【STM32CubeMX串口通信详解】USART1 -- DMA发送 + DMA空闲中断接收不定长数据

文章目录：

前言

一、准备工作

1、接线

2、新建工程

二、CubeMX的配置

1、USART1 配置异步通信

2、通信协议参数

3、打开DMA发送、接收

三、发送操作、代码解释

四、printf 重定向到USART1

五、接收代码的编写

1、定义一个结构体变量：存放接收的字节数、数据

2、开启DMA，让硬件自动接收数据

3、重写DMA空闲中断回调函数

4、接收的使用示范

前言

本篇，详细地用截图解释 CubeMX对USART1 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。

这里不讲解串口通信原理，但通信配置、操作的图解过程比较详细，因此，全文的阅读，会有点费时间，全程需要15分钟左右。

如有错漏，欢迎指正。

新手先行扫盲：超简单的串口通讯的工作原理！

一、准备工作

1、接线

目前绝大部分的开发板，都板载了USB转TTL，用于与电脑通信，方便输出调试信息。

虽然各家使用的转换芯片各有不同，如CH340、CP2102等，但是使用上是一致的。

开发板的USB转TTL的电路，大家已约定俗成，基本使用：USART1，TX-PA9， RX-PA10。

本篇操作，通用STM32绝大部分芯片，因为CubeMX本就为跨芯片而生！

2、新建工程

为了减少篇幅长度，我们使用之前已建立的工程：GPIO--推挽输出模式点亮LED灯。

复制它整个文件夹、重新修改文件夹名称，如：USART1 -- 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。

传送门：

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

二、CubeMX的配置

倘若使用标准库进行串口的DMA收发编写，那是相当耗时的，需要不断调试排错。

现在有了CubeMX, 配置过程极度的简便，只需三项选择，1分钟也用不了。

我们先打开CubeMX配置文件。

1、USART1 配置异步通信

在选择异步通信后，将会使用默认引脚：TX-PA9, RX-PA10.

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USART1的常用配置：115200-None-8-1。

下图中，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、打开DMA发送、接收

如图操作：DMA Settings / ADD / Select / 添加："USART_RX" + “USART_TX";

网上很多教程，只使用了USART_RX。

除非，TX所用的DMA通道，已被其它设备占用了，否则，干它！

添加完成后的状态：

4、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。

但是默认配置：不打开上下拉。这会使引脚在悬空时，电平不确定，容易产生误接收。

我们把RX接收引脚，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。

中断配置，默认就行。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都已帮我们编写好了，发送部分的底层处理、逻辑，CubeMX也编写好了。

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：

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：

    /* 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。

四、printf 重定向到USART1

约定俗成地，常使用printf函数，输出一些调试信息。它能很灵活地控制输出字符串的格式。

约定俗成地，printf 常通过 USART1 输出数据到串口助手，而非USART2、3...。

要使用 printf ，需要做两个事：

① 在文件头，插入： #include "stdio.h" ;

② 重定向 printf, 使它能通过 USART1 输出。

把下面代码，复制到 main.c的 BEGIN 4 与 END 4 注释行之间，即可使用。

无需打勾“Use MicroLIB"。

#include <stdio.h>
#pragma import(__use_no_semihosting)

struct __FILE
{
    int handle;
};                                                         // 标准库需要的支持函数

FILE __stdout;                                             // FILE 在stdio.h文件
void _sys_exit(int x)
{
    x = x;                                                 // 定义_sys_exit()以避免使用半主机模式
}

int fputc(int ch, FILE *f)                                 // 重写fputc函数，使printf的输出由UART1实现,  这里使用USART1
{
    // 注意，不能使用HAL_UART_Transmit_IT(), 机制上会冲突; 因为调用中断发送函数后，如果上次发送还在进行，就会直接返回！它不会继续等待，也不会数据填入队列排队发送
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0x02);   // 使用HAL_UART_Transmit，相等于USART1->DR = ch, 函数内部加了简单的超时判断(ms)，防止卡死
    return ch;
}

现在，试试我们的 printf 输出效果：

在刚才敲入代码的位置，在3个发送函数之前，添加一行printf, 尝试输出系统运行时钟的值。

整体如下:

    /* USER CODE BEGIN 2 */
    /* 用户代码，必须写在配对的BEGIN与END之间 */
    printf("\r系统运行时钟：%d MHz\r", SystemCoreClock/1000000);             // 发送方式1：使用printf发送，它有灵活的格式化，很适合处理字符串; 注意：printf需要重定向fputc函数才能使用，否则程序会卡死; 本示例已重写fputc, 在main.c的底部附近 
    
    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 */

串口助手的输出效果，如下图，能正常输出了！

然后，我们来试个错，把printf这行，剪切到3个发送函数之下。再编译，烧录运行。

怎样，没有输出了吧？！

原因、解决的方法，如上面发送函数所述，不再重述。

上述3个函数，小编在测试时发现，还有两三处暂时没理解透的现象，但是发生的场景较少，这里就先不啰嗦了，等以后有更深入的理解时，再更新上来。

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：

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

① 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。

/* 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。

② 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。

/* 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：

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：

/* 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：

        ①  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。

② memset(xUSART1.ReceivedData, 0, sizeof(xUSART1.ReceivedData));
清0前一帧的数据缓存

        ③ 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。

④ 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 */