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细说ARM MCU的串口接收数据的实现过程

作者：盐析白兔 | 2024-06-13 11:56:04

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细说ARM MCU的串口接收数据的实现过程

目录

一、硬件及工程

1、硬件

2、软件目的

3、创建.ioc工程

二、 代码修改

1、串口初始化函数MX_USART2_UART_Init()

（1）MX_USART2_UART_Init()串口参数初始化函数

（2）HAL_UART_MspInit()串口功能模块初始化函数

2、串口中断的执行过程

3、启动串口接收中断

4、自动生成main函数

5、启动串口接收函数HAL_UART_Receive_IT()

6、修改main.c函数

7、从定义回调函数 

8、修改while(1)循环

三、下载运行

1、安装串口助手

2、验证串口通讯结果

一、硬件及工程

1、硬件

        本文旨在以实例说明STM32单片机通过串口接收数据的实现过程。本文中使用ST的开发板NUCLEO-G474RE，板上MCU型号为STM32G474RET6。配套的扩展板为作者根据说明书自己设计制造，链接：

2、软件目的

        实例运行后，通过串口通讯助手发送0x10时开发板上的LD2灯亮，其它数据灯灭。

3、创建.ioc工程

        配置GPIO→配置时钟源和DEBUG→配置外部中断→配置串口→配置串口中断→配置系统时钟→build生成。

       将PA4、PA5配置为输出GPIO_Output，PP，Pull up；PC13配置为中断模式GPIO_EXTI13，上升沿触发，用于检测按键B1的状态；PA2、PA3分别配置为串口USART2_TX和USART2_RX；外部时钟；Debug设置为Serial Wire；USART2的基本参数，波特率115200，数据长度8bit，无校验，停止位1；PA4别名BUZ，PA5别名LED，PC13别名KEY；串口中断抢占优先级1，外部中断抢占优先级4；

二、 代码修改

        硬件配置完毕后，启动代码生成，IDE自动将配置好的硬件信息转换成代码。

        自动生成的代码有些需要了解（比如初始化函数），而有些是需要修改的（比如while(1)循环里需要增加的代码，一些注释对里需要增加的代码），还有一些需要重写（比如，重写弱函数）。

1、串口初始化函数MX_USART2_UART_Init()

（1）MX_USART2_UART_Init()串口参数初始化函数

        MX_USART2_UART_Init()函数主要完成对USART2的模式和参数配置，如波特率、数据位、停止位等。因为串口模块要比GPIO复杂，所以配置参数也更多。

  1. /**
  2.   * @brief USART2 Initialization Function
  3.   * @param None
  4.   * @retval None
  5.   */
  6. static void MX_USART2_UART_Init(void)
  7. {
  8.  
  9.   /* USER CODE BEGIN USART2_Init 0 */
  10.  
  11.   /* USER CODE END USART2_Init 0 */
  12.  
  13.   /* USER CODE BEGIN USART2_Init 1 */
  14.  
  15.   /* USER CODE END USART2_Init 1 */
  16.   huart2.Instance = USART2;
  17.   huart2.Init.BaudRate = 115200;
  18.   huart2.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  19.   huart2.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  20.   huart2.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  21.   huart2.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  22.   huart2.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  23.   huart2.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  24.   huart2.Init.OneBitSampling = UART_ONE_BIT_SAMPLE_DISABLE;
  25.   huart2.Init.ClockPrescaler = UART_PRESCALER_DIV1;
  26.   huart2.AdvancedInit.AdvFeatureInit = UART_ADVFEATURE_NO_INIT;
  27.   if (HAL_UART_Init(&huart2) != HAL_OK)
  28.   {
  29.     Error_Handler();
  30.   }
  31.   if (HAL_UARTEx_SetTxFifoThreshold(&huart2, UART_TXFIFO_THRESHOLD_1_8) != HAL_OK)
  32.   {
  33.     Error_Handler();
  34.   }
  35.   if (HAL_UARTEx_SetRxFifoThreshold(&huart2, UART_RXFIFO_THRESHOLD_1_8) != HAL_OK)
  36.   {
  37.     Error_Handler();
  38.   }
  39.   if (HAL_UARTEx_DisableFifoMode(&huart2) != HAL_OK)
  40.   {
  41.     Error_Handler();
  42.   }

