【STM32CubeMX串口通信详解】USART2 -- DMA发送 + DMA空闲中断 接收不定长数据

( 本篇正在编写、更新状态中.....)

文章目录:

前言


前言

本篇,详细地用截图解释 CubeMX 对 USART2 的配置,HAL函数使用,和收发程序的编写。

收、发机制:DMA发送 + DAM空闲中断接收。

DMA+空闲中断的搭配,相当高效,而且最大地节省芯片运行资源。

本篇代码,适用于绝大部分的串口模块通信,如ESP8266、串口屏、蓝牙模块等。

不讲解串口通信原理, 串口通信原理,请自行扫盲:串口通讯工作原理!

只详细地截图:CubeMX配置、代码编写过程。

如有错漏,欢迎指正。

约定1:本篇所述USART通信,是指常用的异步通信,即UART。


一、准备工作

1、接线

为了方便测试,在上篇USART1通信的基础上,增加USART2的代码。

使用USART2接串口通信模块,本文所用,是蓝牙模块:ECB02;

实验将通过串口助手(USART1), 对蓝牙模块ECB02 (USART2),进行调试和通信。

① USART1的接线

使用了板载USB转TTL。USART1的PA9、PA10, 已连接USB转TTL。

使用USB线,插到开发板上的CMSIS-DAP接口,无需外接USB转TTL模块。

② USART2接线

本文引脚连接,如下表:

蓝牙 ECB02 模块 STM32 开发板
RXD TX-PC10 (UART4)
TXD RX-PC11 (UART4)
GND GND
VCC 3.3V

2、新建工程

为了减少篇幅长度,复制之前已建立的工程:USART1 -- DMA发送+DMA空闲中断接收

复制它整个文件夹、重新修改文件夹名称,如:USART2 -- DMA发送+DMA空闲中断接收

技巧:只能修改工程文件夹名称,不要修改工程文件的名称,否则,CubeMX无法重新生成。

技巧:复制已有工程,是老司机的日常操作,能延用已写好的代码和配置,大大减少开发时间。

相关基础文章链接:

新建一个工程(STM32F103)

新建一个工程(STM32F407)

GPIO 推挽输出模式,点亮LED灯

USART1 -- DMA发送 + DMA空闲中断 接收不定长数据


二、CubeMX的配置

串口通信的收发机制,有很多方式、组合。

本文,介绍操作最简单、实用的一种组合:

**发送:**DMA。

**接收:**DMA+空闲中断接收。

适用于绝大部分的串口模块通信,如ESP8266、串口屏、蓝牙模块等。

1、USART2 配置 异步通信

在选择异步通信后,将会使用默认引脚:TX-PA2, RX-PA3.

我们无需对引脚进行任何配置,CubeMX帮我们自动配置好!

2、通信协议参数

本篇,使用常用配置:115200-None-8-1。

如下图,4个主要的通信协议参数,一般只需修改波特率。蓝色的3项,基本万年不动。

3、使能中断

USART1配置DMA后,会自动使能中断。

USART2要手动打开中断。

4、打开DMA发送、接收

网上很多教程,只使能了USART_RX的DMA,而不使能USART_TX的DMA。

除非,TX所用的DMA通道,已被其它设备占用了,否则,你为何能容忍它躺平不干活?!

添加完成后的状态:

5、设置RX引脚上拉

在选择异步通信后,CubeMX会自动配置引脚的工作模式。

这时的默认配置:不打开上下拉。这可能会使引脚在悬空状态时电平不确定,产生误接收。

我们把RX接收引脚的PA3,修改为:上拉(Pull-up),给引脚固定一个弱上拉,以避免悬空时产生误接收。

好了,就这么简单。

优先级配置,默认就行。DMA配置,默认就行。

然后,点击 GENERATE CODE,生成工程吧!


三、发送操作、代码解释

我们打开生成后的Keil工程。

在main.c文件能看到,已增加了DMA和USART1的初始化代码。

初始化部分,CubeMX已经帮我们生成好了。

发送数据的函数,CubeMX也已经生成好了。

在工程中,现在就能直接使用下面这 3个 函数,发送任何数据:

cpp 复制代码
HAL_UART_Transmit     (&huart1, uint8_t *pData, uint16_t Num, 超时值);    
HAL_UART_Transmit_IT  (&huart1, uint8_t *pData, uint16_t Num);         
HAL_UART_Transmit_DMA (&huart1, uint8_t *pData, uint16_t Num);         

先上板测试,后面再解释!

