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摘要：本文系统讲解嵌入式通信的基础知识，从通信的本质与历史演变出发，介绍通信的多种划分方式（传输介质、时钟同步、数据传输方向、数据位传输方式），并重点剖析 STM32 中常用的 UART/USART 通信：包括 UART 与 USART 的区别、接线方法、数据帧结构、波特率计算、相关寄存器、串口电平标准（TTL、RS232、RS485），最后总结串口乱码、数据丢失等常见问题的调试技巧，帮助读者快速掌握串口通信的实战要点。

一、什么是通信

1、我们见到的通信

通信的本质是信息的传递与交换。在人类历史上，通信方式经历了漫长的演变：

• 烽火台：古代边防军事通信，通过点燃烟火传递敌情信号，"烽火戏诸侯"便是利用烽火传递信息的典故。特点是传递速度快，但信息量极少，只能传递预设的简单信号。

• 飞鸽传书：利用信鸽的归巢本能传递书信，可携带一定文字信息，但受天气、距离和鸽子状态影响，可靠性有限。

• 驿站快马：通过接力方式传递公文和信件，是古代官方主要的长途通信手段。

• 旗语、鼓号：在近距离或战场上通过视觉、听觉信号传递指令。

这些原始通信方式的共同局限是：传输距离有限、信息量小、速度慢、易受干扰。

2、电子领域通信

在电子与计算机领域，通信指设备与设备之间进行数据的交互，即通过电信号或光信号按照一定的协议规范，在两个或多个电子设备之间传递二进制数据。

电子通信的核心要素包括：

• 发送端（Tx）：将数据编码为电信号并发送出去的设备。

• 接收端（Rx）：接收电信号并解码还原为数据的设备。

• 传输介质：信号传播的载体，如导线（有线）、空气（无线）、光纤等。

• 通信协议：收发双方约定的数据格式、时序规则和纠错机制，确保数据能被正确理解。

与传统通信相比，电子通信具有速度快、容量大、抗干扰能力强、可长距离传输等优势，是现代嵌入式系统、计算机网络和物联网的基础。

二、通信的划分

通信可以从不同维度进行分类，以下是嵌入式领域最常见的几种划分方式：

1、按传输介质划分

无线通信：利用电磁波在空气中传播信号，无需物理连线。

• 常见方式：Wi-Fi、蓝牙（Bluetooth）、星闪、ZigBee、LoRa、NB-IoT（窄带宽物联）、4G/5G、GPRS 2G 等。

• 优点：部署灵活、移动性强、无需布线。

• 缺点：易受干扰、安全性相对较低、功耗较高。

有线通信：通过物理导线（如铜线、光纤）传输信号。

• 常见方式：UART、SPI、I2C、USB、以太网（Ethernet）、CAN 等。

• 优点：传输稳定、抗干扰能力强、安全性高、速度快。

• 缺点：需要物理布线、移动性差、设备间距离受线缆限制。

2、按时钟同步方式划分

同步通信：收发双方共用同一时钟信号，数据在时钟节拍下同步传输。

• 特点：需要额外的时钟线（SCK/CLK），数据传输效率高，适合高速大批量数据传输。

• 典型协议：SPI、I2S。

• 同步通信优点：安全、快。

• 缺点：占用 IO 资源多。

异步通信：收发双方不共用时钟，各自使用独立的本地时钟，通过约定的波特率和数据帧格式来同步。

• 特点：无需时钟线，只需两根数据线（TX/RX）即可通信；通过起始位和停止位标识数据帧的开始和结束。

• 缺点：每个字节都需要额外的起始位和停止位，传输效率相对较低。

• 典型协议：UART。

• 优点：占用 IO 资源少。

• 缺点：慢、丢包率高。

3、按数据传输方向划分

4、按数据位传输方式划分

串行通信：数据按位（bit）依次在一条数据线上传输，每次只传一位。

• 优点：占用引脚少（通常只需 TX、RX 两根线），布线简单，适合长距离传输。

• 缺点：传输速度相对较低（相对于并行）。

• 典型协议：UART、SPI、I2C、USB、CAN。

并行通信：数据的多个位同时在多条数据线上传输，一次可传输多个 bit。

