串口中断收发定长数据

2023-05-16

一、实验设计效果

配置串口助手波特率为115200，传输数据长度为8 Bit，无奇偶校验位，1个停止位；
通过串口助手向MCU发送指定长度的字符串，MCU接收到指定长度的字符串后，回发给串口助手；

二、硬件工作原理和原理图

我们使用的正点原子STM32F103RB NANO开发板上将USART1(引脚为PA9,PA10)接出

USART1并没有在PCB上连接在一起，需要通过跳线帽来连接一下。这里我们把 P5 的 RXD 和 TXD 用跳线帽与 PA9 和 PA10 连接起来。

信号传输：串口 —— 调试器 —— USB ——电脑

三、实验记录

完成 CubeMX初始化配置 → 生成初始化HAL库工程 →在keli中编写串口程序

1. 完成 CubeMX初始化配置

1.1 利用CubeMX完成HAL库工程模板和初始化:

通过选择芯片型号创建CubeMX工程

在弹出的对话框中输入开发板上的芯片型号，STM32F103RB

在右侧筛选栏中选择Tx型，即开发板上芯片所用的LQFP64型封装，双击建立工程

1.2 RCC模块引脚的配置

在弹出的工程配置对话框中的第一个引脚配置选项卡下，先完成RCC时钟模块引脚配置：

选择启用外部的高速和低速时钟源，HSE和LSE，配置为晶振连接；

配置完成后，对应时钟引脚变绿，同时旁边出现其将要配置模式的文字说明；

1.3 串口的配置

在侧边栏的通信外设中选择USART1
在串口下拉框出选择异步（Asynchronous)，成功后可以看到对应的串口引脚RX(接收引脚)，TX(发送引脚)变绿。
选择下方的Parameter Settings选项卡确认串口参数。设置波特率为115200，传输数据长度为8 Bit，无奇偶校验位，1个停止位，数据方向（Data Direction）为接收和发送（Receive and Transmit）

在NVIC Settings选项卡下，开启串口中断，如需调整中断优先级可在右侧修改

1.4 完成时钟配置：

我们前面启用了RCC时钟模块的外部时钟引脚，这里我们需要将外部时钟源配置为实际使用的频率；

查看手册可知：LSE为32.768KHz，HSE为8MHz；

点击上方的时钟配置选项卡，进入时钟配置界面；

前面启用了外部晶振源，这里检查修改HSE\LSE的频率，和实际一致；

在主频选择框中输入72MHz，然后按回车OK；

系统将自动将时钟源、时钟流向、PLL等配置好，以产生相应的主频；

1.5 创建生成工程

2、UART模块HAL初始化代码及API带读

2.1 串口的初始化

1）打开main.c 文件，在硬件外设初始化位置，可以看到串口的初始化函数，MX_USART1_UART_Init();

2）MX_USART1_UART_Init()解析

3）HAL_UART_Init() 解析

函数前面部分位参数检验等次要内容，主要工作是完成串口的物理层和协议层配置，分别调用HAL_UART_MspInit(huart) 和 UART_SetConfig(huart) 完成；

4）HAL_UART_MspInit() 解析

5）总结

2.2 串口中断和回调函数

1）同外部中断一样，使能串口中断后，相应串口中断的ISR也出现在stm32f1xx_it.c中

理论部分中提到，STM32串口有多个中断源，所以进入后，首先要判断当前进入中断的触发源是哪个

中断事件	事件标志	使能控制位
发送数据寄存器为空	TXE	TXEIE
CTS 标志	CTS	CTSIE
发送完成	TC	TCIE
准备好读取接收到的数据	RXNE	RXNEIE
检测到上溢错误	ORE	RXNEIE
检测到空闲线路	IDLE	IDLEIE
奇偶校验错误	PE	PEIE
断路标志	LBD	LBDIE
多缓冲通信中的噪声标志、上溢错误和帧错误	NF/ORE/FE	EIE