在/* USER CODE BEGIN 2 */ 与 /* USER CODE END 2 */ 之间,敲入以下发送代码:

cpp 复制代码
    /* USER CODE BEGIN 2 */
    /* 用户代码,必须写在配对的BEGIN与END之间 */

    static char  strTem[100] = "Hello World!\r";                            // 定义一个数组,也可以是其它的数据,如结构体等
    HAL_UART_Transmit (&huart1, (uint8_t*)strTem, strlen(strTem), 0xFFFF);  // 发送方式2:HAL_UART_Transmit(), 不推荐使用; 阻塞式发送,当调用后,程序会一直死等,不干其它事了(中断除外),直到发送完毕
    HAL_UART_Transmit_IT (&huart1, (uint8_t*)strTem, strlen(strTem));       // 发送方式3:HAL_UART_Transmit_IT(), 推荐使用; 利用中断发送,非阻塞式,大大减少资源占用; 注意:当上次的调用还没完成发送,下次的调用会直接返回(放弃),所以,要想连接发送,两行调用间,要么判断串口结构体gState的值,要么调用延时HAL_Delay(ms), ms值要大于前一帧发送用时, 用时计算:1/(波特率*11*前一帧字节数) 
    while((&huart1)->gState != HAL_UART_STATE_READY);                       // 等待上条发送结束; 也可以用HAL_Delay延时法,但就要计算发送用时; 两种方法都是死等法,程序暂时卡死不会往下运行; 如果两次发送间隔时间大,如,大于100ms, 就不用判断语句了。
    HAL_UART_Transmit_DMA (&huart1,(uint8_t*)strTem, strlen(strTem));       // 发送方式4:HAL_UART_Transmit_DMA(),推荐使用; 利用DMA发送,非阻塞式,最大限度减少资源占用; 注意:当上次的调用还没完成发送,下次的调用会直接返回(放弃); 所以,要想连接发送,两行调用间,要么判断串口结构体gState的值,要么调用延时HAL_Delay(ms), ms值要大于前一帧发送用时,用时计算:1/(波特率*11*前一帧字节数)

    /* USER CODE END 2 */

打开电脑的串口助手。

编译、烧录。串口助手马上有显示:

如果你那边,烧录后没有显示,要么是串口号错了,要么是没有打勾keil的自动复位。

下面,对3个函数的使用,逐一解释,不建议新手跳过,有避坑干货。

1、HAL_UART_Transmit (&huart1, uint8_t *pData, uint16_t Num, 超时值);

阻塞式发送。参数:串口,数据地址,发送的字节数,ms超时值

每发送一个字节,死等,好了继续发下一个,再死等,不断重复。

就是以前标准库种那最普通的死等法,只是它增加了一个超时值。

超时值:如果指定时间内没发送完毕,就直接返回,防止卡死。数据发送通信需时:

1秒 ÷ 波特率 × 字节数 × 10 × 1000ms。举例:115200波特率,100字节,大约用时 9ms。

新手如果不会计算,直接把超时值填大一点,如50ms。

2、HAL_UART_Transmit_IT (&huart1, uint8_t *pData, uint16_t Num);

利用中断发送。参数:串口,数据地址,发送的字节数

向寄存器填入一个字节,程序就继续干其它的事去,当一个字节发送完成后会产生发送中断,CubeMX生成的回调函数,自动填入下一个字节,不断重复,不用干预。

非阻塞式发送。能大大地减少程序运行时间的占用。

有一点要注意:当连续地调用本中断发送函数时,调用的间隔时间,小于通信所需的用时(按上),这时,后面那条函数调用,会直接返回,放弃发送。 因为函数内部,在发送前会判断串口的忙状态,如果在忙(还在发送上一包数据),就放弃本包数据,返回。

解决的方法,有两个:

① 最常用的,两行中断发送函数间,插入:HAL_Delay(10),原理参考上面的发送需时。

② 两行中断发送函数间,插入 while((&huart1)->gState != HAL_UART_STATE_READY); 和 HAL_Delay() 一样,都是死等,但能省了那么一点点运行时间。