• 优点：传输速度快，一次可传输 8/16/32 位数据。

• 缺点：占用引脚多，布线复杂，信号线间存在串扰，不适合长距离和高速场景。

• 典型示例：传统打印机并口、IDE 接口、STM32 FSMC 外部存储器接口。

在现代嵌入式系统中，串行通信已成为主流。随着芯片工艺和信号处理技术的进步，串行通信的速度已大幅提升（如 USB 3.0、PCIe），且引脚少、抗干扰强的优势更加突出。

三、STM32中的通信

STM32 系列微控制器集成了丰富的通信外设，能够满足各种嵌入式应用场景的通信需求。以下是 STM32 中常见的通信外设及其特点：

各通信方式的选择建议

• 调试与简单数据传输：优先选择 UART，使用简单、工具成熟，几乎所有开发板都引出串口。

• 高速短距离板内通信：选择 SPI，速度快（可达几十 MHz），适合与高速外设（Flash、显示屏）通信。

• 多设备、低速、少引脚：选择 I2C，只需两根线（SCL/SDA）即可挂载多个从设备，适合传感器网络。

• 多机长距离、高可靠性：选择 CAN，支持差分信号传输，抗干扰能力强，最远可达数公里。

• 与 PC 高速通信：选择 USB，可虚拟为串口（CDC）或使用自定义协议，速度远高于普通串口。

STM32 不同型号的通信外设数量和种类有所差异。例如 F1 系列通常有 3 个 USART + 2 个 SPI + 2 个 I2C + 1 个 USB；F4 系列则有 6 个 UART/USART + 3 个 SPI + 3 个 I2C + 2 个 CAN + USB OTG 等。使用时需查阅对应型号的数据手册。

四、UART和USART

1、是什么

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器）是一种通用的串行异步通信协议，也是嵌入式系统中最常用、最基础的通信方式之一。它将并行数据转换为串行数据发送出去，同时将接收到的串行数据转换为并行数据。

USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步异步收发器）是 UART 的增强版，在支持异步通信的基础上，额外支持同步通信模式（提供时钟输出引脚 SCLK）。

在 STM32 中，USART 可以工作在异步模式（此时功能等同于 UART），也可以工作在同步模式。而 UART 外设仅支持异步模式。

2、UART 和 USART 的区别

在实际开发中，绝大多数场景使用的都是异步模式，此时 USART 和 UART 的用法完全相同。STM32 的 USART 外设默认工作在异步模式，因此教程中常说的"串口"通常指的就是 USART 的异步模式。

3、UART 接线

UART 通信最基本的连接需要三根线：

• TX（Transmit，发送端）：数据发送引脚，设备 A 的 TX 连接设备 B 的 RX。

• RX（Receive，接收端）：数据接收引脚，设备 A 的 RX 连接设备 B 的 TX。

• GND（Ground，地线）：共地，确保双方电平参考一致，这是通信稳定的必要条件。

接线原则：TX 接 RX，RX 接 TX，GND 接 GND（交叉连接）。

设备 A 设备 B

┌─────────┐ ┌─────────┐

│ TX │───▶ │ RX │

│ RX │◀─── │ TX │

│ GND │──── │ GND │

└─────────┘ └─────────┘

注意事项：

• 如果只需要单向传输（如只发送不接收），可以只接 TX-RX 和 GND 两根线。

• 部分 UART 还支持硬件流控引脚 RTS（请求发送）和 CTS（清除发送），用于防止数据溢出，但一般场景不使用。

• 必须确保双方电平一致（如都是 3.3V TTL 电平），否则需要电平转换芯片（如 MAX3232 转 RS232，或 CH340/CP2102 转 USB）。

