课时03 嵌入式技术应用设计实训 | 串口通信：USART 收发二进制 与 printf

嵌入式技术应用设计实训 | 串口通信：USART 收发二进制 与 printf

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模块一 基础外设开发 · 2 学时 · 环境：Keil MDK5 + VS Code + 正点原子 STM32F103 Nano V1.3

一句话概述：从“串口是几根线、字怎么发出去”入手，把 USART1 的初始化一步步写在 main.c 里（开时钟 → PA9/PA10 复用 → 115200-8-N-1 → 中断），再用一个 APP_MODE 宏切换两种现象：模式 1 用 printf 打印调试信息，模式 2 收 2 字节二进制命令帧控制 8 个 LED；并把厂家例程“printf 走裸寄存器、回显走 HAL”的两条发送路收拢成唯一的 uart_send()。

本节目标

一、原理说明

串口是单片机和电脑之间最朴素的一条数据通道：它只用两根线，一根负责发（TX）、一根负责收（RX），再加上一根地线；数据一个位一个位地按约定好的快慢送出去，这个“快慢”就是波特率。STM32F103 里的 USART1 已经把最麻烦的串并转换做在硬件里了，我们要做的只有三件事：把引脚配成复用功能交给它管、把两边参数设成一样（115200-8-N-1）、然后往数据寄存器里写字节。而“把信息打到电脑上看”这件事，平时用 printf 最省事——可 printf 自己一点也不懂串口，它只是把内容拼成字符串，再一个字符一个字符地交给 fputc()，所以只要重写 fputc() 让它把字符写进 USART1，printf 的输出就跑到电脑上了。这节课还要顺手治一个“病”：厂家例程里 printf 走裸寄存器、回显又走 HAL_UART_Transmit，同一个串口两套写法，看着很乱；本课把两条路合并到唯一的 uart_send()，以后不管发文本还是发二进制命令帧，都只走这一条。

二、讲解内容

2.1 知识讲解

1）串口凭什么能对上：靠“两边约定同一个节拍”

串口是异步通信：它不像 I²C 那样单独拉一根时钟线，而是靠两边约定同一个波特率来对齐时间。一帧数据的格式是固定的：1 位起始位 + 8 位数据 + 1 位停止位（没有校验位）。接收方看到起始位就开始按波特率采样，采满 8 位、见到停止位，这一字节就算收到了。所以只要保证两边都是 115200-8-N-1，数据就能对上；波特率差一点，收到的就是乱码。

2）板子上怎么接：两根线全都板载好了

注意：板子上的 ST-Link 一只管两件事——下载和串口。串口不是从“另一个 USB 口”出来的，而是这根 USB 线里附带的虚拟串口；设备管理器 → 端口里那个 STLink Virtual COM Port (COMx) 才是串口助手要选的口（别选成上面的 ST-Link 设备）。

3）两边参数必须一模一样

4）printf 重定向：三件套 + 一个勾

printf 是 C 标准库的函数，在嵌入式里它默认想走“半主机”（把输出交回调试器），而板子单跑时没有调试器接着，程序就会停在那里。要让它走 USART1，需要下面三件事再加 Keil 里的一个勾：

5）本课为什么要把它“收拢成一条路”

厂家例程里，往串口写东西有两条路：printf 走 fputc() 里的裸寄存器；回显走 HAL_UART_Transmit()，后面还跟着一句多余的“等 TC”。初学的困惑就出在这儿——**同一个 USART1，怎么冒出两套写法？**本课的做法是抽出一个最底层 uart_putc()，让上面两个入口都走它：

