STM32单线串口通讯实战（一）：物理层拓扑与STM32G0硬件配置

原创于 2026-01-02 12:20:18 发布 · 756 阅读

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#stm32 #嵌入式硬件 #单片机 #开发语言 #c语言 #物联网

STM32单线串口深度实战：从底层驱动到RTOS架构专栏收录该内容

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1. 前言：为什么选择单线串口？

在工业现场、家电板间通讯（如显示板与主控板）或舵机控制中，我们经常遇到 IO 资源紧张或布线成本敏感的场景。

传统 UART：TX + RX + GND（3线），全双工。
单线 UART：Data + GND（2线），半双工。

虽然少了一根线，但软件复杂度却呈指数级上升：由于收发共用物理通道，必须在物理层解决“打架”（总线冲突）的问题，在链路层解决“时序”（收发切换）的问题。

本系列将以高性价比的 STM32G0 系列为例，从底层电路到 RTOS 架构，彻底讲透单线串口的设计。

2. 三种物理层拓扑详解

要写驱动，首先得知道电路是怎么连的。单线串口主要有三种硬件实现方式：

方案 A：STM32 内部半双工 (Internal Half-Duplex) —— 推荐 G0 使用

这是 STM32 最“原生”的玩法。通过设置寄存器（HDSEL），芯片内部会将 TX 和 RX 信号在物理上短接，并自动处理输出驱动。

硬件连接：
- 仅使用 TX 引脚作为双向数据线。
- RX 引脚被释放，可做普通 GPIO 用。
适用场景：板内短距离通讯、私有总线。
优点：无需外部元器件，节省 IO。

方案 B：GPIO 控制外部收发器 (External Control)

类似于 RS485 的 TTL 版本。使用三态缓冲器（如 74LVC1G125）来增强驱动能力。

硬件连接：需要额外的 GPIO 控制方向。
适用场景：长距离通讯、环境干扰大、需要强推挽驱动的场合。
缺点：软件需要处理繁琐的 DIR 引脚切换时序（Turnaround Time）。

方案 C：开漏输出 + 上拉 (Open-Drain / Diode) —— 多机通讯经典

利用“线与”（Wired-AND）逻辑。所有设备的 TX 配置为开漏输出（Open-Drain），总线上挂一个上拉电阻。

硬件连接：STM32 的 TX 设为 Open-Drain，RX 内部连接到 TX（或外部短接）。
关键点：总线平时靠电阻拉高。任何一个设备拉低，总线即为低。
适用场景：多主（Multi-Master）通讯、低成本多机组网。

3. STM32G0 的实战配置 (CubeMX & HAL)

针对 STM32G0，我们重点演示最常用的 方案 A (内部半双工) 和 方案 C (开漏模式)。

3.1 STM32CubeMX 配置步骤

Pinout & Configuration:
- 进入 Connectivity -> USARTx。
- Mode: 选择 Single Wire (Half-Duplex)。
- 注意：此时你在引脚图上会看到只有 TX 引脚点亮，RX 引脚消失（或变灰）。
Parameter Settings (关键):
- Baud Rate: 根据需求设置（如 115200）。
- Word Length: 通常 8 Bits。
- Parity: None。
- Stop Bits: 1。
GPIO Settings (避坑点):
- 点击 GPIO Settings 标签页。
- GPIO Mode: 确认为 Alternate Function Open Drain (开漏复用) 还是 Push Pull？
  - 如果总线上有外部上拉电阻（方案 C）：必须选 Open Drain。
  - 如果是点对点且无上拉（方案 A）：可选 Push Pull，但建议 Open Drain 配合内部上拉以防冲突。
- GPIO Pull-up/Pull-down: 建议选择 Pull-up (即使外部有电阻，内部上拉也能提供双重保障，防止初始化瞬间的干扰)。

3.2 STM32G0 特有的“黑科技”配置

G0 系列的 USART_CR2 和 USART_CR1 寄存器里藏着几个好用的功能，可以在 CubeMX 的 Advanced Settings 或代码中开启：

TX/RX Pin Swapping (SWAP):
- 场景：画 PCB 时手抖，把 TX 和 RX 线走反了，或者为了绕开过孔想互换引脚。
- 代码：huart1.AdvancedInit.Swap = UART_ADVFEATURE_SWAP_ENABLE;
- 效果：物理引脚定义互换，无需割线。
Logical Inversion (TXINV/RXINV):
- 场景：如果你用了简单的三极管做外部驱动，电平逻辑会反转（输入 1 变 0）。
- 代码：huart1.AdvancedInit.TxPinLevelInvert = UART_ADVFEATURE_TXINV_ENABLE;
- 效果：MCU 自动把发出去的数据取反，软件层看到的还是正常数据。

4. 物理层避坑指南 (必看)

这是无数工程师调试单线串口时“翻车”的地方。

4.1 上拉电阻与波形失真 (RC Time Constant)

在 开漏模式 (Open-Drain) 下，逻辑“0”是芯片内部 MOS 管强拉地的（下降沿很陡峭），但逻辑“1”是靠电阻拉上去的（上升沿是电容充电曲线）。

现象：如果你用示波器看，波形像“鲨鱼鳍”。
后果：如果电阻太大或线太长（电容大），上升沿太缓，导致采样点电平未达到阈值（VIH），数据出错。

工程推荐值表：

波特率 (Baud)	推荐上拉电阻 (R)	适用场景
9600 bps	4.7kΩ - 10kΩ	长距离，低功耗
115200 bps	1kΩ - 2.2kΩ	短距离，追求速度
1 Mbps+	330Ω - 680Ω	极短距离，注意 MCU 灌电流限制

4.2 5V 容忍与电平转换

STM32G0 是 3.3V 器件，但很多单线传感器（如水温、超声波）是 5V 供电。

技巧：G0 的许多 IO 口是 FT (Five Volt Tolerant) 的。
操作：
1. 查阅 Datasheet，确认所选 TX 引脚标有 FT 字样。
2. 配置为 Open-Drain 模式。
3. 上拉电阻拉到 5V（而不是 3.3V）。
结果：直接实现了双向 3.3V <-> 5V 电平转换，无需任何转换芯片！

4.3 总线空闲状态

UART 协议规定，空闲状态（Idle）必须是高电平。
初始化陷阱：在 HAL_UART_Init 完成之前，GPIO 可能会浮动。务必在 HAL_UART_MspInit 中，尽早开启上拉（Pull-up），确保上电瞬间总线不会误产生“低电平毛刺”，否则从机会误以为那是 Start Bit。

5. 核心代码预览 (HAL 库)

以下是基于 HAL 库的初始化精简代码，展示了如何启用半双工模式。

/* UART1 Initialization Function */
void MX_USART1_UART_Init(void)
{
huart1.Instance = USART1;
huart1.Init.BaudRate = 115200;
huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;

// 关键：模式选择半双工
huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX; // 注意：部分HAL版本此处需配合下面的 HalfDuplex 调用
huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;

// G0 特性配置：如果需要单线且只用TX引脚
// HAL_HalfDuplex_Init 会自动处理 HDSEL 位
if (HAL_HalfDuplex_Init(&huart1) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}

/* GPIO Configuration (在 stm32g0xx_hal_msp.c 中) */
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef* huart)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
if(huart->Instance==USART1)
{
__HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

// PA9 -> USART1_TX
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_OD; // Open-Drain 模式，推荐！
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; // 内部上拉，双重保险
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF1_USART1;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

// 注意：在 Half-Duplex 模式下，通常不需要配置 RX 引脚 (PA10)
}
}

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* 本文为作者《嵌入式开发基础与工程实践》系列文之一。
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