USART_HyperTerminal_Polling — 串口轮询收发与回显

芯片: PY32F403（Cortex-M4，最高 72MHz） 固件库: PY32F403_Firmware V1.4.5 源文件: PY32F403_Firmware_V1.4.5/Projects/PY32F403-STK/Example/USART/USART_HyperTerminal_Polling/Src/main.c 难度: ★☆☆☆☆ 入门必做（第二课）

1. 功能简介

程序流程用大白话说就是四步：

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① 上电 → 串口发一句提示："请用键盘输入 12 个字符"
② 死等 → 一直等，直到收满 12 个字节（最多等 5 秒）
③ 回显 → 把收到的 12 个字节原封不动发回去
④ 收尾 → 发一句 "Example Finished"，点亮 LED，进死循环

“轮询”（Polling）是什么意思？

就是 CPU 站在那里死等。HAL_UART_Receive() 内部是这样的：

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循环 {
   看一眼状态寄存器的 RXNE 标志位（接收缓冲区非空？）
   还没来 → 再看一眼 → 再看一眼 → ...（CPU 就在这空转）
   来了   → 从 DR 寄存器读走这个字节，计数 -1
   计数到 0 → 返回 HAL_OK
   超时了   → 返回 HAL_TIMEOUT
}

优点是逻辑直白，一眼就懂；缺点是这 5 秒里 CPU 干不了别的事。所以轮询适合：初始化打印、长度已知的短数据、以及现在这种教学场景。

2. 硬件准备

需要的东西	说明
PY32F403-STK 开发板	—
USB-TTL 模块	CH340 / CP2102 / FT232 任选，注意选 3.3V 电平档
3 根杜邦线	TX / RX / GND
串口助手软件	SSCOM、XCOM、MobaXterm、PuTTY、VSCode 串口插件都行

接线（关键！TX 接 RX，交叉接）

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   PY32F403-STK              USB-TTL 模块
   ─────────────             ─────────────
   PA2  (USART2_TX)  ──────►  RX
   PA3  (USART2_RX)  ◄──────  TX
   GND               ───────  GND     ★ 必须接，否则没有共同参考地，全是乱码

串口助手参数

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波特率  : 115200
数据位  : 8
停止位  : 1
校验位  : None
流  控  : None

为什么是 PA2/PA3？ 这是 STK 板 BSP 里写死的调试口定义（py32f403xx_Start_Kit.h 中的 DEBUG_USART），复用编号是 GPIO_AF2_USART2。如果你自己画板子换了引脚，改 MSP 里的 GPIO 配置即可。

3. 完整代码（带中文注释）

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/* ==========================================================================
 * PY32F403 USART_HyperTerminal_Polling
 *   USART2 (PA2/PA3) @115200，轮询发送 → 轮询接收 12 字节 → 原样回显
 * ========================================================================== */
#include "main.h"

/* 求数组元素个数的经典宏 */
#define COUNTOF(__BUFFER__)   (sizeof(__BUFFER__) / sizeof(*(__BUFFER__)))
/* -1 是为了去掉字符串字面量末尾的 '\0'，我们不想把结束符也发出去 */
#define TXSTARTMESSAGESIZE    (COUNTOF(aTxStartMessage) - 1)
#define TXENDMESSAGESIZE      (COUNTOF(aTxEndMessage)   - 1)

UART_HandleTypeDef UartHandle;      /* 串口句柄：HAL 用它记录配置和状态 */

/* 开场提示语。\r\n 是回车+换行，Windows 串口助手认这个组合 */
uint8_t aTxStartMessage[] = "\r\n UART Hyperterminal communication based on Polling"
                            "\r\n Enter 12 characters using keyboard :\r\n";
uint8_t aTxEndMessage[]   = "\r\n Example Finished\r\n";

/* 接收缓冲区，预填 0xFF 方便调试时一眼看出"哪些位置真的收到了数据" */
uint8_t aRxBuffer[12] = {0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff,
                         0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff};

static void APP_SystemClockConfig(void);

int main(void)
{
  /* HAL 初始化：配 Flash + 启动 SysTick（超时计时靠它） */
  HAL_Init();

