冲区指针 * @param len: 要接收的字节数 * @retval 实际接收到的字节数 */ uint16_t USART1_ReceiveData(uint8_t *buf, uint16_t len) { uint16_t i = 0; while (i < len) { // 等待接收数据寄存器非空 while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE)); buf[i++] = (uint8_t)(USART1->DR); } return i; }

/** * @brief 接收字符串，直到遇到结束符或缓冲区满 * @param buf: 接收缓冲区指针 * @param max_len: 缓冲区最大长度 * @param terminator: 结束符（如 '\n' 或 '\r'） * @retval 实际接收到的字符串长度（不含结束符） */ uint16_t USART1_ReceiveString(char *buf, uint16_t max_len, char terminator) { uint16_t i = 0; uint8_t ch; if (max_len == 0) return 0; while (i < max_len - 1) // 预留1个字节给字符串结束符 '\0' { // 等待接收数据寄存器非空 while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE)); ch = (uint8_t)(USART1->DR); if (ch == (uint8_t)terminator) { break; // 遇到结束符，停止接收 } buf[i++] = (char)ch; } buf[i] = '\0'; // 添加字符串结束符 return i; }

使用示例：

char rxBuf[50]; // 接收直到换行符 '\n'，最多接收49个字符 uint16_t len = USART1_ReceiveString(rxBuf, sizeof(rxBuf), '\n'); // 将接收到的字符串回发 USART1_SendString("Received: "); USART1_SendString(rxBuf); USART1_SendString("\r\n");

查询方式接收的特点是阻塞等待：在数据未到达时，CPU 会停在 while 循环里等待，无法执行其他任务。因此查询方式适合简单的、对实时性要求不高的场景。如果需要在接收的同时处理其他任务，就需要使用中断方式（后续阶段讲解）。

2、HAL 方式串口收发

（1）HAL 库初始化

使用 STM32CubeMX 配置 USART1 后，生成的初始化代码如下（或手动编写）：

UART_HandleTypeDef huart1; void MX_USART1_UART_Init(void) { huart1.Instance = USART1; huart1.Init.BaudRate = 115200; // 波特率 huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; // 8位数据 huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1; // 1位停止 huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE; // 无校验 huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX; // 收发模式 huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE; // 无硬件流控 huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16; // 16倍过采样 if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK) { Error_Handler(); } }

（2）HAL 库阻塞式发送

// 发送字符串 uint8_t txData[] = "Hello, UART!\r\n"; HAL_UART_Transmit(&huart1, txData, sizeof(txData)-1, HAL_MAX_DELAY); // 发送单字节 uint8_t byte = 'A'; HAL_UART_Transmit(&huart1, &byte, 1, 100); // 超时100ms

（3）HAL 库阻塞式接收

uint8_t rxData[20]; // 阻塞接收指定长度数据，超时 5000ms HAL_StatusTypeDef status = HAL_UART_Receive(&huart1, rxData, 10, 5000); if (status == HAL_OK) { // 接收成功，处理 rxData }

（4）串口重定向（重新定义数据传输的方向）

printf 为格式化输出函数

默认输出到终端

需求：使用 printf 输出数据到串口

__weak是什么

__weak是 弱定义（weak definition） 修饰符，用于标记一个函数或变量为弱符号。在 STM32 HAL 库中被大量使用。

核心作用：允许被用户重写

• 被__weak修饰的函数提供一个默认实现

• 用户可以在自己的代码中定义一个同名函数（不带__weak，即强符号）

• 链接时，强符号会自动覆盖弱符号，从而调用用户自己的实现

串口重定向（注意在魔术棒工具里勾选微型 C 库）

#include <stdio.h> int fputc(int ch,FILE *f) { while(!(USART1->SR & (1<<7))){} USART1->DR=ch; return ch; }

#include "gpio.h"和#include <stdio.h>区别

C 语言#include预处理指令的两种头文件包含方式，核心区别在于查找路径的顺序不同。

结合 STM32 项目理解

• #include "gpio.h"：gpio.h是 STM32CubeMX 生成的、属于你自己项目的头文件（里面是 GPIO 初始化函数声明，如MX_GPIO_Init()），和你的.c源文件在同一个工程目录下，所以用双引号。

• #include <stdio.h>：stdio.h是C 标准库提供的头文件（里面声明了printf、scanf等标准输入输出函数），由编译器/工具链自带，放在系统 include 目录中，不在你的项目文件夹里，所以用尖括号。

补充说明

1. 双引号是"兜底"的：用"gpio.h"时，如果当前目录找不到，编译器最终也会去系统目录找，所以理论上标准库头文件也能用双引号包含——但不推荐，因为这会降低查找效率，也不符合编码规范。

2. 尖括号不会找当前目录：用<stdio.h>时，编译器不会去当前源文件目录查找，直接走系统路径。

3. 编码规范约定俗成：

   1. 自己写的 / 项目内的头文件 → 双引号"xxx.h"

   2. 标准库 / 第三方库头文件 → 尖括号<xxx.h>

简单记：双引号找"自家的"，尖括号找"公家的"。

scanf 重定向

int fgetc(FILE *f) { uint8_t ch; while(!(USART1->SR & (1<<5))){} ch=USART1->DR; return ch; }