printf ─┐
├──> uart_putc() ──> USART1 （全课唯一的发送路径）
uart_send() ─┘

这样既保住了 printf 的方便，又只有一条真正碰硬件的路；后面课时17 做“串口命令与集成”时，这套写法能直接用。

6）本课两个模式：一个宏，两选一

板子上只有一个串口，同一时刻只能干一件事。本课用 APP_MODE 宏把两种用法做成编译期二选一（改 usart.h 开头那一行，重新编译下载即可）：

**为什么不做成两个独立开关、让 printf 和二进制同时开着？**因为调试打印出来的文本字节会混进二进制数据流里，上位机按帧解析必然错位。一个串口，同一时刻只留一条路——这是本课的设计前提。

7）二进制命令帧：2 个字节说清一件事

发 00 01 = DS0 亮；发 03 00 = DS3 灭。收发双方约定好“第 1 个字节永远是灯号、第 2 个字节永远是开关”，这就是一个最小可用的通信协议。它比“发字符串 LED0 ON 再去解析”省事得多：不用分割字符串、不用比大小写，两行判断就干完了。

8）为什么本课把串口初始化写在 main.c 里

厂家例程把初始化拆在 uart_init() 和 HAL_UART_MspInit() 两处，学生点进去只看到 HAL_UART_Init() 一句，时钟和引脚都藏在另一个文件里，像个黑盒。本课把它全部写进 main.c 的 UART1_Init()，和课时01 点灯、课时02 读按键是同一个套路：

9）定长帧的“软肋”也要讲清

2 字节定长帧好写好用，但它有个天生弱点：一旦少收一个字节，收发双方的“帧边界”就永远错开了，之后每 2 个字节都会被拼成一条错误命令。本课的处理是“不合法就丢掉、能当新帧头就重来”（见 HAL_UART_RxCpltCallback() 里那几行判断），能自愈一部分；真正的解决办法是给帧加帧头（如 0xAA）和校验和——那是实验三的挑战项。

2.2 代码示例

本课只改两个文件（都在 课时文档/代码/课时03-串口通信：USART 收发与 printf/串口通信实验/ 下）：

USER/main.c ← 串口初始化（UART1_Init）、中断收发、两个模式的 main()
SYSTEM/usart/usart.h ← APP_MODE 开关 + 对外接口声明
SYSTEM/usart/usart.c ← 串口底层：uart_putc / uart_send / fputc

工程里其余文件（HARDWARE/LED、SYSTEM/sys、SYSTEM/delay、HALLIB、CORE）都是现成的，不用动。

SYSTEM/usart/usart.h（完整代码）

#ifndef __USART_H
#define __USART_H
#include "stdio.h"
#include "sys.h"
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// 《嵌入式技术应用设计实训》课时03 串口通信：USART 收发与 printf
// 本文件基于正点原子 ALIENTEK NANO STM32F103 厂家例程（串口通信实验-HAL库版本）改写，
// 原例程版权归广州市星翼电子科技有限公司所有。
//
// 本课把厂家例程"同一个串口两套写法"的问题收拢成一条路：
// printf ─┐
// ├──> uart_putc() ──> USART1 （全课只有这一条发送路径）
// uart_send() ─┘
// 串口的初始化不在这里，全部写在 USER/main.c 的 UART1_Init() 里，看得见、不是黑盒。
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

/* ==================== 演示模式选择（改这一行即可） ====================
1 = 调试打印 ：printf 往串口打印文本，人在串口助手里看（本课主讲）
2 = 二进制收发 ：串口收 2 字节命令帧，控制 8 个 LED 亮灭（实验三的基础）
改完必须重新编译下载，否则板子上跑的还是上一个程序。
==================================================================== */
#define APP_MODE 1
#if (APP_MODE != 1) && (APP_MODE != 2)
#error "APP_MODE 只能填 1 或 2，请修改 usart.h 开头的 APP_MODE 宏"
#endif