2）HAL_UART_IRQHandler解析

在HAL_UART_IRQHandler中无非是三件事，判断是由什么中断响应的，有错误则处理，响应要调用接收或者发送处理函数

在本例中，我们发送使用轮询方式，而接收使用中断方式。UART每接收到一个字节都会触发串口ISR，并运行至2#处执行UART_Receive_IT(huart)。

3）UART_Receive_IT 解析

UART_Receive_IT 分为两部分：

一、判断UART是否忙碌，及有无完成定长数据的接收（由预设接收长度和实际接收长度确定）；如还未完成，则根据是8位还是16位模式，自动将数据搬运至内存的对应位置，并更新数据接收相关状态参数；

/**
  * @brief  Receives an amount of data in non blocking mode
  * @param  huart  Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains
  *                the configuration information for the specified UART module.
  * @retval HAL status
  */
static HAL_StatusTypeDef UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  uint8_t  *pdata8bits;
  uint16_t *pdata16bits;

  /* Check that a Rx process is ongoing */
  if (huart->RxState == HAL_UART_STATE_BUSY_RX)
  {
    if ((huart->Init.WordLength == UART_WORDLENGTH_9B) && (huart->Init.Parity == UART_PARITY_NONE))
    {
      pdata8bits  = NULL;
      pdata16bits = (uint16_t *) huart->pRxBuffPtr;
      *pdata16bits = (uint16_t)(huart->Instance->DR & (uint16_t)0x01FF);
      huart->pRxBuffPtr += 2U;
    }
    else
    {
      pdata8bits = (uint8_t *) huart->pRxBuffPtr;
      pdata16bits  = NULL;

      if ((huart->Init.WordLength == UART_WORDLENGTH_9B) || ((huart->Init.WordLength == UART_WORDLENGTH_8B) && (huart->Init.Parity == UART_PARITY_NONE)))
      {
        *pdata8bits = (uint8_t)(huart->Instance->DR & (uint8_t)0x00FF);
      }
      else
      {
        *pdata8bits = (uint8_t)(huart->Instance->DR & (uint8_t)0x007F);
      }
      huart->pRxBuffPtr += 1U;
    }

如果接收完定长数据（--huart->RxXferCount == 0U），则除能所有串口接收中断。然后再根据空闲接收模式和一般接收模式进行处理；本例中我们使用的是一般接收模式，则会执行串口接收完成的回调函数HAL_UART_RxCpltCallback(huart);

 if (--huart->RxXferCount == 0U)
    {
      /* Disable the UART Data Register not empty Interrupt */
      __HAL_UART_DISABLE_IT(huart, UART_IT_RXNE);

      /* Disable the UART Parity Error Interrupt */
      __HAL_UART_DISABLE_IT(huart, UART_IT_PE);

      /* Disable the UART Error Interrupt: (Frame error, noise error, overrun error) */
      __HAL_UART_DISABLE_IT(huart, UART_IT_ERR);

      /* Rx process is completed, restore huart->RxState to Ready */
      huart->RxState = HAL_UART_STATE_READY;

      /* Check current reception Mode :
         If Reception till IDLE event has been selected : */
      if (huart->ReceptionType == HAL_UART_RECEPTION_TOIDLE)
      {
        /* Set reception type to Standard */
        huart->ReceptionType = HAL_UART_RECEPTION_STANDARD;

        /* Disable IDLE interrupt */
        CLEAR_BIT(huart->Instance->CR1, USART_CR1_IDLEIE);

        /* Check if IDLE flag is set */
        if (__HAL_UART_GET_FLAG(huart, UART_FLAG_IDLE))
        {
          /* Clear IDLE flag in ISR */
          __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(huart);
        }