3、HAL_UART_Transmit_DMA (&huart1, uint8_t *pData, uint16_t Num);

DMA发送。参数:串口,数据地址,发送的字节数。

上面的中断发送函数,100个字节,会产生100次中断。这个DMA发送函数,全程只产生一次中断。

调用后,函数给DMA数据地址,DMA就自动开始搬砖,它会把数据逐字节搬运到串口的DR寄存器上,等串口发送完这个字节了,再自动搬运下一个,过程完全不占用程序运行资源。搬完了,就产生一个中断,给程序打个招呼。通常,我们程序上,把这个"招呼"也省略了,不用理会它。

3个发送函数中,推荐使用这个DMA发送函数,发送的最优解。

同样的,两行DMA发送函数间,注意发送间隔,否则放弃发送直接返回。处理方法同上。


五、接收代码的编写

发送数据可以调用现成的函数,而接收数据,现成函数不太好用。

接收也有3个函数,和发送的3个函数相对应:

cpp 复制代码
HAL_UART_Receive     (&huart1, uint8_t *pData, uint16_t Num, 超时值);    
HAL_UART_Receive_IT  (&huart1, uint8_t *pData, uint16_t Num);         
HAL_UART_Receive_DMA (&huart1, uint8_t *pData, uint16_t Num);         

一般,大家都不使用这三个函数,太TM的难用了,有兴趣的可csdn搜它们的使用优劣分析。

我们利用HAL库现成的资源,另敲十来行代码,令串口的接收机制:更实用、更灵活。

完成后,整个接收过程,1个结构体 + 1个HAL库函数 + 1个回调函数,全程自动接收。

共分4小项,下面将有详细操作图解:

① 定义一个结构体变量:存放接收的字节数、数据数组。

② 开启DMA:让硬件自动接收数据放到缓存

③ 重写回调函数:当一帧数据接收好了,把缓存的数据,转存到全局结构体变量里,备用。

④ 在需要使用串口接收的地方,如在while中,判断接收字节数>0, 即为接收到新一帧数据了。

1、定义一个结构体变量:存放接收的字节数、数据

首先,在main.h文件,新建一个结构体类型

在 /* USER CODE BEGIN ET */ 与 /* USER CODE END ET */ 之间,新建一个结构体类型。

cpp 复制代码
/* USER CODE BEGIN ET */
/* 所有用户代码,必须写在配对的BEGIO与END注释行之间,否则重新生成时会被删除 */

typedef struct                         // 声明一个结构体,方便管理变量
{
    uint16_t  ReceiveNum;              // 接收字节数
    uint8_t   ReceiveData[512];        // 接收到的数据
    uint8_t   BuffTemp[512];           // 接收缓存; 注意:这个数组,只是一个缓存,用于DMA逐个字节接收,当接收完一帧后,数据在回调函数中,转存到 ReceiveData[ ] 存放。即:双缓冲,有效减少单缓冲的接收过程新数据覆盖旧数据
} xUSATR_TypeDef;

extern xUSATR_TypeDef xUSART1 ;        // 定义结构体,方便管理变量。也可以不用结构体,用单独的变量

/* USER CODE END ET */

它有3个成员:

uint16_t ReceiveNum; // 接收字节数,只要字节数>0,即为接收到新一帧数据

uint8_t ReceiveData[512]; // 接收到的数据

uint8_t BuffTemp[512]; // 临时缓存,在DMA空闲中断中将把一帧数据复制到ReceivedData[ ]

有些教程,还有一个Flag变量,用来标记是否接收到数据。我们直接用ReceiveNum判断,更简单。

在定义结构体类型的下面一行代码中,用extern声明了一个结构体变量,它将在main.c中定义。

技巧:如果希望定义的结构体类型,工程全局可用,就要在h文件中定义,其它文件引用这个h文件。

技巧:如果希望定义的变量,能被工程全局调用,就在h文件中用extern声明,然后在某个c文件中定义。

回到main.c,定义结构体变量

在 /* USER CODE BEGIN 0 */ 与 /* END 0 */ 之间,使用新建的结构体类型,定义我们的结构体变量。

cpp 复制代码
/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
/* 所有用户代码,必须写在配对的BEGIO与END注释行之间,否则重新生成时会被删除 */