  /* LED 初始化：最后用它表示"全流程成功" */
  BSP_LED_Init(LED_GREEN);

  /* 系统时钟：HSI 8MHz（PCLK1 = 8MHz，供 USART2 用） */
  APP_SystemClockConfig();

  /* ---------------- 串口初始化 ---------------- */
  UartHandle.Instance          = USART2;                  /* 用 USART2（STK 调试口）*/
  UartHandle.Init.BaudRate     = 115200;                  /* 波特率                */
  UartHandle.Init.WordLength   = UART_WORDLENGTH_8B;      /* 8 位数据              */
  UartHandle.Init.StopBits     = UART_STOPBITS_1;         /* 1 位停止              */
  UartHandle.Init.Parity       = UART_PARITY_NONE;        /* 无校验                */
  UartHandle.Init.HwFlowCtl    = UART_HWCONTROL_NONE;     /* 不用 RTS/CTS 流控     */
  UartHandle.Init.Mode         = UART_MODE_TX_RX;         /* 收发都要（全双工）    */
  UartHandle.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;    /* 16 倍过采样，抗噪更好 */
  /* 高级功能（自动波特率、引脚交换、数据取反等）本例都不用 */
  UartHandle.AdvancedInit.AdvFeatureInit = UART_ADVFEATURE_NO_INIT;

  /* 这一句内部会自动回调 HAL_UART_MspInit()，在那里配 PA2/PA3 的 GPIO 复用 */
  HAL_UART_Init(&UartHandle);

  /* ---------------- ① 发送开场提示 ---------------- */
  /* 参数：句柄、数据指针、字节数、超时(ms)
   * 返回 HAL_OK 表示全部字节都已送进移位寄存器 */
  if (HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t *)aTxStartMessage,
                        TXSTARTMESSAGESIZE, 5000) != HAL_OK)
  {
    APP_ErrorHandler();
  }

  /* ---------------- ② 轮询接收 12 字节 ---------------- */
  /* ★ 注意：这里会阻塞！收不满 12 字节就一直等，5 秒后超时返回 HAL_TIMEOUT
   *   → 所以你必须在 5 秒内在串口助手里发够 12 个字符 */
  if (HAL_UART_Receive(&UartHandle, (uint8_t *)aRxBuffer, 12, 5000) != HAL_OK)
  {
    APP_ErrorHandler();
  }

  /* ---------------- ③ 原样回显 ---------------- */
  if (HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t *)aRxBuffer, 12, 5000) != HAL_OK)
  {
    APP_ErrorHandler();
  }

  /* ---------------- ④ 发送结束语 ---------------- */
  if (HAL_UART_Transmit(&UartHandle, (uint8_t *)aTxEndMessage,
                        TXENDMESSAGESIZE, 5000) != HAL_OK)
  {
    APP_ErrorHandler();
  }

  /* 全流程无错 → LED 常亮，作为"成功"的可视化指示 */
  BSP_LED_On(LED_GREEN);

  while (1)
  {
  }
}

/**
  * @brief  系统时钟配置：HSI 8MHz
  *         HCLK = 8MHz，PCLK1 = 8MHz（USART2 挂在 APB1），PCLK2 = 4MHz
  */
static void APP_SystemClockConfig(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef  OscInitstruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef  ClkInitstruct = {0};

  OscInitstruct.OscillatorType  = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE | RCC_OSCILLATORTYPE_HSI
                                | RCC_OSCILLATORTYPE_LSE | RCC_OSCILLATORTYPE_LSI
                                | RCC_OSCILLATORTYPE_HSI48M;
  OscInitstruct.HSEState        = RCC_HSE_OFF;
  OscInitstruct.HSI48MState     = RCC_HSI48M_OFF;
  OscInitstruct.HSIState        = RCC_HSI_ON;       /* 只用内部 8MHz RC */
  OscInitstruct.LSEState        = RCC_LSE_OFF;
  OscInitstruct.LSIState        = RCC_LSI_OFF;
  OscInitstruct.PLL.PLLState    = RCC_PLL_OFF;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&OscInitstruct) != HAL_OK)
  {
    APP_ErrorHandler();
  }

