【物联网学习笔记】串口接收

悠哉悠哉愿意2026-03-17 10:59

前言

本文是本人备赛物联网赛项的学习笔记，主要供本人学习、复习，不是经验分享或教学，若有错误，大佬轻喷。

一、学习目标

  1. 理解串口IDLE 空闲中断的工作原理与使用场景
  2. 掌握DMA + 串口 IDLE 中断实现不定长数据收发的核心方案
  3. 从零完成 CubeMX 工程配置→代码编写→功能验证全流程
  4. 实现串口数据回环、LED 控制、按键读取三大基础功能
  5. 生成可复用的app.c/app.h驱动文件，替代网课品牌缩写代码

二、核心理论基础

2.1 为什么用 IDLE 中断 + DMA？

传统串口接收存在两大痛点：

  • 固定长度接收：无法适配上位机发送的任意长度数据
  • 轮询接收：需要 CPU 持续占用资源等待数据，效率极低

IDLE 空闲中断 + DMA是 STM32 最主流的不定长串口接收方案，优势：

  • DMA：串口收到的数据直接由 DMA 搬运到内存，全程无需 CPU 干预，极大节省资源
  • IDLE 中断：检测到串口总线空闲（一帧数据发送完成）时触发中断，精准判断一帧数据的结束，完美适配不定长数据

2.2 核心概念详解

  1. 串口 IDLE 空闲中断
    • 定义：串口总线在接收到第一个数据后，持续 1 个字节的传输时间内没有新数据到来，就会触发 IDLE 空闲中断
    • 关键特性：
      • 无数据时不会触发，必须先收到数据，再进入空闲状态才会触发
      • 标志位不会自动清零，必须在中断服务函数中手动清除
      • 清除标志位后，必须再次收到新数据，才会重新触发下一次中断
  2. DMA 直接存储器访问
    • 定义：无需 CPU 参与，直接实现外设与内存、内存与内存之间的数据高速传输
    • 本场景用法：配置 DMA 为外设→内存模式，串口收到的每一个字节，都会被 DMA 自动搬运到我们定义的接收缓存数组中，CPU 只需要在一帧数据接收完成（IDLE 中断触发）后，读取缓存数组即可

三、开发环境与硬件准备

3.1 软件环境

  • STM32CubeMX（任意版本，通用配置逻辑）
  • MDK-Keil5（ARMCC V5 编译器）
  • 串口调试助手（如 SSCOM、串口助手）

3.2 硬件准备

  • STM32 物联网开发板（本教程以 CT127C/STM32WLE5CC 为例，其他型号通用）
  • USB 转 TTL 模块
  • Type-C 数据线 / 下载器
  • 杜邦线若干

四、CubeMX 保姆级全步骤配置

步骤 1：新建工程，选择 MCU 型号

  1. 打开 STM32CubeMX，点击「ACCESS TO MCU SELECTOR」
  2. 在搜索框输入你的开发板 MCU 型号（如 STM32WLE5CCU6），选中后点击「Start Project」

步骤 2：配置系统核心时钟 RCC

  1. 左侧侧边栏点击「RCC」
  2. High Speed Clock (HSE) 选择「Crystal/Ceramic Resonator」（外部高速晶振）
  3. 其他保持默认，完成基础时钟配置

步骤 3：配置调试接口，防止芯片锁死

  1. 左侧侧边栏点击「SYS」
  2. Debug 选项选择「Serial Wire」（串行线调试模式）
  3. 其他保持默认

步骤 4：配置 USART2 串口基础参数

  1. 左侧侧边栏点击「USART2」
  2. Mode 选择「Asynchronous」（异步串口通信模式）
  3. 下方参数配置（通用串口参数）：
    • 波特率（Baud Rate）：115200 Bits/s
    • 数据位（Word Length）：8 Bits
    • 校验位（Parity）：None
    • 停止位（Stop Bits）：1
    • 数据流控制（Hardware Flow Control）：Disabled
  4. 其他保持默认