xUSATR_TypeDef xUSART1 = {0};          // 定义结构体,方便管理变量。也可以不用结构体,用单独的变量

/* USER CODE END 0 */

现在,我们拥有一个了全局变量:xUSART1。

以后的其它文件,如蓝牙模块驱动、串口屏驱动,只要在文件中引用:main.h,就能通过这个结构体变量,使用串口1接收的数据了。

2、开启DMA,让硬件自动接收数据

我们整个接收过程,仅使用到1个HAL库函数,

只需在main()函数的初始化部分,调用HAL库函数:

HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA ( 串口、缓存、字节数**)**;

参数:串口、接收缓存区、最大接收字节数

作用:使能DMA、使能串口的空闲中断,正式进入接收状态。

操作:在 main.c的 /* USER CODE BEGIN 2 */ 与 /* END 2 */ 之间,插入函数:

cpp 复制代码
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, xUSART1.BuffTemp, sizeof(xUSART1.BuffTemp));  // 开启DMA空闲中断    

插入后的位置,如下图:

调用函数后,硬件就会立刻进入自动接收状态:从RX引脚接收到的数据,会逐个字节顺序存放到指定缓存中,这里我们指定的缓存是:xUSART1.BuffTemp。

因为函数内部,开启了DMA中断、空闲中断,所以达成下列两个条件之一,就会触发中断:

① DMA接收的字节数,达到了参数中的最大值

② 串口发生空闲中断,即RX引脚,超过1字节的时间,没有新信号。

当上述中断产生时,硬件自动调用其相关的中断服务函数,再继而调用回调函数。

CubeMX生成的代码,已编写好上述两个中断服务函数,还定义了一个它俩最终调用的回调函数。注意,这个回调函数是一个弱函数。

因此,我们不用管中断服务函数,只需重写这个回调函数,就能实现对接收数据的处理。

3、重写DMA空闲中断回调函数

DMA完成中断、空闲中断,所调用的回调函数:

HAL_UARTEx_RxEventCallback( 串口,接收到的字节数**)**;

弱函数定义在stm32xx_hal_gpio.c文件的底部。

现在,我们对它进行重写,以实现对接收数据的处理。

在main.c的底部,/* USER CODE BEGIN 4 */ 与 /* END 4 */ 之间,新建函数,并编写其代码:

cpp 复制代码
/* USER CODE BEGIN 4 */
/* 所有用户代码,必须写在配对的BEGIN与 END之间 */

/******************************************************************************
 * 函  数: HAL_UARTEx_RxEventCallback
 * 功  能: DMA+空闲中断回调函数
 * 参  数: UART_HandleTypeDef  *huart   // 触发的串口
 *          uint16_t             Size    // 接收字节
 * 返回值: 无
 * 备  注: 1:这个是回调函数,不是中断服务函数。技巧:使用CubeMX生成的工程中,中断服务函数已被CubeMX安排妥当,我们只管重写回调函数
 *          2:触发条件:当DMA接收到指定字节数时,或产生空闲中断时,硬件就会自动调用本回调函数,无需进行人工调用;
 *          2:必须使用这个函数名称,因为它在CubeMX生成时,已被写好了各种函数调用、函数弱定义(在stm32xx_hal_uart.c的底部); 不要在原弱定义中增添代码,而是重写本函数
 *          3:无需进行中断标志的清理,它在被调用前,已有清中断的操作;
 *          4:生成的所有DMA+空闲中断服务函数,都会统一调用这个函数,以引脚编号作参数
 *          5:判断参数传进来的引脚编号,即可知道是哪个串口接收收了多少字节
******************************************************************************/
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
{
    if (huart == &huart1)                                                                    // 判断串口
    {
        __HAL_UNLOCK(huart);                                                                 // 解锁串口状态

        xUSART1.ReceiveNum  = Size;                                                          // 把接收字节数,存入结构体xUSART1.ReceiveNum,以备使用
        memset(xUSART1.ReceiveData, 0, sizeof(xUSART1.ReceiveData));                         // 清0前一帧的接收数据
        memcpy(xUSART1.ReceiveData, xUSART1.BuffTemp, Size);                                 // 把新数据,从临时缓存中,复制到xUSART1.ReceiveData[], 以备使用
        HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, xUSART1.BuffTemp, sizeof(xUSART1.BuffTemp));   // 再次开启DMA空闲中断; 每当接收完指定长度,或者产生空闲中断时,就会来到这个
    }
}