#if (USE_HAL_UART_REGISTER_CALLBACKS == 1)
        /*Call registered Rx Event callback*/
        huart->RxEventCallback(huart, huart->RxXferSize);
#else
        /*Call legacy weak Rx Event callback*/
        HAL_UARTEx_RxEventCallback(huart, huart->RxXferSize);
#endif
      }
      else
      {
       /* Standard reception API called */
#if (USE_HAL_UART_REGISTER_CALLBACKS == 1)		  
       /*Call registered Rx complete callback*/
       huart->RxCpltCallback(huart);
#else
       /*Call legacy weak Rx complete callback*/
       HAL_UART_RxCpltCallback(huart);
#endif /* USE_HAL_UART_REGISTER_CALLBACKS */
      }

4）HAL_UART_RxCpltCallback 串口接收完成回调函数

和前面的外部中断回调函数 HAL_GPIO_EXTI_Callback 一样，是一个弱定义的占位空函数，使用需要我们自己重写一个同名的函数，来完成串口接收完成后的响应内容；

5）接收完成中断流程图：

这里，我们再把串口接收中断的一般流程进行概括：当接收到一个字符之后，就会触发串口接收中断，在函数UART_Receive_IT中会把数据保存在串口句柄的成员变量pRxBuffPtr缓存中，同时RxXferCount 计数器减 1。如果我们设置RxXferSize=10，那么当接收到 10 个字符之后， RxXferCount 会由10 减到 0（ RxXferCount 初始值等于 RxXferSize），这个时候再调用接收完成回调函数 HAL_UART_RxCpltCallback 进行处理。

2.3 串口HAL库相关API简介

在stm32f1xx_hal_uart.c文件中：

1）HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit：串口发送函数

/**
  * @brief  Sends an amount of data in blocking mode.
  * @note   When UART parity is not enabled (PCE = 0), and Word Length is configured to 9 bits (M1-M0 = 01),
  *         the sent data is handled as a set of u16. In this case, Size must indicate the number
  *         of u16 provided through pData.
  * @param  huart Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains
  *               the configuration information for the specified UART module.
  * @param  pData Pointer to data buffer (u8 or u16 data elements).
  * @param  Size  Amount of data elements (u8 or u16) to be sent
  * @param  Timeout Timeout duration
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)
//STM32F1 的发送与接收是通过数据寄存器 USART_DR 来实现的，这是一个双寄存器，包含了 TDR 和 RDR。
当向该寄存器写数据的时候，串口就会自动发送，当收到数据的时候，也是存在该寄存器内。
通过该函数向串口寄存器 USART_DR 写入一个数据。
以阻止模式发送大量数据。
第一个参数：huart 指向包含指定 UART 模块的配置信息的UART_HandleTypeDef结构。
第二个参数：pData 指针指向数据缓冲区（传进的是用户定义的存储发送数据的变量）
第三个参数：Size 要发送的数据元素量（u8 或 u16）
第四个参数：Timeout 超时持续时间
返回 HAL 状态

2）HAL_UART_Receive: 串口接收函数

参数列表和发送函数类似

判断是否忙-->锁住-->标记接收忙-->获取tick计数，判断是否超时

-->赋值RxXferCount有多少数据要接收-->每次从DR内获取一个Byte存在pData指向的空间

uint32_t tickstart = 0U;
 
if (huart->RxState == HAL_UART_STATE_READY)  /* Check that a Rx process is not already ongoing */
  {
    __HAL_LOCK(huart);    /* Process Locked */
 
    huart->ErrorCode = HAL_UART_ERROR_NONE;
    huart->RxState = HAL_UART_STATE_BUSY_RX;
 
    tickstart = HAL_GetTick();
 
    huart->RxXferSize = Size;
    huart->RxXferCount = Size;
 
 
    while (huart->RxXferCount > 0U)
    {
      huart->RxXferCount--;
      if (UART_WaitOnFlagUntilTimeout(huart, UART_FLAG_RXNE, RESET, tickstart, Timeout) != HAL_OK)
            return HAL_TIMEOUT;
      *pData++ = (uint8_t)(huart->Instance->DR & (uint8_t)0x00FF);
      }
}
 
    huart->RxState = HAL_UART_STATE_READY;
    __HAL_UNLOCK(huart);