#define RXBUFFERSIZE 1 // 中断方式一次收几个字节（本课收 1 个）

extern UART_HandleTypeDef UART1_Handler; // USART1 句柄：usart.c 里定义、main.c 里初始化
extern u8 aRxBuffer[RXBUFFERSIZE]; // 中断接收暂存，每次 1 字节

void uart_send(const u8 *buf, u16 len); // 本课唯一的发送出口：printf 和命令帧都走它
#endif

SYSTEM/usart/usart.c（完整代码）

#include "sys.h"
#include "usart.h"
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// 《嵌入式技术应用设计实训》课时03 串口通信：USART 收发与 printf —— 串口底层驱动
// 本文件基于正点原子 ALIENTEK NANO STM32F103 厂家例程（串口通信实验-HAL库版本）改写，
// 原例程版权归广州市星翼电子科技有限公司所有。
//
// 本文件只干一件事：把字节"发出去"，而且全课只有这一条发送路径
// ① uart_putc() 最底层：等上一个字节发完，再把一个字节写进数据寄存器
// ② uart_send() 对外唯一出口：printf、二进制命令帧、调试回显都走它
// ③ fputc() 只在模式 1 里，把 printf 的输出接到 uart_putc() 上
//
// 注意：串口的"初始化"（时钟、引脚、波特率、中断）不在这里，
// 全部写在 USER/main.c 的 UART1_Init() 里，课上要能一眼看全，不是黑盒。
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

UART_HandleTypeDef UART1_Handler; // USART1 句柄
u8 aRxBuffer[RXBUFFERSIZE]; // 中断接收暂存，每次 1 字节

// 最底层：发 1 个字节
// SR 的 bit6 是 TC（Transmission Complete，发送完成标志）。
// 等它为 1，说明上一个字节已经发完，这时再写 DR 才不会把上一个数据冲掉
static void uart_putc(u8 ch)
{
while ((USART1->SR & 0x40) == 0); // 等 TC = 1：上一个字节发完了
USART1->DR = ch; // 写数据寄存器，硬件自动一个位一个位发出去
}

// 对外唯一出口：发一串字节
// 厂家例程里 printf 走裸寄存器、回显又走 HAL_UART_Transmit，同一个串口两套写法；
// 本课把两条路合并到这里——以后不管发文本还是发二进制帧，都只调这一个函数
void uart_send(const u8 *buf, u16 len)
{
while (len—) uart_putc(*buf++);
while ((USART1->SR & 0x40) == 0); // 等最后一个字节真正发完再返回
}

#if (APP_MODE == 1)
// ——————– printf 重定向（只有调试模式才接进来） ——————–
// printf 自己不懂串口：它先把内容拼成字符串，再一个字节一个字节地调用 fputc()。
// 所以只要重写 fputc()，printf 的输出就进了 USART1。
// Keil 里必须勾选 Options for Target → Target → Use MicroLIB，否则不生效。
#pragma import(__use_no_semihosting) // 不使用半主机模式，免得卡在 BKPT 上
struct __FILE // 标准库要求有这个类型
{
int handle;
};
FILE __stdout;
void _sys_exit(int x) // 屏蔽半主机相关的退出函数
{
x = x;
}
int fputc(int ch, FILE *f)
{
uart_putc((u8)ch); // 就这一句：和 uart_send() 走同一条路
return ch;
}
#endif