        MX_USART2_UART_Init()自动生成于main.c中；

        该函数内部出现的HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart)在stm32g4xx_hal_uart.c中。

（2）HAL_UART_MspInit()串口功能模块初始化函数

        对于串口来说，针对引脚等参数的配置，是在文件stm32g4xx_hal_msp.c中。msp是MCU support package的缩写，指的是MCU相关的支持包。关于串口有3个支持包：

  1. HAL_MspInit(void)
  2. HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
  3. HAL_UART_MspDeInit(UART_HandleTypeDef *huart)

        由函数名可见，其中都带有MspInit字样。这类函数的作用是进行MCU功能模块（譬如串口、定时器、ADC等）的初始化。在固件库中，通常是采用这种方式将MCU的模块初始化代码集中起来，以方便代码在不同型号的MCU上移植。

        上述函数中，第一个是初始化全局Msp。后面两个函数的参数完全一样，函数名也很类似；区别是后一个函数名中多了两个字母“De”，是Default的缩写。

        HAL_UART_MspInit()函数可以对串口硬件初始化、配置引脚模式以及设置中断优先级并使能中断，与对GPIO进行初始化的MX_GPIO_Init()函数所完成的功类似。

        HAL_UART_MspDeInit()函数可以把串口复位成初始值，关闭串口并关闭串口中断。

        HAL_UART_MspInit()函数是由函数HAL_UART_Init()（在stm32g4xx_hal_uart.c文件中定义）调用的。而HAL_UART_Init()是由MX_USART2_UART_Init()函数调用的（在if语句的条件表达式中调用）。

2、串口中断的执行过程

        由于配置了串口的中断功能，所以当中断发生后就会调用相应的中断服务函数来完成一定的任务。

  1. void HAL_UART_IRQHandler(UART_HandleTypeDef *huart)
  2. {
  3.     ... ...
  4.     /*if no error occurs */
  5.     errorflags = (isrflags & (uint32_t）(USART_ISR_PE|USART_ISR_FE|USART_ISR_ORE|USART_ISR_NE));
  6.     if(errorflags == 0U)
  7.     {
  8.         /*------UART in mode Receiver-------*/
  9.         if(((isrflags & USART_ISR_RXNE_RXFNE) != 0U) && (((crlits & USART_CR1_RXNEIE_RXFNEIE) != 0U)||((cr3its & USART_CR3_RXFTIE) != 0U)))
  10.         {
  11.             if(huart->RxISR != NULL)
  12.             {
  13.                 huart->RxISR(huart);
  14.             }
  15.         return;
  16.         }
  17.     }
  18. ... ...
  19. }

        当程序执行到huart →RxISR(huart)时，会调用UART_RxISR_8BIT()函数（如果配置数据字长为7位或8位，则调用此函数；如果数据字长为9位，则会调用另一函数UART_RxISR_16BIT），并且在该函数中会调用回调函数HAL_UART_RxCpltCallback()。这个回调函数是在stm32g4xx_hal_ uart.c中定义的弱函数。用户需要重写该函数，可以写在main.c中。

3、启动串口接收中断

        在使用中断之前，还要用到函数HAL_UART_Receive_IT()。该函数的格式如下：

HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart,uint8_t *pData,uint16_t Size)

        该函数是给将要接收的数据定义一个缓冲区pData，并指定接收数据的长度为Size（也就是要接收的字节数）。这个Size决定了调用回调函数的频率。如果Size大于1，则不会每次中断都调用回调函数，而是到Size次之后，才会再调用一次回调函数。此外，这个函数还有开启接收中断的功能，所以需要在main函数的初始化代码中调用一次HAL_UART_Receive_IT()函数。这样就可以确保开启接收中断。在执行一次回调函数时，接收中断会关闭，所以还需要再次开启接收中断。这个再次开启中断的动作，也可以在回调函数中通过调用HAL_UART_Receive_IT()函数来实现。