重定向之后注意在串口输入数据后添加‘空格’

（5）常用 HAL 库函数一览

3、串口重定向

串口重定向是指将 C 标准库的printf、scanf等函数的输入输出重定向到串口，这样就可以像在 PC 上一样使用printf打印调试信息。

（1）printf 重定向（HAL 库方式）

#include <stdio.h> // 重写 fputc 函数，将 printf 输出重定向到串口 int fputc(int ch, FILE *f) { HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY); return ch; } // 使用示例 printf("System Start...\r\n"); printf("ADC Value = %d\r\n", adcValue); printf("Temperature = %.2f C\r\n", temp);

（2）printf 重定向（寄存器方式）

#include <stdio.h> int fputc(int ch, FILE *f) { while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE)); // 等待发送寄存器空 USART1->DR = (uint8_t)ch; // 发送字符 return ch; }

（3）scanf 重定向（可选）

int fgetc(FILE *f) { while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE)); // 等待接收数据 return (int)USART1->DR; // 读取并返回 }

注意事项：

1. 使用 printf 前需要在工程设置中勾选 "Use MicroLIB"（Keil）或启用 newlib-nano（GCC），否则程序会因堆栈不足而跑飞。

2. printf 中的浮点数输出（%f）在某些编译环境下需要额外配置，否则可能不显示。

3. 建议在输出字符串末尾加上 "\r\n"，这样串口助手显示时会换行且光标回到行首。

4、串口控制实验

本实验通过串口发送指令控制开发板上的 LED，并在串口返回状态信息。

（1）实验功能

• 发送字符'1'：点亮 LED

• 发送字符'0'：熄灭 LED

• 发送字符's'：查询 LED 当前状态

• 其他字符：提示"未知指令"

（2）寄存器方式实现

#include "stm32f10x.h" uint8_t ledState = 0; // LED 状态: 0=灭, 1=亮 void LED_Init(void) { RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN; // 使能 GPIOC 时钟 GPIOC->CRH &= ~(0xF << 20); // 清除 PC13 配置 GPIOC->CRH |= (0x3 << 20); // PC13: 推挽输出 50MHz GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13; // LED 默认熄灭（高电平） } void LED_On(void) { GPIOC->BRR = GPIO_BRR_BR13; ledState = 1; } void LED_Off(void) { GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13; ledState = 0; } int main(void) { uint8_t cmd; LED_Init(); USART1_Init(); // 使用前面定义的初始化函数 USART1_SendString("=== UART Control LED ===\r\n"); USART1_SendString("Send '1' to turn ON, '0' to turn OFF, 's' for status\r\n"); while (1) { cmd = USART1_ReceiveByte(); // 阻塞接收一个字符 switch (cmd) { case '1': LED_On(); USART1_SendString("[OK] LED ON\r\n"); break; case '0': LED_Off(); USART1_SendString("[OK] LED OFF\r\n"); break; case 's': if (ledState) USART1_SendString("[INFO] LED is ON\r\n"); else USART1_SendString("[INFO] LED is OFF\r\n"); break; default: USART1_SendString("[ERR] Unknown command\r\n"); break; } } }

（3）HAL 库中断方式实现

#include "main.h" #include <stdio.h> UART_HandleTypeDef huart1; uint8_t rxByte; // 接收单字节缓冲 uint8_t ledState = 0; // LED 状态 int fputc(int ch, FILE *f) { HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY); return ch; } void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) { if (huart->Instance == USART1) { switch (rxByte) { case '1': HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_RESET); ledState = 1; printf("[OK] LED ON\r\n"); break; case '0': HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_SET); ledState = 0; printf("[OK] LED OFF\r\n"); break; case 's': printf("[INFO] LED is %s\r\n", ledState ? "ON" : "OFF"); break; default: printf("[ERR] Unknown command: %c\r\n", rxByte); break; } // 重新开启接收中断 HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rxByte, 1); } } int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_GPIO_Init(); MX_USART1_UART_Init(); printf("=== UART Control LED (HAL IT) ===\r\n"); printf("Send '1'=ON, '0'=OFF, 's'=status\r\n"); // 开启接收中断 HAL_UART_Receive_IT(&amp;huart1, &amp;rxByte, 1); while (1) { // 主循环可做其他任务，串口接收由中断处理 } }

（4）实验步骤

1. 将开发板的 USART1（PA9-TX、PA10-RX）通过 USB 转串口模块连接到电脑。

2. 打开串口助手（如 XCOM、SecureCRT、Putty），设置波特率 115200、8 位数据位、无校验、1 位停止位。

3. 烧录程序并复位开发板，串口助手应显示欢迎信息。

4. 在串口助手中发送字符'1'，观察 LED 点亮并收到 "[OK] LED ON"。

5. 发送字符'0'，观察 LED 熄灭并收到 "[OK] LED OFF"。

6. 发送字符's'，查看当前 LED 状态。

实验要点总结：

1. 串口通信的核心是收发双方配置一致（波特率、数据位、校验位、停止位）。

2. 接线遵循TX-RX 交叉、GND 共地原则。

3. 查询方式简单但占用 CPU；中断方式效率高，适合实际项目。

4. printf 重定向是嵌入式调试的重要手段，务必掌握。

5. 接收数据时注意处理溢出错误（ORE），避免数据丢失。