  ClkInitstruct.ClockType      = RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK | RCC_CLOCKTYPE_HCLK
                               | RCC_CLOCKTYPE_PCLK1  | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  ClkInitstruct.SYSCLKSource   = RCC_SYSCLKSOURCE_HSI;
  ClkInitstruct.AHBCLKDivider  = RCC_SYSCLK_DIV1;   /* HCLK  = 8MHz */
  ClkInitstruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;     /* PCLK1 = 8MHz ← USART2 的时钟源 */
  ClkInitstruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;     /* PCLK2 = 4MHz */
  if (HAL_RCC_ClockConfig(&ClkInitstruct, FLASH_LATENCY_0) != HAL_OK)
  {
    APP_ErrorHandler();
  }
}

void APP_ErrorHandler(void)
{
  while (1)
  {
  }
}

配套的 MSP 文件（引脚在这里配）

HAL_UART_Init() 内部会自动调用下面这个弱函数，GPIO 复用就在这里做：

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void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  __HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE();      /* USART2 时钟（APB1） */
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();       /* GPIOA 时钟（AHB2）  */

  /* PA2 → USART2_TX：复用推挽输出 */
  GPIO_InitStruct.Pin       = GPIO_PIN_2;
  GPIO_InitStruct.Mode      = GPIO_MODE_AF_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull      = GPIO_PULLUP;
  GPIO_InitStruct.Speed     = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
  GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF2_USART2;      /* ★ AF 编号必须对 */
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

  /* PA3 → USART2_RX */
  GPIO_InitStruct.Pin       = GPIO_PIN_3;
  GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF2_USART2;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

4. 代码分段讲解

4.1 `TXSTARTMESSAGESIZE` 为什么要 `-1`

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uint8_t s[] = "AB";   /* 内存里实际是：'A' 'B' '\0'，sizeof(s) == 3 */

C 语言的字符串字面量末尾自动带一个 '\0'。这个 '\0' 是给 C 库函数（strlen 等）用的标记，不是要发送的数据。如果不减 1，串口助手就会多收到一个 0x00 字节，在 HEX 模式下能明显看到。

4.2 `Init` 结构体每个字段的含义

字段	值	大白话
`Instance`	`USART2`	用哪个串口硬件
`BaudRate`	`115200`	每秒传多少位。双方必须一致
`WordLength`	`8B`	一帧里有几位有效数据。8 位是绝对主流
`StopBits`	`1`	帧尾停多久。1 位够用，2 位更保险但慢一点
`Parity`	`NONE`	不要校验位。要校验就选 `EVEN`/`ODD`，但那样 8 位数据里有 1 位被占，实际数据只有 7 位
`HwFlowCtl`	`NONE`	不用 RTS/CTS 硬件握手。只有高速大数据量才需要
`Mode`	`TX_RX`	既能发也能收。只发可以填 `UART_MODE_TX` 省一个引脚
`OverSampling`	`16`	一个位周期采样 16 次取中间值。抗噪好但要求时钟余量大；`8` 倍能跑更高波特率但更容易错

4.3 一帧数据在线上长什么样

以发送字符 'A'（ASCII = 0x41 = 二进制 0100 0001）为例，8-N-1 格式：

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空闲(高) │起始│ D0  D1  D2  D3  D4  D5  D6  D7 │停止│ 空闲(高)
─────────┐    ┌───┐           ┌───────┐        ┌──────────────
         └────┘   └───────────┘       └────────┘
          低    1   0   0   0   0   0   1   0     高
              └─ LSB 先发！0x41 的二进制反过来读 ─┘

关键点：串口是 LSB（最低位）先发。这就是为什么用逻辑分析仪抓波形时，肉眼读出来的位序要反过来才是真实数值。

一帧共 10 位（1 起始 + 8 数据 + 1 停止），所以：

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115200 波特率的实际吞吐 = 115200 / 10 = 11520 字节/秒 ≈ 11.25 KB/s
发 12 个字节需要 12 / 11520 ≈ 1.04 ms