USER/main.c（完整代码）

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 《嵌入式技术应用设计实训》课时03 串口通信：USART 收发与 printf
// 本文件基于正点原子 ALIENTEK NANO STM32F103 厂家例程（串口通信实验-HAL库版本）改写，
// 原例程版权归广州市星翼电子科技有限公司所有。
//
// 硬件：正点原子 STM32F103 Nano V1.3（全部板载，不用额外接线）
// USART1：PA9 = TX，PA10 = RX，板上已连到板载 ST-Link 虚拟串口，下载与串口共用一根 USB 线
// 8 个 LED：PC0~PC7（DS0~DS7），低电平点亮
//
// 本课两个模式（改 usart.h 开头的 APP_MODE 切换，换模式要重新编译下载）：
// 模式 1 调试打印 ：printf 打印文本，串口助手用"文本"方式看
// 模式 2 二进制收发 ：收 2 字节命令帧控制 LED，串口助手要勾"十六进制发送"
//
// 本课特意把串口初始化写在 UART1_Init() 里，而不是藏在驱动文件里：
// 复用功能的时钟、引脚、波特率、中断，一步步都看得见，不是黑盒。
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// ——————————————————————————
// 串口 1 初始化（USART1，115200-8-N-1）
// 和课时01 点灯、课时02 读按键是同一个套路，分三步走：
// ① 开时钟：USART1 挂在 APB2，TX/RX 引脚在 GPIOA
// ② 配引脚：PA9 = TX 复用推挽输出；PA10 = RX 复用输入
// ③ 配参数：波特率、数据位、停止位、校验位、流控、收发方向
// ——————————————————————————
static void UART1_Init(u32 bound)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;

/* ① 开时钟（不开时钟，后面写寄存器全部无效，而且不报错——课时01 踩过的坑） */
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); // PA9 / PA10 在 GPIOA
__HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE(); // USART1 自己
__HAL_RCC_AFIO_CLK_ENABLE(); // STM32F1 的复用功能要经过 AFIO

/* ② 配引脚：把 PA9、PA10 交给 USART1 去管 */
GPIO_Initure.Pin = GPIO_PIN_9; // PA9 = TX
GPIO_Initure.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // 复用推挽输出：引脚交给外设去拉
GPIO_Initure.Pull = GPIO_PULLUP; // 上拉
GPIO_Initure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; // 高速
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_Initure);

GPIO_Initure.Pin = GPIO_PIN_10; // PA10 = RX
GPIO_Initure.Mode = GPIO_MODE_AF_INPUT; // 复用输入
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_Initure);

/* ③ 配参数：两边必须一模一样，否则收到的全是乱码 */
UART1_Handler.Instance = USART1; // 用串口 1
UART1_Handler.Init.BaudRate = bound; // 波特率：115200
UART1_Handler.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; // 8 位数据位
UART1_Handler.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1; // 1 位停止位
UART1_Handler.Init.Parity = UART_PARITY_NONE; // 无校验
UART1_Handler.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE; // 无硬件流控
UART1_Handler.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX; // 收发都开
HAL_UART_Init(&UART1_Handler); // 真正把上面参数写进寄存器

#if (APP_MODE == 2)
/* ④ 模式 2 要用中断收数据：先给 NVIC 排优先级并放行，再启动一次"收 1 字节" */
HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 3, 3); // 抢占 3、子 3（数值越大优先级越低）
HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn); // 放行 USART1 中断通道
HAL_UART_Receive_IT(&UART1_Handler, aRxBuffer, RXBUFFERSIZE); // 开一块 1 字节的地，等数据上门
#endif
}

#if (APP_MODE == 2)
// ——————————————————————————
// 模式 2：命令帧格式（定长 2 字节；串口助手要勾"十六进制发送"）
// 第 1 字节：哪个 LED，0x00~0x07 → DS0~DS7
// 第 2 字节：亮还是灭，0x00 = 灭，0x01 = 亮
// 例：发 "00 01" → DS0 亮；发 "03 00" → DS3 灭
// ——————————————————————————
static u8 frame[2]; // 攒命令用的 2 字节小缓冲
static u8 fidx = 0; // 已经攒了几个字节（0 或 1）

// 点亮/熄灭第 n 个灯（PC0~PC7，本板低电平点亮）
static void led_set(u8 n, u8 on)
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, (uint16_t)(1U << n), on ? GPIO_PIN_RESET : GPIO_PIN_SET);
}

// USART1 中断入口：向量表按这个名字找它（课时02 的中断入口也是写在 main.c 里）
void USART1_IRQHandler(void)
{
HAL_UART_IRQHandler(&UART1_Handler); // HAL 负责清标志位，再调下面的回调
}

