代码收藏家技术教程 2024-11-03

【STM32】CUBEMX之串口：串口三种模式（轮询模式、中断模式、DMA模式）的配置与使用

在 STM32 中，串口（USART/UART）是非常常用的通信接口之一。STM32 支持多种串口通信模式，包括轮询模式、中断模式和 DMA 模式。本文将通过 CUBEMX 配置 STM32 的串口，并演示如何在这三种模式下进行通信。

1. STM32 串口基础

1.1 串口简介

串口通信是一种常见的异步通信协议，通常用于微控制器与外部设备（如电脑、传感器、模块）之间的数据传输。STM32 的串口外设既可以支持全双工通信，也可以支持半双工通信。

1.2 串口通信的基本参数

配置串口时需要设置以下基本参数：

波特率（Baud Rate）：数据传输速率，常用的值有 9600、115200 等。

数据位（Data bits）：一般为 8 位。

停止位（Stop bits）：用于同步通信，常用值为 1 位或 2 位。

校验位（Parity）：可选项，用于检测传输中的错误，常用值为无校验（None）、偶校验（Even）和奇校验（Odd）。

流控制（Flow Control）：可选项，用于控制数据流量，常用值为无流控制、硬件流控制（RTS/CTS）。

2. 三种模式简介

STM32 的串口通信有三种模式：

轮询模式：通过查询数据寄存器来实现数据的发送与接收。简单但占用 CPU 资源。

中断模式：通过中断机制实现数据接收和发送，减少了 CPU 的占用率。

DMA 模式：通过直接内存访问控制器（DMA）自动完成数据传输，大大减轻了 CPU 的负担，适用于大数据量传输场景。

3. CUBEMX 串口配置

3.1 基本配置

创建项目：打开 CUBEMX，新建项目并选择使用的 STM32 芯片型号。
启用串口：在 “Pinout & Configuration” 界面中，找到并启用 USART1（或其他串口）。这会自动分配 TX 和 RX 引脚。
配置串口参数：在 “Configuration” 界面，点击 USART1 进行参数设置，如下所示：
Baud Rate: 115200
Word Length: 8 Bits
Stop Bits: 1 Stop Bit
Parity: None
Hardware Flow Control: None
Mode: Asynchronous

3.2 模式选择

根据不同的使用场景，我们可以选择不同的工作模式：

轮询模式：无需额外设置，直接调用 HAL 函数。

中断模式：在 Configuration 中，启用 “NVIC Settings” 下的 USART 中断。

DMA 模式：启用 USART 的 DMA 选项，设置传输方向为 Memory To Peripheral（发送）或 Peripheral To Memory（接收）。

4. 轮询模式代码实现

轮询模式下，发送与接收数据需要不断查询串口状态，并使用 HAL_UART_Transmit 和 HAL_UART_Receive 函数。

#include "stm32f4xx_hal.h"

UART_HandleTypeDef huart1;

void SystemClock_Config(void);
void MX_USART1_UART_Init(void);

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_USART1_UART_Init();

    uint8_t tx_data[] = "Hello, USART Polling Mode!\r\n";
    uint8_t rx_data[10] = {0};

    while (1) {
        // 轮询发送数据
        HAL_UART_Transmit(&huart1, tx_data, sizeof(tx_data) - 1, HAL_MAX_DELAY);
        
        // 轮询接收数据
        HAL_UART_Receive(&huart1, rx_data, sizeof(rx_data), HAL_MAX_DELAY);

        // 根据接收到的数据进行处理
        HAL_Delay(1000);
    }
}

void MX_USART1_UART_Init(void) {
    huart1.Instance = USART1;
    huart1.Init.BaudRate = 115200;
    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    HAL_UART_Init(&huart1);
}

优点：

实现简单，无需额外的中断或 DMA 设置。

缺点：

占用 CPU 资源较多，不适合高频数据传输。

5. 中断模式代码实现

中断模式可以减少 CPU 负担。当数据接收完成时，触发中断，并在中断回调函数中处理数据。

5.1 中断初始化

首先，在 CUBEMX 中启用 USART1 的中断功能。接着编写代码。

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    if (huart->Instance == USART1) {
        // 接收完成回调函数
        HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)"Data received\r\n", 15, HAL_MAX_DELAY);
        // 重新启用接收中断
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, rx_data, sizeof(rx_data));
    }
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_USART1_UART_Init();

    uint8_t tx_data[] = "Hello, USART Interrupt Mode!\r\n";
    uint8_t rx_data[10] = {0};

    // 启用接收中断
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, rx_data, sizeof(rx_data));

    while (1) {
        HAL_UART_Transmit(&huart1, tx_data, sizeof(tx_data) - 1, HAL_MAX_DELAY);
        HAL_Delay(1000);
    }
}

5.2 中断回调函数

当接收到数据时，STM32 会触发 HAL_UART_RxCpltCallback 回调函数。我们可以在该函数中对接收的数据进行处理，并重新启用中断。

优点：

有效减少 CPU 资源的占用，响应速度快。

缺点：

需要处理较为复杂的中断优先级和回调机制。

6. DMA 模式代码实现

DMA 模式用于大批量数据的传输，通过 DMA 控制器将数据自动传输到内存或外设，无需 CPU 介入，适合长时间、大数据传输场景。

6.1 DMA 初始化

在 CUBEMX 中启用 DMA 功能，并配置 DMA 通道。然后在代码中进行 DMA 的初始化与使用。

void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    if (huart->Instance == USART1) {
        // 发送完成回调
        HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)"DMA Transmit Complete\r\n", 23, HAL_MAX_DELAY);
    }
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_USART1_UART_Init();

    uint8_t tx_data[] = "Hello, USART DMA Mode!\r\n";
    uint8_t rx_data[10] = {0};

    // 使用 DMA 发送数据
    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, tx_data, sizeof(tx_data) - 1);

    // 使用 DMA 接收数据
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rx_data, sizeof(rx_data));

    while (1) {
        HAL_Delay(1000);  // 主循环中不需要频繁处理数据
    }
}