步骤 5：配置 USART2 RX 接收 DMA

  1. 在 USART2 配置界面，点击上方「DMA Settings」选项卡
  2. 点击「Add」按钮，添加 DMA 请求，选择「USART2_RX」
  3. 对新增的 DMA 通道进行如下配置：
    • 方向（Direction）：Peripheral To Memory（外设→内存，串口外设数据搬到内存数组）
    • 优先级（Priority）：Low（可根据需求调整，数值越小优先级越高）
    • 模式（Mode）：Normal（正常模式，非循环模式）
    • 数据宽度（Data Width）：Byte（字节，与串口数据位匹配）
    • 地址递增（Increment Address）：Memory 勾选，Peripheral 不勾选 关键：内存地址自增，才能把每个字节依次存到数组的不同位置，否则数据会被覆盖
  4. 配置完成后保持界面

步骤 6：配置 NVIC 中断优先级

  1. 在 USART2 配置界面，点击上方「NVIC Settings」选项卡
  2. 勾选「USART2 global interrupt」（使能串口全局中断）
  3. 左侧侧边栏点击「NVIC」，找到你配置的 DMA 通道（如 DMA1 Channel1 global interrupt），勾选使能
  4. 配置两个中断的抢占优先级与响应优先级（数值越小优先级越高，保持两个中断优先级一致即可，如抢占优先级 1，响应优先级 0）

步骤 7：配置时钟树

  1. 点击上方「Clock Configuration」选项卡
  2. 配置系统时钟为开发板最高主频（如 STM32WLE5CC 配置为 48MHz）
  3. 确保 USART2 的时钟源配置正确，无红色报错提示

步骤 8：工程管理与代码生成

  1. 点击上方「Project Manager」选项卡
  2. 「Project」栏目：配置工程名称、工程保存路径（路径不能有中文、空格），Toolchain/IDE 选择「MDK-ARM V5」
  3. 「Code Generator」栏目：勾选「Generate peripheral initialization as a pair of '.c/.h' files per peripheral」（每个外设生成独立的.c/.h 文件）
  4. 点击右上角「GENERATE CODE」，等待工程生成完成，点击「Open Project」直接打开 Keil 工程

五、工程代码完整实现（app.c/app.h）

5.1 文件添加说明

  • app.h：头文件，存放宏定义、函数声明，添加到工程的Inc文件夹下
  • app.c：源文件，存放函数实现，添加到工程的Src文件夹下

5.2 app.h 完整代码

cpp 复制代码 
#ifndef __APP_H
#define __APP_H

#include "string.h"
#include "stdio.h"
#include "gpio.h"

// 状态宏定义
#define APP_ON			1   // 开/有效状态
#define APP_OFF		    2   // 关/无效状态
#define APP_TOGGLE		3   // 翻转状态

// 函数声明
// LED控制相关
void app_write_AL(unsigned short int ALx, unsigned char state);
unsigned char app_read_AL(unsigned short int ALx);
// 按键读取相关
unsigned char app_read_ASW(GPIO_TypeDef *ASWx);
// 串口收发相关
void app_tx_UART(const unsigned char *Data);
void app_UART_IDLE_rx(void);
void app_UART_rx_loop(void);
void app_UART_rx_deal(void);
// 外设初始化
void app_init(void);

#endif

5.3 app.c 完整代码

cpp 复制代码 
#include "app.h"

// 串口接收相关全局变量定义
#define APP_UART_RX_BUFFER_LEN  100   // 串口接收缓存区最大长度，可按需修改
unsigned char g_u8app_rx_len;         // 一帧串口数据的实际接收长度
unsigned char g_u8app_rx_end_flag;    // 一帧数据接收完成标志位
unsigned char g_u8app_rx_buffer[APP_UART_RX_BUFFER_LEN];  // 串口接收数据缓存数组

/*************************************************
* 函数名：app_write_AL
* 作用：控制LED灯的亮灭/翻转
* 形参：ALx - LED对应的GPIO引脚（如GPIO_PIN_0）
*       state - LED状态：APP_ON亮/APP_OFF灭/APP_TOGGLE翻转
* 返回值：无
*************************************************/
void app_write_AL(unsigned short int ALx, unsigned char state)
{
	switch (state)
	{
		case APP_ON:
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, ALx, GPIO_PIN_RESET);
			break;
		case APP_OFF:
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, ALx, GPIO_PIN_SET);
			break;
		case APP_TOGGLE:
			HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, ALx);
			break;
		default:
			break;
	}
}