4、UART 通信协议

UART 异步通信以数据帧（Frame）为单位传输，每一帧包含以下部分：

（1）数据帧结构

• 空闲位（Idle）：总线空闲时保持高电平。

• 起始位（Start Bit）：1 位，由高电平拉低为低电平，表示一帧数据的开始。接收端检测到下降沿后开始接收数据。

• 数据位（Data Bits）：5~9 位，通常为 8 位（1 字节）。低位在前（LSB First），高位在后（MSB Last）。

• 校验位（Parity Bit）：可选，0 或 1 位。用于数据校验，可选择奇校验（Odd）、偶校验（Even）或无校验（None）。

• 停止位（Stop Bit）：1 位、1.5 位或 2 位，高电平，表示一帧数据的结束。

（2）波特率（Baud Rate）

波特率表示每秒传输的二进制位数，单位是 bps（bit per second）。常见的波特率有：9600、19200、38400、57600、115200 等。

收发双方必须设置相同的波特率，否则会因时钟偏差导致数据错乱。

以最常用的8N1 格式（8 位数据位、无校验、1 位停止位）和 115200 波特率为例：

• 每帧实际传输位数 = 1（起始）+ 8（数据）+ 1（停止）= 10 位（面试会问）。

• 每秒可传输字节数 = 115200 / 10 = 11520 字节/秒。

（3）常见配置组合

5、UART 框图

STM32 USART 外设的内部结构主要包含以下几个部分：

各部分功能说明：

• 发送数据寄存器（TDR / DR）：CPU 将待发送的数据写入该寄存器，数据会自动转移到发送移位寄存器。

• 发送移位寄存器（TX Shift Register）：将并行数据按位串行化，在波特率时钟驱动下从 TX 引脚逐位发送出去。

• 接收移位寄存器（RX Shift Register）：从 RX 引脚逐位接收串行数据，组装成并行数据后转移到接收数据寄存器。

• 接收数据寄存器（RDR / DR）：存放接收到的完整数据，CPU 从该寄存器读取数据。

• 波特率发生器（Baud Rate Generator）：根据 BRR 寄存器的配置，对系统时钟分频，产生收发所需的波特率时钟。

• 控制寄存器（CR1/CR2/CR3）：配置 USART 的工作模式、数据位、校验位、停止位、中断使能等。

• 状态寄存器（SR）：反映 USART 当前的工作状态，如发送寄存器空（TXE）、发送完成（TC）、接收寄存器非空（RXNE）、溢出错误（ORE）等。

6、UART 相关寄存器

以 STM32F1 系列为例，USART 主要涉及以下寄存器（基地址因 USART 编号不同而异）：

常用状态位说明（USART_SR）

• TXE（位 7）：发送数据寄存器空。当 TDR 中的数据已转移到移位寄存器时置 1，表示可以写入下一个数据。写入 DR 后硬件自动清零。

• TC（位 6）：发送完成。当一帧数据（包括停止位）完全从 TX 引脚发送出去，且 TXE=1 时置 1。需要软件清零（先读 SR，再写 DR）。

• RXNE（位 5）：接收数据寄存器非空。当移位寄存器中的数据已转移到 RDR 时置 1，表示有数据可读。读取 DR 后硬件自动清零。

• IDLE（位 4）：检测到空闲总线。当 RX 引脚持续一帧时间为高电平时置 1，常用于判断一帧数据接收结束。需软件序列清零（读 SR 再读 DR）。

• ORE（位 3）：溢出错误。当 RDR 中已有数据未读，又接收到新数据时置 1，表示数据丢失。

• FE（位 1）：帧错误。检测到无效的停止位时置 1。

• PE（位 0）：校验错误。接收到的数据校验位不匹配时置 1。

波特率计算（USART_BRR）

波特率分频值计算公式：

$$\text{USARTDIV} = \frac{f_{CK}}{16 \times \text{BaudRate}$$

其中 f$${}_{CK$$ 为 USART 的时钟频率（APB1 或 APB2 总线时钟）。

例如：USART1 挂在 APB2 上，f$${}_{CK$$ = 72MHz，目标波特率 115200：

$$\text{USARTDIV} = \frac{72000000}{16 \times 115200} = \frac{72000000}{1843200} \approx 39.062$$