// 收完 1 个字节进这里（HAL 里的弱函数，我们在 main.c 重写一份）
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
u8 ch = aRxBuffer[0]; // 这一次收到的那个字节

if (fidx == 0) // 正在等"灯号"
{
if (ch <= 7) // 合法的灯号：收下，接着等"亮/灭"
{
frame[0] = ch;
fidx = 1;
}
}
else // 正在等"亮/灭"
{
if (ch <= 1) // 合法的开关值：命令成立，执行
{
frame[1] = ch;
led_set(frame[0], ch);
fidx = 0;
}
else if (ch <= 7) // 不像开关值、倒像新的灯号：拿它重新起一帧
{
frame[0] = ch;
fidx = 1;
}
else // 都不是：整帧作废，重新等
{
fidx = 0;
}
}

HAL_UART_Receive_IT(huart, aRxBuffer, RXBUFFERSIZE); // 重新开一次接收，等下一个字节
}
#endif

int main(void)
{
u16 times = 0; // 模式 1 用的打印计数

HAL_Init(); // 初始化 HAL 库：顺带配好 1ms 时基
Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9); // 系统时钟：倍频到 72MHz
delay_init(72); // 初始化延时函数
LED_Init(); // 初始化 8 个 LED（PC0~PC7），上电默认全灭
UART1_Init(115200); // 初始化串口 1：115200-8-N-1

#if (APP_MODE == 1)
/* ==================== 模式 1：调试打印（本课主讲） ====================
串口助手：选对 COM 口、波特率 115200、数据位 8、停止位 1、无校验
现象：上电打印两行欢迎语，之后每 500ms 打印一行 "运行中… count = n"，
同时 DS0 每 500ms 翻转一次（LED 心跳，说明程序在跑） */
printf("\\r\\n");
printf("嵌入式技术应用设计实训 | 课时03 串口通信\\r\\n");
printf("模式 1：printf 调试打印（115200-8-N-1）\\r\\n");
printf("\\r\\n");

while (1)
{
printf("运行中… count = %d\\r\\n", times++); // printf → fputc → uart_putc，同一条路
LED0 = !LED0; // LED 心跳
delay_ms(500);
}

#elif (APP_MODE == 2)
/* ==================== 模式 2：二进制收发（实验三的基础） ==================
串口助手：选对 COM 口、115200，并勾上"十六进制发送"
现象：上电 8 个灯全亮 0.3 秒再全灭（自检：程序在跑、8 路灯都好），
之后安静等命令：发 "00 01" → DS0 亮，发 "00 00" → DS0 灭 */
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, (uint16_t)0x00FF, GPIO_PIN_RESET); // 8 个灯全亮
delay_ms(300);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, (uint16_t)0x00FF, GPIO_PIN_SET); // 8 个灯全灭

while (1)
{
/* 什么都不用做：命令一字节一字节地来，中断里把两个字节攒齐就改灯
（这就是中断的好处——CPU 不用一直盯着串口，课时02 已经体会过一次） */
}
#endif
}

代码里最值得盯住的 4 处

三、实验操作与现象

3.1 接线与操作步骤

本课不用接杜邦线：USART1 的 TX/RX 在板上已经连到板载 ST-Link 了，你只要插上板子的 USB 线——下载和串口共用这一根线。

操作步骤（照着做就能跑）：

插上板子 USB 线、记下 COM 号：板载 ST-Link 的驱动在课时00 已经装好（没装就装一次 ST-Link 驱动）；把板子上标着 ST-Link 的 USB 口用 USB 线连到电脑，打开 设备管理器 → 端口(COM 和 LPT)，看到 STMicroelectronics STLink Virtual COM Port (COMx) 就对了，把 x 记下来 图注：设备管理器里能看到 STLink Virtual COM Port 及其 COM 号（截图待补）