/*************************************************
* 函数名：app_read_AL
* 作用：读取LED灯当前的状态
* 形参：ALx - LED对应的GPIO引脚
* 返回值：LED当前状态 APP_ON/APP_OFF
*************************************************/
unsigned char app_read_AL(unsigned short int ALx)
{
	unsigned char state = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, ALx);
	
	if(state == GPIO_PIN_SET)
		return APP_OFF;
	else
		return APP_ON;
}

/*************************************************
* 函数名：app_read_ASW
* 作用：读取按键状态，带消抖处理
* 形参：ASWx - 按键对应的GPIO端口（如GPIOA）
* 返回值：按键状态 APP_ON-按下/APP_OFF-松开
* 备注：默认按键引脚为GPIO_PIN_8，可根据硬件修改
*************************************************/
unsigned char app_read_ASW(GPIO_TypeDef *ASWx)
{
	unsigned char state = APP_OFF;
		
	if(HAL_GPIO_ReadPin(ASWx, GPIO_PIN_8) == GPIO_PIN_RESET)
	{
		HAL_Delay(20);  // 延时消抖
		
		if(HAL_GPIO_ReadPin(ASWx, GPIO_PIN_8) == GPIO_PIN_RESET)
		{
			state = APP_ON;
			while(HAL_GPIO_ReadPin(ASWx, GPIO_PIN_8) == GPIO_PIN_RESET);  // 等待按键松开
		}
	}
	
	return state;
}

/*************************************************
* 函数名：app_tx_UART
* 作用：串口发送字符串数据
* 形参：Data - 要发送的字符串首地址
* 返回值：无
*************************************************/
void app_tx_UART(const unsigned char *Data)
{
	extern UART_HandleTypeDef huart2;  // 引入CubeMX生成的串口句柄
	
	HAL_UART_Transmit(&huart2, Data, strlen((const char *)Data), 0xFFFF);
}

/*************************************************
* 函数名：fputc
* 作用：重定向C库printf函数到串口，支持printf串口打印
* 形参：系统标准库函数固定参数
* 返回值：发送的字符
*************************************************/
int fputc(int ch, FILE *f)
{
	extern UART_HandleTypeDef huart2;
	
	HAL_UART_Transmit(&huart2, (unsigned char*)&ch, 1, 0xFFFF);
	return ch;
}

/*************************************************
* 函数名：app_UART_IDLE_rx
* 作用：串口IDLE空闲中断处理函数，判断一帧数据接收完成
* 形参：无
* 返回值：无
* 备注：必须在USART2_IRQHandler中断服务函数中调用
*************************************************/
void app_UART_IDLE_rx(void)
{  
	extern UART_HandleTypeDef huart2;
	extern DMA_HandleTypeDef hdma_usart2_rx;  // 引入CubeMX生成的DMA句柄
	
	if(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart2, UART_FLAG_IDLE) == SET)  // 检测到空闲标志位
	{
		__HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart2);  // 手动清除空闲标志位
		HAL_UART_DMAStop(&huart2);            // 停止本次DMA传输
		// 计算实际接收的数据长度：总缓存长度 - DMA剩余未传输计数
		g_u8app_rx_len = APP_UART_RX_BUFFER_LEN - __HAL_DMA_GET_COUNTER(&hdma_usart2_rx);
		g_u8app_rx_end_flag = 1;  // 置位接收完成标志位
	}
}

/*************************************************
* 函数名：app_UART_rx_loop
* 作用：串口接收主循环处理函数，需在main函数while(1)中调用
* 形参：无
* 返回值：无
*************************************************/
void app_UART_rx_loop(void)     
{
	extern UART_HandleTypeDef huart2;
	
	if(g_u8app_rx_end_flag)  // 判断是否接收到一帧完整数据
	{
		// 串口数据处理函数，可在此自定义数据解析逻辑
		app_UART_rx_deal();
		
		// 接收完成后清空标志位与长度，重新开启DMA接收
		g_u8app_rx_len = 0;
		g_u8app_rx_end_flag = 0;
		HAL_UART_Receive_DMA(&huart2, g_u8app_rx_buffer, APP_UART_RX_BUFFER_LEN);
	}
}