• DIV_Mantissa = 39（整数部分）

• DIV_Fraction = 0.0625 × 16 = 1（小数部分 × 16 取整）

• USART_BRR = (39 << 4) | 1 = 0x271

7、串口电平标准

UART 本身只定义了通信协议（数据帧格式、时序），但没有规定物理电平标准。在实际应用中，常见的串口电平标准有以下三种：

（1）TTL 电平

TTL 电平是 MCU 引脚直接输出的电平，STM32 的 IO 口通常为 3.3V TTL 电平（部分引脚兼容 5V 输入）。逻辑上高电平代表 1，低电平代表 0，是最常见的板内通信电平。

3.3V TTL 和 5V TTL 设备互连时需要注意：3.3V 设备的 TX 接 5V 设备的 RX 通常没问题（3.3V 可被识别为高电平），但 5V 设备的 TX 接 3.3V 设备的 RX 可能会烧坏 3.3V 引脚，需要电平转换或分压。

（2）RS232 电平

RS232 是传统的串行通信标准，使用 ±12V 电压，且逻辑是反转的：负电压代表逻辑 1，正电压代表逻辑 0。这与 TTL 电平完全不同，因此 TTL 设备与 RS232 设备通信时必须使用电平转换芯片。

常用的 TTL 转 RS232 芯片：MAX3232（3.3V 供电）、MAX232（5V 供电）。

（3）RS485 电平

RS485 使用差分信号（A 线和 B 线），通过两根线之间的电压差来表示逻辑 0 和 1，具有很强的抗干扰能力，支持长距离传输和多设备挂载（一条总线上最多可挂 32 个设备）。

STM32 的 UART 本身不直接输出 RS485 电平，需要外接SP3485、MAX485等收发芯片，并通过一个 GPIO 控制收发方向（DE/RE 引脚）。

（4）常见电平转换方案

8、常见问题与调试技巧

（1）串口乱码

串口乱码是最常见的问题，表现为接收到的字符全是看不懂的符号。按以下顺序排查：

1. 波特率不匹配：确认发送端和接收端的波特率设置完全一致（如都是 115200）。这是乱码最常见的原因。

2. 时钟配置错误：STM32 的波特率由系统时钟分频得到，如果系统时钟（HSE/PLL）配置不正确，实际波特率会偏离设定值。检查 SystemClock_Config() 配置。

3. 电平不匹配：确认双方使用相同的电平标准（都是 TTL 或经过正确的电平转换）。3.3V TTL 直接接 RS232 一定会乱码。

4. 接线错误：确认 TX 接 RX、RX 接 TX（交叉连接），GND 必须共地。TX 接 TX、RX 接 RX 会导致完全收不到数据或乱码。

5. 数据格式不匹配：确认数据位、校验位、停止位设置一致（如都是 8N1）。

（2）数据丢失或接收不完整

• 溢出错误（ORE）：当接收数据寄存器（RDR）中的数据还没被读取，新的数据又接收到了，就会触发溢出错误，导致新数据丢失。查询方式下如果 CPU 处理其他任务时间过长，来不及读取 DR，就会出现这个问题。

• 解决方法：在读取 DR 前检查 ORE 标志位，如果 ORE=1，先读 SR 再读 DR 来清除该标志；或者提高读取频率，避免数据积压。

uint8_t USART1_ReceiveByte(void) { // 等待接收数据寄存器非空 while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE)); // 检查溢出错误（可选） if (USART1->SR & USART_SR_ORE) { // 读 SR 再读 DR 清除 ORE 标志 (void)USART1->SR; (void)USART1->DR; } return (uint8_t)(USART1->DR); }

（3）第一个字节发送丢失

在初始化 USART 后立即发送第一个字节，有时会出现第一个字节丢失的现象。原因是 USART 使能（UE=1）后，发送器需要一个时间来完成初始化，如果在 TE 置位后立即写 DR，第一个字节可能不会被正确发送。