串口助手怎么设（两种模式对照，这是本课最容易翻车的地方）

3.2 观察到的现象

本课现象以随课视频演示为准（视频里会把两个模式连着跑一遍），文档不逐条配截图；你自己做完请拍一张或录一段，作为提交物。

图注：模式 1，串口助手里 count 一行行递增

图注：模式 2，十六进制发送 00 01 后 DS0 亮

看不到现象怎么办（按最可能的顺序查）：

执行前后对比（改一个数，看一眼差别）

四、学生练习

课堂上按顺序做，一条一条改、一条一条看现象：

五、大作业（实验三：串口命令控制 8LED）

本作业对应课程大纲里的实验三「串口命令控制 8LED」，当堂完成、当堂验收；做不完的课后接着做，下次课开课先收。

5.1 任务书

把课上模式 2 的“2 字节点一个灯”，做成一个能用二进制命令完整控制 8 个 LED 的小程序：

5.2 分步提示

5.3 现象与验收标准

5.4 提交物

• 代码：课时文档/代码/课时03-串口通信：USART 收发与 printf/串口通信实验/USER/main.c 与 SYSTEM/usart/usart.c、usart.h
• 现象：一段 20 秒以内的视频（依次发 00 01、07 01、03 01、03 00，让老师看清“哪个命令亮哪个灯”），或按命令前后的两张照片
• 一句话说明：“为什么本课的命令用 2 个字节的二进制，而不是发 LED0 ON 这样的字符串？”

六、本节小结与下节预告

本节把串口这条线完整走了一遍：先把它的底子认清——两根线（TX/RX）+ 一个共同节拍（115200-8-N-1，两边必须一致）；再把 USART1 的初始化一步步写在 main.c 里（开时钟 → PA9/PA10 复用 → 配参数 → 中断），不再是黑盒；然后用 printf 重定向（fputc + MicroLIB）把调试信息打到电脑上，并顺手把厂家例程里“printf 走裸寄存器、回显走 HAL_UART_Transmit”的两条发送路，收拢成唯一的 uart_send()；最后用 APP_MODE 2 体验了二进制命令帧——2 个字节（灯号 + 亮灭）就能控制 8 个灯。三句话记住本课：两边参数一致才有话说；printf 的出口是 fputc；一个串口，同一时刻只留一条路。下节进入定时器：用硬件定时中断把“计时”做准（TIM + 中断），也顺便给串口打印加上精确的时间戳。

本节函数与宏速查

附录

A. 怎么编译下载（照着做就能跑）

1. 接线：板子上标着 ST-Link 的 USB 口用一根线插电脑（供电 + 下载 + 串口都走它，不用杜邦线、不用装串口驱动）
2. Keil 打开：课时文档/代码/课时03-串口通信：USART 收发与 printf/串口通信实验/USER/UART.uvprojx
3. 选下载器：Options for Target → Debug → ST-Link Debugger → OK
4. 勾 MicroLIB：Options for Target → Target → 勾 Use MicroLIB（模式 1 的 printf 才出声）
5. 选模式 ：SYSTEM/usart/usart.h 开头 #define APP_MODE 1（调试打印）或 2（二进制收发）
6. 编译 ：Build（F7），确认 0 Error(s), 0 Warning(s)
7. 下载 ：Download（F8），确认 Programming Done. Verify OK.
8. 看现象 ：串口助手选对 COM 口、115200-8-N-1 并打开串口，按 RST：
模式 1 → 一行行打印 count；模式 2 → 勾 HEX 发 00 01，DS0 亮

B. 本课代码

本课只改两个文件（完整代码见 2.2 节）。工程里其余文件都是厂家例程现成的，不用动：

C. 串口参数与命令速查（贴在板子旁边用）

相关文档

• 课程大纲（课时03 在“一、基础外设开发模块”，实验三同名）
• 课程文档写作规范（0.1 教学环境约定）
• 上一课：课时02 GPIO 输入与外部中断：按键
• 下一课：课时04 定时器：定时中断