/*************************************************
* 函数名：app_UART_rx_deal
* 作用：串口接收数据处理函数，可自定义解析逻辑
* 形参：无
* 返回值：无
* 备注：默认实现串口回环（收到什么发回什么）
*************************************************/
void app_UART_rx_deal(void)
{
	extern UART_HandleTypeDef huart2;
	
	// 回环功能：将收到的数据原样发送回上位机
	HAL_UART_Transmit(&huart2, g_u8app_rx_buffer, g_u8app_rx_len, 0xFFFF); 
}

/*************************************************
* 函数名：app_init
* 作用：外设功能初始化，需在main函数中while(1)之前调用
* 形参：无
* 返回值：无
*************************************************/
void app_init(void)
{
	extern UART_HandleTypeDef huart2;
	
	__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart2, UART_IT_IDLE);  // 使能串口IDLE空闲中断
	HAL_UART_Receive_DMA(&huart2, g_u8app_rx_buffer, APP_UART_RX_BUFFER_LEN);  // 开启DMA接收
}

5.4 串口中断服务函数修改

  1. 在 Keil 工程中，打开stm32wle5xx_it.c文件（文件名根据你的 MCU 型号变化）
  2. 找到USART2_IRQHandler函数，在其中添加app_UART_IDLE_rx()函数调用，必须放在 HAL 库自带的中断处理函数之前，修改后代码如下：
cpp 复制代码 
void USART2_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN USART2_IRQn 0 */
  app_UART_IDLE_rx();  // 新增：调用我们写的空闲中断处理函数
  /* USER CODE END USART2_IRQn 0 */
  HAL_UART_IRQHandler(&huart2);
  /* USER CODE BEGIN USART2_IRQn 1 */

  /* USER CODE END USART2_IRQn 1 */
}

关键提醒：必须把app_UART_IDLE_rx()放在HAL_UART_IRQHandler之前，否则 HAL 库会提前清除 IDLE 标志位，导致我们的函数无法检测到中断配图：USART2_IRQHandler 函数修改完成后的代码截图

六、主函数调用与功能集成

  1. 在 Keil 工程中打开main.c文件
  2. 在文件顶部的 USER CODE BEGIN Includes 区域，包含我们的头文件：
cpp 复制代码 
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "app.h"
/* USER CODE END Includes */
  1. 在 main 函数中，MX_GPIO_Init()、MX_USART2_UART_Init()、MX_DMA_Init()等初始化函数之后，while (1) 之前，调用我们的初始化函数：
cpp 复制代码 
/* USER CODE BEGIN 2 */
app_init();  // 初始化串口IDLE+DMA、使能中断
/* USER CODE END 2 */
  1. 在 while (1) 主循环中，调用串口接收循环处理函数：
cpp 复制代码 
while (1)
{
  /* USER CODE END WHILE */

  /* USER CODE BEGIN 3 */
  app_UART_rx_loop();  // 串口接收数据循环处理
}

七、核心函数逐行详解

7.1 空闲中断处理函数 app_UART_IDLE_rx

  • 核心作用：在串口中断中检测空闲标志位，计算接收数据长度，标记接收完成
  • 关键步骤：
    1. 读取 IDLE 标志位，判断是否触发空闲中断
    2. 手动清除 IDLE 标志位，避免重复触发中断
    3. 停止 DMA 传输，防止数据继续写入缓存
    4. 计算实际接收长度：总缓存长度 - DMA 剩余未传输的计数值
    5. 置位接收完成标志位，通知主循环处理数据

7.2 主循环处理函数 app_UART_rx_loop

  • 核心作用：在主循环中轮询接收完成标志位，处理数据并重新开启 DMA 接收
  • 关键逻辑：检测到一帧数据接收完成后，调用数据处理函数，清空标志位，重新开启 DMA，等待下一次数据接收，实现持续的不定长数据接收

7.3 数据处理函数 app_UART_rx_deal

  • 核心作用：自定义串口数据的解析逻辑
  • 默认实现：串口回环，将收到的数据原样发回上位机
  • 可扩展：可在此添加指令解析，比如收到 "ON" 点亮 LED，收到 "OFF" 熄灭 LED 等自定义逻辑