4.4 超时参数怎么理解

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HAL_UART_Receive(&UartHandle, aRxBuffer, 12, 5000);

这个 5000 不是"每个字节等 5 秒"，而是整个接收过程的总预算。HAL 内部：

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tickstart = HAL_GetTick();
while (还没收满 12 字节) {
   if (HAL_GetTick() - tickstart > 5000) return HAL_TIMEOUT;
   if (RXNE 置位) { 读一个字节; 计数--; }
}
return HAL_OK;

如果你想"永远等下去"，传 HAL_MAX_DELAY（即 0xFFFFFFFF）。

超时机制依赖 SysTick，所以还是那句话：HAL_Init() 不能少。

4.5 轮询的本质缺陷

这段代码在等 12 个字节的时候，CPU 什么都干不了。假如你的项目还要同时：

每 10ms 采一次 ADC
每 100ms 刷一次屏
实时响应急停按钮

那轮询就完全不能用了。解决办法：

方案	做法	适用
中断接收	`HAL_UART_Receive_IT()`，收到就进 `HAL_UART_RxCpltCallback()`	通用首选
DMA 接收	`HAL_UART_Receive_DMA()`，硬件搬到内存	大数据量
DMA + IDLE	DMA 循环接收 + 空闲中断判定帧结束	不定长数据的最佳方案

同目录下的 USART_HyperTerminal_IT 和 USART_HyperTerminal_DMA 就是前两种的示范。

4.6 把 printf 打通（强烈建议做这一步）

本例是手动调 HAL_UART_Transmit()，实际开发中大家都用 printf。改法：

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#include <stdio.h>

int main(void)
{
  HAL_Init();
  APP_SystemClockConfig();
  BSP_USART_Config();                /* BSP 帮你初始化 USART2 + 重定向 */

  printf("Hello PY32F403!\r\n");
  printf("HCLK  = %lu Hz\r\n", HAL_RCC_GetHCLKFreq());
  printf("PCLK1 = %lu Hz\r\n", HAL_RCC_GetPCLK1Freq());

  int v = 1234;
  float f = 3.14159f;
  printf("int=%d  float=%.2f  hex=0x%08X\r\n", v, f, v);

  while (1) {}
}

三个坑：

MDK 必须勾 Use MicroLIB（Options → Target），否则卡在半主机陷阱里，表现为下载后毫无反应。
要打印 float，GCC 环境需要在链接选项加 -u _printf_float，否则浮点数打出来是空的。
printf 是阻塞的，而且很吃 Flash（几 KB）和栈。在中断服务函数里调 printf 是大忌，容易破坏实时性甚至栈溢出。

5. 实验现象

编译下载，接好 USB-TTL，打开串口助手（115200-8-N-1）；
按复位键，串口助手立刻显示：

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 UART Hyperterminal communication based on Polling
 Enter 12 characters using keyboard :

在 5 秒内在串口助手输入框里发送 12 个字符，比如 Hello World!（正好 12 个）；
串口助手随即收到回显和结束语：

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Hello World!
 Example Finished

开发板上的绿色 LED 常亮，表示全流程成功。

时序示意

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上电
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 ├─► MCU 发送提示语（约 90 字节，8ms）
 │
 ├─► 等待 ...（最多 5 秒，CPU 空转）
 │        ↑ 你在这里输入 12 个字符
 ├─► 收满 12 字节
 │
 ├─► 回显 12 字节
 ├─► 发送 " Example Finished"
 └─► LED 亮 → while(1) 死循环

