单片机的串口通信程序如何设计？详解分析

串口通信（Serial Communications）的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。

单片机的串口通信程序设计需要综合考虑硬件连接、通信协议和软件实现。下面是一个详细的中文分析，涵盖关键概念、步骤和代码框架：

一、串口通信基础概念

物理接口：
- 常用TTL电平（如UART）：TX（发送引脚）、RX（接收引脚）、GND（共地）。
- 通过USB转TTL模块（如CH340、CP2102）连接PC。
通信参数：
- 波特率：双方约定的数据传输速率（如9600、115200 bps）。误差需<3%。
- 数据位：每帧数据位数（5-9位，常用8位）。
- 停止位：帧结束标志（1、1.5、2位）。
- 校验位：奇偶校验（可选无校验、奇校验、偶校验）。

数据帧格式：

| 起始位 (1) | 数据位 (8) | 校验位 (1) | 停止位 (1) |

二、设计步骤详解

1. 硬件初始化

引脚配置：将MCU的TX/RX引脚初始化为串口复用功能。
时钟使能：开启串口外设和对应GPIO的时钟。
波特率计算：根据系统时钟和波特率计算寄存器值（公式：波特率 = 时钟频率 / (分频系数 * 16)）。

2. 串口参数配置

设置关键寄存器：

工作模式：异步全双工模式。
数据帧格式：数据位长度、停止位位数、校验方式。
中断使能：开启接收中断（RXNE）和发送完成中断（TC）。

3. 发送数据流程

检查发送数据寄存器空标志（如TXE）。
向发送数据寄存器（如USART_DR）写入数据。
等待发送完成标志（如TC）或使用中断通知。

发送函数伪代码：

void UART_SendByte(uint8_t data) {
    while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE)); // 等待发送寄存器空
    USART1->DR = data;                    // 写入数据
}

4. 接收数据流程

中断方式（推荐）：
1. 使能接收中断。
2. 在中断服务函数中读取接收数据寄存器（如USART_DR）。
3. 存入缓冲区（循环队列或数组）。

接收中断服务函数伪代码：

void USART1_IRQHandler(void) {
    if (USART1->SR & USART_SR_RXNE) {    // 检查接收中断标志
        uint8_t data = USART1->DR;       // 读取数据
        buffer[count++] = data;          // 存入缓冲区
    }
}

轮询方式：持续检查接收标志，效率较低。

5. 数据缓冲设计

接收缓冲区：环形缓冲区（Ring Buffer）避免溢出。
超时机制：定时检测一帧数据结束（如1.5个字符时间的静默）。

三、完整示例代码（STM32 HAL库版）

#include "stm32f1xx_hal.h"

UART_HandleTypeDef huart1;
uint8_t rx_buf[256];    // 接收缓冲区
uint8_t rx_index = 0;   // 接收索引

void SystemClock_Config(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);

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

    // 启用接收中断
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_buf[rx_index], 1);

    while (1) {
        // 主循环处理接收的数据
    }
}

// 串口中断回调函数
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    rx_index = (rx_index + 1) % 256;              // 环形缓冲
    HAL_UART_Receive_IT(huart, &rx_buf[rx_index], 1); // 重新开启中断
}

// 发送字符串函数
void UART_SendString(char *str) {
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)str, strlen(str), 100);
}