TTL串口通信STM32

在 STM32 微控制器上实现 TTL 串口通信是非常常见且重要的功能，常用于与其他微控制器、传感器模块（如 GPS、蓝牙、WiFi 模组）、计算机（通过 USB-TTL 转换器）或调试输出进行数据交换。

以下是基于 STM32 实现 TTL 串口通信的关键步骤和概念（使用中文）：

核心概念回顾：

1. TTL 电平：
   • 逻辑 0： 接近 0V (通常 < 0.8V)
   • 逻辑 1： 接近 VCC (通常 > 2.0V, 如 3.3V 或 5V)。STM32 通常工作在 3.3V。
2. 串口通信：
   • 异步 (Asynchronous)： 通信双方使用各自的时钟源，不需要时钟线。
   • 全双工 (Full-Duplex)： RX 和 TX 线独立，可同时发送和接收数据。
   • 起始位、数据位、奇偶校验位 (可选)、停止位： 定义数据帧格式。

STM32 实现步骤：

1. 硬件连接：

   • 确认目标 STM32 开发板或芯片上的 USART/UART 外设。每个 USART/UART 提供一对 TX (Transmit) 和 RX (Receive) 引脚。
   • 连接原理：
     • STM32 的 TX 连接到 对方设备的 RX。
     • STM32 的 RX 连接到 对方设备的 TX。
     • STM32 的 GND 连接到 对方设备的 GND。 (重要！提供共同的参考地电平)
   • ⚠️ 注意电平兼容性： STM32 通常是 3.3V TTL。确保连接的另一方设备也是 3.3V TTL 兼容（或兼容 3.3V 输入）。如果对方是 5V TTL，确保其能容忍 3.3V 输入，或者使用电平转换器，避免损坏 STM32 IO 引脚。绝对不要直接连接 RS232 电平设备！ (RS232 电平范围在 -15V 到 +15V)。

2. 配置外设（硬件初始化）：

   • 需要使用 STM32 标准外设库（如 HAL, LL）或直接操作寄存器。
   • 主要配置步骤 (基于 HAL 库)：
     1. 启用时钟： 使能目标 USART/UART 外设的时钟（例如 USART1 在 APB2 总线上）和对应的 GPIO 引脚所在的 GPIO 端口时钟。
     2. 配置 GPIO 引脚：
        • 将 TX 引脚配置为 Alternate Function Push-Pull。
        • 将 RX 引脚配置为 Input (Floating, Pull-up 或复用输入，取决于具体配置)。通常 USART_RX 配置为 GPIO_MODE_AF_PP（复用推挽）或 GPIO_MODE_AF_INPUT（复用输入），具体看数据手册和 HAL 库用法。HAL 中常用 GPIO_MODE_AF_PP。
     3. 配置 USART/UART：
        • 创建并初始化一个 UART 初始化结构体 UART_HandleTypeDef huartx。
        • 设置参数：
          • BaudRate (波特率)：如 9600, 115200, 921600。
          • WordLength (数据位)：通常 UART_WORDLENGTH_8B。
          • StopBits (停止位)：通常 UART_STOPBITS_1。
          • Parity (校验位)：通常 UART_PARITY_NONE (无校验)、UART_PARITY_EVEN (偶校验)、UART_PARITY_ODD (奇校验)。
          • Mode (模式)：设置为 UART_MODE_TX_RX。
          • HwFlowCtl (硬件流控制)：通常 UART_HWCONTROL_NONE (禁用)。
          • OverSampling (过采样率)：高速率常用 UART_OVERSAMPLING_8（针对某些特定频率有好处，如使用 8倍过采样可在16倍下能容忍更大时钟误差）。
        • 调用 HAL_UART_Init() 完成初始化。
     4. (可选) 中断配置：
        • 如果需要使用中断收发数据，需要配置 NVIC 优先级并启用 USART/UART 的全局中断 (__HAL_UART_ENABLE_IT(&huartx, UART_IT_RXNE) 或对应宏) 以及特定中断源（如接收中断）。实现中断服务函数 USARTx_IRQHandler()，并在其中调用 HAL_UART_IRQHandler()。
        • 或者使用 CubeMX 图形工具配置中断。