6. 常见问题

Q1：串口助手一片乱码（全是问号或方块）？

按概率从高到低排查：

波特率不对。串口助手改成 115200 试试。
GND 没接。这是第二常见原因，一定要共地。
时钟配置和代码不符。如果你改了 APP_SystemClockConfig() 但忘了重新算，波特率会整体偏移。用 printf("%lu\r\n", HAL_RCC_GetPCLK1Freq()); 验证 PCLK1 是不是 8MHz。
HSI 温漂。内部 RC 精度约 ±1~2%，在极端温度下叠加分频误差可能超标。改用 HSE 晶振可解决。
TTL 模块是 5V 电平。虽然多数情况下 F403 能容忍，但边沿会变形，长期还可能损伤 IO。务必用 3.3V 档。

Q2：完全收不到任何数据？

TX/RX 接反了。这是第一名。板子的 TX(PA2) 要接模块的 RX，不是 TX 接 TX。
串口助手选错 COM 口。设备管理器里确认 CH340 的端口号。
另一个软件占用了串口。关掉 MobaXterm / 之前开的窗口再试。
忘了 BSP_USART_Config() 或 HAL_UART_Init()。
USART2 时钟没开（__HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE()）。
AF 编号写错。PA2/PA3 做 USART2 必须是 GPIO_AF2_USART2，写成别的编号引脚就不通。

Q3：能收到提示语，但输入字符后没有回显？

发的字符数不够 12 个。HAL_UART_Receive(..., 12, 5000) 一定要收满 12 个才返回。串口助手里注意"发送新行"选项会不会多发 \r\n（那就变成 14 个了，前 12 个先返回，剩下 2 个留在缓冲区）。
超过 5 秒才输入。已经超时进 APP_ErrorHandler() 死循环了，复位重来。
RX 引脚没通。用镊子把 PA3 短接到 GND 再松开，若程序有反应说明引脚是活的。

Q4：HAL_UART_Receive() 返回 HAL_ERROR，不是 TIMEOUT？

说明产生了硬件错误标志，读 UartHandle.ErrorCode 看具体是哪个：

错误	含义	原因
`HAL_UART_ERROR_ORE`	溢出错误	上一个字节还没读走，新字节又来了。轮询模式下最常见 → 改用中断/DMA
`HAL_UART_ERROR_NE`	噪声错误	线路干扰、线太长、波特率偏差大
`HAL_UART_ERROR_FE`	帧错误	没检测到停止位。通常是波特率差太多
`HAL_UART_ERROR_PE`	校验错误	双方 Parity 设置不一致

出现 ORE 后必须清标志才能继续收：

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__HAL_UART_CLEAR_OREFLAG(&UartHandle);

Q5：printf 中文乱码？

串口助手的编码要和源文件编码一致。源文件存成 UTF-8，串口助手也选 UTF-8；或者两边都用 GBK。MDK 默认可能是 GB2312，注意统一。

Q6：为什么要用 \r\n 而不是只用 \n？

\n（LF, 0x0A）：换到下一行，但光标横向位置不变
\r（CR, 0x0D）：光标回到行首

很多串口终端（尤其 Windows 系）只发 \n 会出现"阶梯状"输出：

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第一行
      第二行
            第三行

所以串口输出统一用 \r\n，这是行业惯例。

7. 小结

要点	内容
串口本质	TX/RX 两根线，全双工，LSB 先发，必须共地
帧格式	1 起始 + 8 数据 + 1 停止 = 10 位/字节
实际吞吐	波特率 ÷ 10 ≈ 字节/秒（115200 → 约 11.5 KB/s）
初始化流程	填 `Init` 结构体 → `HAL_UART_Init()` → MSP 里自动配 GPIO 复用
轮询三件套	`HAL_UART_Transmit()` / `HAL_UART_Receive()` + 超时参数
超时含义	是整个操作的总预算，不是单字节
字符串长度	记得 `-1` 去掉 `'\0'`
STK 调试口	USART2，PA2=TX / PA3=RX，AF2，115200-8-N-1
乱码三大元凶	波特率不符、没共地、时钟配置与代码不一致
收不到三大元凶	TX/RX 没交叉、COM 口选错、AF 编号写错