八、实验验证与现象说明

8.1 基础串口回环实验

  1. 编译工程，无报错后下载程序到开发板
  2. 用 USB 转 TTL 模块连接开发板的 USART2 TX/RX 引脚，连接电脑
  3. 打开串口调试助手，配置参数：波特率 115200、8 位数据位、1 停止位、无校验
  4. 在串口调试助手发送框输入任意字符 / 字符串，点击发送
  5. 实验现象：串口调试助手接收区会收到你发送的完全一致的数据，实现不定长数据回环

8.2 附加功能测试

  1. LED 控制：在 main 函数中调用app_write_AL(GPIO_PIN_5, APP_ON);，可点亮对应 LED
  2. 按键读取：在主循环中调用app_read_ASW(GPIOA);，按下按键会返回 APP_ON，可配合 LED 实现按键控制灯效
  3. printf 打印：在代码中直接使用printf("Hello STM32\r\n");，串口调试助手会收到对应的打印内容

九、常见问题排查指南

  1. 串口发送数据后，没有回传数据，中断不触发

    • 排查 1：检查app_UART_IDLE_rx()是否放在USART2_IRQHandler中HAL_UART_IRQHandler之前
    • 排查 2：检查 CubeMX 中是否使能了 USART2 全局中断和 DMA 通道中断
    • 排查 3：检查app_init()是否在 main 函数中正确调用，是否开启了 IDLE 中断和 DMA 接收

  2. 串口收到的数据乱码

    • 排查 1：检查串口调试助手的波特率、数据位、停止位、校验位，与 CubeMX 配置完全一致
    • 排查 2：检查开发板的系统时钟配置是否正确，时钟树无报错
    • 排查 3：检查 USB 转 TTL 模块的接线是否牢固，TX/RX 是否交叉连接

  3. 只能收到第一帧数据，后续数据无法接收

    • 排查 1：检查app_UART_rx_loop()中，是否在处理完数据后重新调用了HAL_UART_Receive_DMA开启下一次接收
    • 排查 2：检查是否正确清空了g_u8app_rx_end_flag和g_u8app_rx_len

  4. printf 函数无法打印，编译报错

    • 排查 1：在 Keil 工程中，点击魔术棒→Target，勾选「Use MicroLIB」
    • 排查 2：检查fputc函数是否正确实现，串口句柄是否正确

  5. 收到的数据长度不对，或只有最后一个字节

    • 排查 1：检查 DMA 配置中，是否勾选了 Memory 的地址自增 Increment Address
    • 排查 2：检查接收缓存数组的长度是否足够，发送的数据长度是否超过了APP_UART_RX_BUFFER_LEN
相关推荐
studyForMokey2 小时前
【跨端技术ReactNative】JavaScript学习
android·javascript·学习·react native·react.js
左左右右左右摇晃2 小时前
TCP三次握手与四次挥手
笔记
Be for thing2 小时前
Android 充电 & BMS 电池管理系统原理与测试实战（手机 / 手表通用）
android·学习·智能手机
是孑然呀2 小时前
【笔记】openclaw+飞书多agent（非群聊方式）
笔记·飞书
财迅通Ai2 小时前
海立股份子公司参展AWE2026 以创新科技赋能行业转型升级
大数据·人工智能·物联网
renhongxia12 小时前
人工智能代理能生成微服务吗？我们离多远了？
人工智能·深度学习·学习·微服务·云原生·架构·机器人
鸽子一号2 小时前
c#之常用的字符串操作
笔记
Kiyra2 小时前
[特殊字符] LeetCode 做题笔记（二）：678. 有效的括号字符串
笔记·算法·leetcode
陈皮糖..2 小时前
Docker Compose 学习之多容器应用编排与运维实践 —— 基于 Nginx+MySQL+Redis 服务栈的部署与管理
运维·redis·学习·mysql·nginx·docker
热门推荐
01GitHub 镜像站点02Qwen3.5 开源全解析：从 0.8B 到 397B，代际升级 + 全场景选型指南03OpenClaw 使用和管理 MCP 完全指南04OpenClaw Control UI安全上下文访问配置05UV安装并设置国内源06OpenClaw macOS 完整安装与本地模型配置教程（实战版）07本地部署 OpenClaw + DeepSeek-R1 完全指南08Openclow安装保姆级教程09Claude Code + GLM4.7 避坑指南：解决 Unable to connect to Anthropic services10让 Trae IDE 智能体 “读懂”文档 Excel+PDF+DOCX ：mcp-documents-reader 工具使用指南