4、自动生成main函数

        完成上面的硬件配置，并自动生成代码后，然后在main.c中的初始化部分调用HAL_UART_ Receive _IT()函数设置参数并开启接收中断，然后写回调函HAL_UART_RxCpltCallback()，以便对接收的数据进行处理。删除了一些注释对。

  1. #include "main.h"
  2. UART_HandleTypeDef huart2;
  3. /* USER CODE BEGIN PV */
  4. /* USER CODE END PV */
  5. void SystemClock_Config(void);
  6. static void MX_GPIO_Init(void);
  7. static void MX_USART2_UART_Init(void);
  8. int main(void)
  9. {
  10.     HAL_Init();
  11.     SystemClock_Config();
  12.     MX_GPIO_Init();
  13.     MX_USART2_UART_Init();
  14.     /* USER CODE BEGIN 2 */
  15.     /* USERCODE END 2 */
  16.     while(1)
  17.     {
  18.     }
  19. }

        main函数中出现了一个串口初始化函数MX_USART2_UART_Init()。此外，在main.c中，首先定义了一个全局变量huart2，类型为UART_HandleTypeDef。huart2是一个结构体变量，通常也称为串口句柄。这个结构体是关于UART的，它的成员有很多，有的成员本身也是结构体类型。这个结构体有些复杂。在串口初始化函数MX_USART2_UART_Init中，使用了huart2变量。

  1. static void MX_USART2_UART_Init(void)
  2. {
  3.     huart2.Instance = USART2;
  4.     huart2.Init.BaudRate = 115200;
  5.     huart2.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  6.     huart2.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  7.     huart2.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  8.     huart2.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  9.     huart2.Init.HwFlowCtl =UART_HWCONTROL_NONE;
  10.     ... ...
  11. }

        由此可见，在MX_USART2_UART_Init函数中，第一句huart2.Instance =USART2,就将前面配置的USART2与结构体变量huart2关联了起来。

5、启动串口接收函数HAL_UART_Receive_IT()

        要实现串口接收中断，需要在主程序的初始化代码中调用HAL_UART_Receive_IT()函数。该函数的结构如下：

HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart,uint8_t *pData,uint16_t Size)

        该函数有三个参数，第一个参数的类型就是UART_HandleTypeDef，所以要将该参数与USART2关联起来。因此，HAL_UART_Receive_IT()函数的调用要可将该函数放到MX_USART2 _UART_Init()函数之后的注释对中。

        HAL_UART_Receive_IT()函数的第二个参数是设置接收数据的缓冲区，可以定义一个长度为RXBUFFERSIZE的数组RxBuffer [RXBUFFERSIZE]，当然这个数组以及RXBUFFERSIZE都需要另外定义（后面会将它们定义为全局变量）。

        HAL_UART_Receive_IT()函数的第三个参数用于指定接收数据的长度，这个数据长度可以与接收缓冲区的长度相同，即RXBUFFERSIZE。

        将RxBuffer[RXBUFFERSIZE]定义为全局变量（需要放到注释对中），并将对HAL_UART_ Receive_IT()函数的调用放置到MX_USART2_UART_Init()语句之后的注释对/* USER CODE BEGIN 2 */与/* USER CODE END 2 */中。

6、修改main.c函数

  1. #include "main.h"
  2. UART_HandleTypeDef huart2;
  3. /* USER CODE BEGIN PV */
  4. /* 直接使用了变量RXBUFFERSIZE */
  5. uint8_t RxBuffer[RXBUFFERSIZE];
  6. /* USER CODE END PV */
  7. /*Private function prototypes */
  8. void SystemClock_Config(void);
  9. static void MX_GPIO_Init(void);
  10. static void MX_USART2_UART_Init(void);
  11. int main(void)
  12. {
  13.     HAL_Init();
  14.     SystemClock_Config();
  15.     MX_GPIO_Init();
  16.     MX_USART2_UART_Init();
  17.     /* USER CODE BEGIN2 */
  18.     HAL_UART_Receive_IT(&huart2,(uint8_t*)RxBuffer,RXBUFFERSIZE);
  19.     /* USER CODE END2 */
  20.     while(1)
  21.     {
  22.     }
  23. }