8. 拓展应用

立刻能做的

把 printf 打通，这是投资回报率最高的一步。之后调 ADC、SPI、I2C 全都靠它看数据。
串口命令行（Shell）：接收字符串，strcmp 比对命令，实现 led on / led off / adc? / reboot 等交互命令。这是一个非常好玩且实用的练手项目。
数据记录仪：每秒把 ADC 温度打印成 CSV 格式（时间,温度\n），串口助手保存成文件，直接拖进 Excel 画曲线。

进阶项目

自定义协议帧：0xAA 0x55 | 长度 | 命令 | 数据 | CRC16 | 0x0D 0x0A，配合状态机解析。这是所有产品级串口通信的基础结构。
Modbus RTU：加一片 MAX485 变成 RS485，实现标准工业协议，能直接接组态软件、PLC、工业仪表。RS485 是半双工，需要一个 GPIO 控制收发方向。
AT 指令模块驱动：ESP8266（WiFi）、SIM800（GSM）、HC-05（蓝牙）都是"发 AT 指令 + 解析 OK/ERROR"的模式。做一个"发送命令 → 等待期望响应 → 超时重试"的通用框架。
NMEA 解析：GPS 模块吐 $GPRMC,... 这样的 ASCII 语句，按逗号切分就能拿到经纬度、速度、时间。

工程级

串口 IAP 在线升级（Bootloader）：这是嵌入式的"必修高级课"。流程是：Bootloader 区（0x08000000）启动 → 检查升级标志 → 从串口收固件 → 用 Flash 擦写写进 App 区 → 跳转执行。F403 有 384KB Flash（xD 型号），完全够放 Bootloader + 双备份 App。
DMA + IDLE 空闲中断接收框架：解决"不知道对方发多长"的终极方案。开一个环形缓冲区 DMA 循环接收，串口空闲一帧时间就触发 IDLE 中断，此时读 DMA 剩余计数就知道收了多少字节。零 CPU 占用，能跑到几 Mbps。
多机通信：RS485 总线上挂 32 个从机，用地址位/9 位数据模式做寻址，实现主从轮询采集。
日志分级系统：仿照嵌入式 RTOS 的做法，定义 LOG_D/LOG_I/LOG_W/LOG_E 宏，带颜色转义码（ANSI Escape）输出到支持彩色的终端，可编译期裁剪日志等级。

下一步建议

串口通了之后，去看 ADC_TempSensor —— 那个例子就是靠 printf 把芯片温度打出来的，正好检验你的串口成果。

PY32F403 USART — 轮询方式串口收发与回显

PUYA PY32F403 HAL 库 V1.4.5 USART_HyperTerminal_Polling 示例逐行讲解：波特率、超时机制、回显、printf 重定向

USART_HyperTerminal_Polling — 串口轮询收发与回显

1. 功能简介

2. 硬件准备

接线（关键！TX 接 RX，交叉接）

串口助手参数

3. 完整代码（带中文注释）

配套的 MSP 文件（引脚在这里配）

4. 代码分段讲解

4.1 `TXSTARTMESSAGESIZE` 为什么要 `-1`

4.2 `Init` 结构体每个字段的含义

4.3 一帧数据在线上长什么样

4.4 超时参数怎么理解

4.5 轮询的本质缺陷

4.6 把 printf 打通（强烈建议做这一步）

5. 实验现象

时序示意

6. 常见问题

7. 小结

8. 拓展应用

USART_HyperTerminal_Polling — 串口轮询收发与回显

1. 功能简介

2. 硬件准备

接线（关键！TX 接 RX，交叉接）

串口助手参数

3. 完整代码（带中文注释）

配套的 MSP 文件（引脚在这里配）

4. 代码分段讲解

4.1 TXSTARTMESSAGESIZE 为什么要 -1

4.2 Init 结构体每个字段的含义

4.3 一帧数据在线上长什么样

4.4 超时参数怎么理解

4.5 轮询的本质缺陷

4.6 把 printf 打通（强烈建议做这一步）

5. 实验现象

时序示意

6. 常见问题

7. 小结

8. 拓展应用

4.1 `TXSTARTMESSAGESIZE` 为什么要 `-1`

4.2 `Init` 结构体每个字段的含义