/* USER CODE END 4 */

上面代码,我们重点解释后四行:

xUSART1.ReceiveNum = Size;

把接收的字节数,存入结构体 xUSART1.ReceiveNum,以备使用 。

在程序的其它地方,判断 ReceivNum > 0, 就能知道是否收到新一帧数据了。

memset(xUSART1.ReceivedData, 0, sizeof(xUSART1.ReceivedData));

清0前一帧的数据缓存

memcpy(xUSART1.ReceivedData, xUSART1.BuffTemp, Size);

把新数据,从临时缓存中,复制到xUSART1.ReceivedData[], 以备使用

从结构体和这段回调函数中,可以发现,这是一个双缓存的操作思路。

.ReceivedData**:** 用于存放接收后完整的一帧数据,对外使用 。

.BuffTemp**:**用于DMA接收过程,是一个中间缓存。

HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, xUSART1.BuffTemp, sizeof(xUSART1.BuffTemp));

再次开启DMA空闲中断,进入接收状态。

我们在main()函数的初始化部分,已调用过这个函数了,为什么要在回调函数中再次调用?

因为在DMA的中断服务函数里,会关闭DMA,即只接收一次。所以,在接收完一帧后,再次调用函数,就能让DMA开始工作接收下一帧。在这个位置调用 ,能让DMA不断地循环工作。

其实,在CubeMX配置中,DMA有一个选项 :Mode的circular, 可以让DMA进行连续地的工作,接收完成后,无需在回调函数里再次开启DMA 。但是,目前的CubeMX版本(V6.10),这个参数的选择,会使我们上面的DMA接收与发送,相冲突。那我们二选一好了,自行手工调用。

注意一点:本篇的处理,是保存最后一帧数据。当有新一帧数据来了,会自动盖掉旧帧数据。

至此,接收工作已准备妥当。程序运行后,硬件会自动接收,并把接收的帧数据,存放到结构体中。

4、接收的使用示范

我们来试试使用的效果吧!

① 在main.c的while函数里,编写接收判断代码:

/* USER CODE BEGIN WHILE */

while (1)

{

/* USER CODE END WHILE */

/* USER CODE BEGIN 3 */

/* 用户代码,必须写在配对的BEGIN与END之间 */

if (xUSART1.ReceiveNum) // 判断字节数

{

printf("\r<<<<< USART1 接收到一帧数据 \r"); // 提示

printf("字节数:%d \r", xUSART1.ReceiveNum); // 显示字节数

printf("ASCII : %s\r", (char *)xUSART1.ReceiveData); // 显示数据,以ASCII方式显示,即以字符串的方式显示

printf("16进制: "); // 显示数据,以16进制方式,显示每一个字节的值

for (uint16_t i = 0; i < xUSART1.ReceiveNum; i++) // 逐个字节输出

printf("0x%X ", xUSART1.ReceiveData[i]); // 以16进制显示

printf("\r\r"); // 显示换行

xUSART1.ReceiveNum = 0; // 清0接收标记

}

}

/* USER CODE END 3 */

② 工程,编译,烧录!

③ 打开串口助手,参数设置 115200-None-8-1, 打开对应的串口端口。

按一下板子右下角的复位键,串口输出,如下图:

③ 在串口的发送区,输入字符串 "天气不错喔~~",或者其它数据。

点击发送:串口助手将通过PA10,发送到开发板。在程序的while函数中,那段代码判断接收到数据后,为了方便观察,将通过USART1的PA9发出数据,串口助手接收后,显示如下:

④ 试试16进制数据的发送。

发送区:打勾16进制发送,输入随意16进制值,不用加0x,用空格作间隔。

注意,16进制的值,不一定是ASCII码表的显示范围值,所以在ASCII显示中,会出现乱码,正常现象。

至此,USART1的收发,已完整地展示完毕。

如有错漏,欢迎留言指正修改~~


USART2

USART3

UART4

UART5

USART6

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