3）HAL_UART_Receive_IT

只是配置了一下参数，并没有做任何处理；

配置存储在pData指向位置、空间大小RxXferSize 、接收计数RxXferCount ； 接收状态忙；确保使能接收中断

那么当有数据来的时候，依靠中断函数来处理，并更新句柄中的相应状态。

/* Check that a Rx process is not already ongoing */
  if (huart->RxState == HAL_UART_STATE_READY)
  {
    __HAL_LOCK(huart);    /* Process Locked */
    huart->pRxBuffPtr = pData;
    huart->RxXferSize = Size;
    huart->RxXferCount = Size;
    huart->ErrorCode = HAL_UART_ERROR_NONE;
    huart->RxState = HAL_UART_STATE_BUSY_RX;
    __HAL_UNLOCK(huart);    /* Process Unlocked */
 
    /*Error Interrupt */
    __HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_PE);
    __HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_ERR);
 
    /* Enable the UART Data Register not empty Interrupt */
    __HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_RXNE);
 
    return HAL_OK;
    }

3、程序编写

3.1 定义发送和接收缓冲区

这里可以对 LENGTH 常数宏进行修改，快速配置接收缓冲区字符长度；

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
#define LENGTH 14
uint8_t hello[] = "USART1 is ready...\r\n";
uint8_t recv_buf[LENGTH] = {0};
/* USER CODE END 0 */

3.2 修改main函数

在main函数中首先使用 HAL_UART_Transmit 轮询方式发送hello数组内的提示信息，然后开启串口中断接收定长字符，这里，HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t*)recv_buf, 13); 准备以中断方式接收13个字符，存入字符型数组recv_buf中。

/* Initialize all configured peripherals */
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    /* USER CODE BEGIN 2 */
    //发送提示信息
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)hello, sizeof(hello), 0xffff);
    //使能串口中断接收
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t*)recv_buf, LENGTH);
    /* USER CODE END 2 */

    /* Infinite loop */
    /* USER CODE BEGIN WHILE */
    while (1)
    {
        /* USER CODE END WHILE */

        /* USER CODE BEGIN 3 */
    }

3.3 重新实现接收中断回调函数

在HAL中弱定义了一个中断回调函数HAL_UART_RxCpltCallback， 当调用HAL_UART_Receive_IT启动串口中断接收，在UART接收到足够的字节后就会自动调用该函数，我们需要在用户文件中重新定义该函数，放在哪都可以，这里我放在 main.c 中：

/* USER CODE BEGIN 4 */
/* 中断回调函数 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    /* 判断是哪个串口触发的中断 */
    if(huart ->Instance == USART1)
    {
        //将接收到的数据发送
        HAL_UART_Transmit_IT(huart, (uint8_t*)recv_buf, LENGTH);
        //重新使能串口接收中断
        HAL_UART_Receive_IT(huart, (uint8_t*)recv_buf, LENGTH);
    }
}
/* USER CODE END 4 */

4、烧录程序，并用串口助手观察实验现象

4.1 keli中的一些配置

后面直接编译烧录就行了

4.2 串口助手的使用：

通过USB连接上电脑，可在设备管理器中查询到单片机连接被分配的端口号，这里是COM4；

打开串口调试助手，我这里用的是XCOM V2.2；
根据前面查询到的端口号，选择串口；
根据程序里对串口控制器的配置选择串口协议设置；
XCOM 串口调试助手的其他部分功能可见下图；

4.3 串口定长收发实验的现象

烧录完按下复位键运行程序，串口助手接收屏上显示初始化后的发送的欢迎信息：

此时串口中断接收定长的14字节已经使能，通过发送框往MCU发送字符将被存入缓冲数组中；
满14个字符将触发接收完成中断，而在接收完成中断中，将会把接收到的缓冲数组中的字符重新发到串口助手上；

如勾选了发送新行，则每次发送会自动增加\r\n两个输出格式字符，效果如下

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