3. 数据传输（软件实现）：

   • 轮询 (Blocking) 方式：
     • 发送： HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, const uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)
     • 接收： HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)
     • 特点： 函数会等待指定大小数据发送/接收完成或超时才会返回。简单易用，但会阻塞 CPU，效率较低。
   • 中断 (Interrupt) 方式：
     • 发送： HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit_IT(UART_HandleTypeDef *huart, const uint8_t *pData, uint16_t Size)
       • 启动非阻塞发送。发送完指定字节或发送缓冲区为空时会触发 传输完成中断 (TXE/TC)。需要在 HAL_UART_TxCpltCallback() 回调函数中处理发送完成后的操作（如启动下一次发送）。
     • 接收： HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size)
       • 启动非阻塞接收，期望接收到指定字节。每接收到一个字节都会触发 接收中断 (RXNE)。当收到期望的字节数时，触发 接收完成中断，并调用 HAL_UART_RxCpltCallback() 回调函数。
     • (重要) 不定长接收： 使能 空闲线路中断 (Idle Line Interrupt) (__HAL_UART_ENABLE_IT(&huartx, UART_IT_IDLE))。当 RX 线在一帧时间内没有任何新数据（即线路空闲）时，会产生空闲中断。可以在中断服务函数或 HAL_UART_IdleCallback() 中读取接收到的数据长度（可用 __HAL_DMA_GET_COUNTER() 结合 DMA 或自行计算）。
     • 特点： CPU 利用率高，适合小数据量或不定长接收。但需要处理中断，并注意在回调函数中做必要的临界区保护。
   • DMA (Direct Memory Access) 方式：
     • 发送： HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, const uint8_t *pData, uint16_t Size)
     • 接收： HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size)
     • 特点： DMA 控制器负责在内存和 UART 数据寄存器之间搬运数据，几乎不占用 CPU。发送/接收完成、传输错误等事件会触发 DMA 中断。可以在 HAL_UART_TxCpltCallback() / HAL_UART_RxCpltCallback() 或 HAL_UARTEx_RxEventCallback()（用于处理接收事件）中处理后续任务。结合空闲中断非常适合不定长大数据量接收。

4. 常见工具与调试：

   • 开发环境： STM32CubeIDE (免费，推荐), Keil MDK, IAR EWARM。
   • 配置工具： STM32CubeMX (免费，图形化配置外设时钟、GPIO、中断、DMA、Middleware，生成初始化代码，极大简化配置)。
   • 调试助手：
     • PC端串口助手：PuTTY, CoolTerm, TeraTerm, RealTerm, MobaXterm，或者自己用 Python (pyserial) / C# / Qt 编写。
     • 逻辑分析仪：Saleae, DSView + DSLogic，用于抓取 TX/RX 线的实际波形，验证波特率、数据帧是否正确。
     • STM32 ST-Link Utility / STM32CubeProgrammer：用于烧录固件和查看 Serial Wire Viewer (SWV) 输出（printf 重定向的一种方式）。

关键点与最佳实践：

1. 确认波特率一致： 通信双方（STM32 和对方设备）必须设置完全相同的波特率、数据位、停止位、校验位（无校验最常见）。
2. 检查硬件连接三线： TX -> 对方RX, RX -> 对方TX, GND -> GND。这是最容易出错的地方。
3. GND 共地必须连接： 没有共地，电压参考不一致，通信无法正常。
4. 初始化顺序： 先开启外设时钟，再配置 GPIO，最后配置 UART。
5. 中断/DMA 配置： 如果使用中断或 DMA，务必正确配置相应的中断通道和优先级。
6. printf 重定向： 为了方便调试输出，常将 printf 重定向到指定 UART。需要在工程中实现 int __io_putchar(int ch) 或 int _write(int file, char *ptr, int len) 等函数（取决于工具链），内部调用 HAL_UART_Transmit 发送单个字符。
7. 缓冲区管理： 在中断或 DMA 方式下，为收发数据准备环形缓冲区 (Ring Buffer/FIFO) 是良好的实践，提高效率和简化数据处理。
8. 错误处理： 检查 HAL 函数返回值（HAL_OK, HAL_BUSY, HAL_ERROR, HAL_TIMEOUT），处理可能出现的通信错误（超时、帧错误、校验错误等）。
9. 考虑 DMA 和空闲中断： 对于数据量较大或不定长的应用场景（如 GPS/GPRS/蓝牙模块通信），使用 DMA + 空闲中断接收是最佳选择。

总结：

STM32 的 USART/UART 外设功能强大且灵活。实现 TTL 串口通信的核心在于：

1. 正确接线 (TTL电平、三线连接)。
2. 初始化外设时钟、GPIO、UART 参数（波特率等务必一致）。
3. 选择合适的传输方式（轮询、中断、DMA）。
4. 在应用代码中使用对应的 HAL API 或 LL API / 寄存器操作进行收发。

借助 STM32CubeMX 和 HAL 库可以极大简化初始化和配置过程。理解波特率、数据帧格式、共地以及不同传输方式的优缺点对于构建稳定可靠的串口通信应用至关重要。结合调试助手和逻辑分析仪可以有效定位和解决通信问题。