解决方法：初始化后等待 TC 标志位置 1，或者在发送第一个字节前加一个短暂延时。

void USART1_Init(void) { // ... 其他初始化代码 ... USART1->CR1 |= USART_CR1_UE; // 使能 USART // 等待发送器就绪（TC=1 表示发送完成，空闲状态） while (!(USART1->SR & USART_SR_TC)); }

（4）串口助手使用要点

• 端口选择：在设备管理器中确认 USB 转串口模块对应的 COM 口号。

• 波特率设置：必须与开发板程序中的波特率一致。

• 发送模式：ASCII 模式发送文本字符；HEX 模式发送十六进制原始数据（适合发送二进制协议数据）。

• 行结束符：发送时可选择追加 "\r\n"（回车换行），方便接收端按行解析。

• 时间戳和显示模式：调试时建议开启 HEX 显示，可以直观看到每个字节的原始值，方便判断是乱码还是协议数据。

（5）硬件调试技巧

• 万用表测电平：空闲状态下 TX 引脚应为高电平（3.3V），如果一直是低电平，可能是引脚配置错误或硬件损坏。

• LED 指示：在 TX 或 RX 线上串联 LED 和电阻，发送/接收数据时 LED 会闪烁，可直观判断是否有数据传输。

• 回环测试：将开发板的 TX 和 RX 直接短接，发送什么就应该收到什么，可快速判断串口本身是否正常工作。

五、总结

本文围绕嵌入式通信，特别是 STM32 中的 UART/USART 串口通信，系统梳理了从基础概念到实战调试的完整知识链路，核心要点如下：

• 通信分类：通信可按传输介质（有线/无线）、时钟同步方式（同步/异步）、数据传输方向（单工/半双工/全双工）以及数据位传输方式（串行/并行）等多个维度划分，其中串行通信凭借引脚少、抗干扰强的优势已成为现代嵌入式系统的主流。

• UART 与 USART 的区别：UART 仅支持异步通信，而 USART 在异步基础上额外支持同步模式（提供 SCLK 时钟引脚）。实际开发中绝大多数场景使用异步模式，此时两者用法完全相同。

• 通信协议要点：UART 以数据帧为单位传输，包含起始位、数据位、校验位和停止位；收发双方必须设置相同的波特率（如 115200）和数据格式（如 8N1），否则会导致数据错乱。

• 电平标准：常见串口电平标准有 TTL（3.3V/5V 正逻辑）、RS232（±12V 负逻辑）和 RS485（差分信号），不同电平之间互连必须使用对应的转换芯片（如 MAX3232、MAX485、CH340 等）。

• 调试技巧：串口乱码、数据丢失、第一个字节发送丢失等问题，通常与波特率、时钟配置、电平匹配、接线方式和数据格式有关，可通过回环测试、万用表测电平、LED 指示等方法快速定位。

六、参考资料

以下资料可帮助读者进一步深入学习 STM32 串口通信与嵌入式开发：

• STM32 参考手册（Reference Manual）：以 STM32F1 系列为例，可查阅 RM0008《STM32F101xx、STM32F102xx、STM32F103xx、STM32F105xx 和 STM32F107xx 高级 ARM-based 32 位 MCU 参考手册》，其中 USART 章节详细介绍了寄存器、数据帧结构和波特率计算。

• STM32 数据手册（Datasheet）：对应型号的数据手册（如 STM32F103C8T6 数据手册）包含引脚定义、电气特性和通信外设资源分配，是硬件设计和接线的重要依据。

• 串口调试工具：推荐使用 XCOM、SSCOM、PuTTY 等串口调试助手，支持 ASCII/HEX 收发、时间戳显示和自动发送，便于调试和验证串口通信。

• 官方与社区教程：可参考 ST 官方文档与例程（STM32Cube 固件包中的 UART/USART 示例），以及 CSDN、正点原子、野火等社区发布的 STM32 串口通信实战教程，结合实际项目加深理解。