        上面直接使用了变量RXBUFFERSIZE。对该变量的定义可以放到main.h头文件中，可以用define宏（也需放置到注释对中）：

  1. /* USER CODE BEGIN Private defines */
  2. #define RXBUFFERSIZE 1 //接收缓冲区的长度
  3. /* USER CODE END Private defines */

        将RXBUFFERSIZE定义为1，也就是1字节。

7、从定义回调函数 

        重定义串口中断接收的回调函数HAL_UART_RxCpltCallback()。这个函数已经在stm32g4xx_ hal_uart.c中有定义，只不过被定义为弱函数，实际就是一个空函数。需要重写它。与写EXTI的回调函数类似，也将该函数写在main.c中。

        串口有数据送来，会执行中断服务函数USART2_IRQHandler()，然后该函数又会调用函数HAL_UART_IRQHandler()。调用一定次数的HAL_UART_IRQHandler()函数后，就会自动执行回调函数HAL_UART_RxCpltCallback()。这里的“一定次数”是由HAL_UART_Receive_IT()函数的第三个参数决定的，也就是前面在主程序中用到的常量RXBUFFERSIZE。由于把RXBUFFERSIZE定义为1，所以串口收到1字节的数据后，会调用一次回调函数HAL_UART_RxCpltCallback()。当调用回调函数之时，1字节的数据已经放到了接收缓冲区中，也就是放到前面定义的数组RxBuffer中。 

        调用HAL_UART_Receive_IT()函数，不但实现了定义缓冲区并设置接收数据长度的功能，而且还有开启串口中断接收的功能。因此，在接收完指定长度的数据之后，需要重新开启接收中断的功能，否则后面就不会再进入中断了。可以在回调函数HAL_UART_RxCpltCallback()中调用一下HAL_UART_Receive_IT()函数，重新开启接收中断。对该函数的调用，可以连同EXTI的回调函数HAL GPIO_EXTI_Callback()一起写在main.c后面的注释对中：

  1. /*USER CODE BEGIN 4 */
  2. void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
  3. {
  4.     HAL_UART_Receive_IT(&huart2,(uint8_t *)RxBuffer,RXBUFFERSIZE);
  5. }
  6. void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
  7. {
  8.     HAL_GPIO_WritePin(BUZ_GPIO_Port,BUZ_Pin,GPIO_PIN_RESET);
  9.     HAL_Delay(100);	//延时
  10.     HAL_GPIO_WritePin(BUZ_GPIO_Port,BUZ_Pin,GPIO_PIN_SET);
  11. }
  12. /*USER CODE END 4 */

        在EXTI的回调函数中使用了中断的方式实现：当按键按下时，让蜂鸣器响一声。

8、修改while(1)循环

        根据串口送来的数据，控制发光二极管的亮灭。当接收到的数据为0x10（十六进制）时，点亮LD2；当接收到的数据不是0x10时，熄灭LD2。

  1. /*USER CODE BEGIN WHILE */
  2. while(1)
  3. {
  4.     /*USER CODE BEGIN 3 */
  5.     if(RxBuffer[0] == 0x10)
  6.     HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port,LED_Pin,GPIO_PIN_SET);
  7.     else
  8.     HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port,LED_Pin,GPIO_PIN_RESET);
  9. }
  10. /*USER CODE END 3 */

三、下载运行

1、安装串口助手

        好用的 Win10 串口调试助手 + 网口调试 - 知乎  https://zhuanlan.zhihu.com/p/109941792?eqid=a328954a0002e745000000066477efb6&utm_id=0

2、验证串口通讯结果

        开启串口通讯，发送0x10，开大坂上的LD2亮，发送其它内容，比如0x20，LD2灭。

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