玩轉(zhuǎn) STM32 單片機(jī)，肯定離不開(kāi)串口。串口使用一個(gè)稱為串行通信協(xié)議的協(xié)議來(lái)管理數(shù)據(jù)傳輸，該協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸期間控制數(shù)據(jù)流，包括數(shù)據(jù)位數(shù)、波特率、校驗(yàn)位和停止位等。由于串口簡(jiǎn)單易用，在各種產(chǎn)品交互中都有廣泛應(yīng)用。
但在使用串口通訊的時(shí)候，我們并不知道對(duì)方會(huì)發(fā)送多少個(gè)數(shù)據(jù)，也不知道數(shù)據(jù)什么時(shí)候發(fā)送完，簡(jiǎn)單來(lái)講就是：如何確保收到一幀完整的數(shù)據(jù)？
串口發(fā)送的數(shù)據(jù)有長(zhǎng)有短，如果沒(méi)有接收完整，肯定會(huì)影響后續(xù)業(yè)務(wù)的處理。為了接收不定長(zhǎng)數(shù)據(jù)，常見(jiàn)的處理方法有：
1. 固定格式
比如雙方約定，一幀的數(shù)據(jù)以 AA BB 開(kāi)頭，以 BB AA 結(jié)尾，這樣在從機(jī)接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，一旦收到 AA BB 字符，就知道對(duì)方要發(fā)來(lái)一個(gè)數(shù)據(jù)包了，然后就把后面發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)保存起來(lái)，直到接收到 BB AA 為止。
這種方法簡(jiǎn)單高效，但缺點(diǎn)就是需要每個(gè)字符都進(jìn)行判斷，浪費(fèi) CPU 資源，增加功耗。
2. 接收中斷+超時(shí)判斷
串口接收到一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)觸發(fā)接收中斷。但如何判斷數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完了呢？
通常來(lái)講，兩幀數(shù)據(jù)之間，會(huì)有個(gè)時(shí)間間隔。因此，我們可以使用一個(gè)計(jì)時(shí)器，如果在一個(gè)固定的時(shí)間點(diǎn)里沒(méi)接收到新的字符，則認(rèn)為一幀數(shù)據(jù)接收完成了。
3. 空閑中斷
串口在空閑時(shí)，也就是說(shuō)串口在一段時(shí)間里沒(méi)有接收到新數(shù)據(jù)，則會(huì)觸發(fā)空閑中斷。細(xì)心的同學(xué)應(yīng)該發(fā)現(xiàn)了，空閑中斷實(shí)際上跟上面的超時(shí)判斷是一樣樣的，只不過(guò)空閑中斷是硬件自帶，但超時(shí)判斷需要我們自己實(shí)現(xiàn)。
所以，一旦接收到空閑中斷，可以認(rèn)為接收到一幀完整的數(shù)據(jù)。
但是，空閑中斷并不是所有的 MCU 都具備，一般高端一點(diǎn)的 MCU 才有，低端一些的 MCU 并沒(méi)有空閑中斷。
1. 源碼下載及前置閱讀
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本文所涉及的源碼及安裝包如下（由于平臺(tái)限制，請(qǐng)點(diǎn)擊以下鏈接閱讀原文下載）：
https://www.lxlinux.net/e/stm32/stm32-usart-receive-data-using-rxne-time-out.html
如果你是個(gè)零基礎(chǔ)的小白，連 STM32 都沒(méi)見(jiàn)過(guò)，我也給你準(zhǔn)備了一個(gè)保姆級(jí)教程，手把手教你搭建好 STM32 開(kāi)發(fā)環(huán)境，并教你如何下載程序，簡(jiǎn)直業(yè)界良心！
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如果你連代碼都不知道怎么燒錄到 STM32 的，可以參考下文，提供了 5 種代碼燒錄方式：
https://www.lxlinux.net/e/stm32/five-ways-to-flash-program-to-stm32.html
如果你想自己搭一個(gè)屬于自己的工程模板，可以參考下面這篇文章：
https://www.lxlinux.net/e/stm32/create-stm32-hal-project-template.html
在本文中，我們?cè)敿?xì)來(lái)介紹如何使用接收中斷+超時(shí)判斷完成不定長(zhǎng)數(shù)據(jù)的接收，對(duì)于空閑中斷的接收，請(qǐng)查看下文：
https://www.lxlinux.net/e/stm32/stm32-usart-receive-data-using-idle-dma.html
2. 什么是接收中斷？
前文已經(jīng)提到，當(dāng)接收到一字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)觸發(fā)接收中斷，對(duì)應(yīng)串口狀態(tài)寄存器第 5 位被置 1 ，如下圖示。
當(dāng)我們將 DR 寄存器的值讀取之后，該位又被自動(dòng)清零。
3. 硬件準(zhǔn)備
- STM32 核心板
本文使用正點(diǎn)原子 M48Z 核心板，小巧好用，某寶 20 元出頭。
- USB 轉(zhuǎn) TTL
這種設(shè)備主要作用是用來(lái)調(diào)試或下載程序。價(jià)格也很便宜，普遍 5~8 元。
- ST-Link
ST-Link 是一種用于 STM32 微控制器的調(diào)試和編程工具，它可以通過(guò) SWD 或 JTAG 接口與開(kāi)發(fā)板進(jìn)行通信。一般也很便宜，七八元左右。
4. 編程實(shí)戰(zhàn)
在本實(shí)驗(yàn)中，我們將串口 1 作為 log 輸出端口，串口 2 作為本次實(shí)驗(yàn)的接收端口。
因此我們需要提前創(chuàng)建 uart2 模塊，包含 uart2.c 及 uart2.h 兩個(gè)文件，并加載進(jìn)工程模板。
4.1 串口初始化
串口的初始化大家應(yīng)該不陌生，主要步驟為：
- 定義串口句柄
uart2_handle，并調(diào)用HAL_UART_Init進(jìn)行初始化； - 初始化串口底層函數(shù)，調(diào)用
HAL_UART_MspInit函數(shù)。
第一步在 uart2.c 文件里進(jìn)行：
UART_HandleTypeDef uart2_handle;
void uart2_init(uint32_t baudrate)
{
uart2_handle.Instance = UART2_INTERFACE; /* UART2 */
uart2_handle.Init.BaudRate = baudrate; /* 波特率 */
uart2_handle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B; /* 數(shù)據(jù)位 */
uart2_handle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1; /* 停止位 */
uart2_handle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE; /* 校驗(yàn)位 */
uart2_handle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX; /* 收發(fā)模式 */
uart2_handle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE; /* 無(wú)硬件流控 */
uart2_handle.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16; /* 過(guò)采樣 */
HAL_UART_Init(&uart2_handle); /* 使能UART2 */
}
第二步在 usart.c 文件里進(jìn)行，其實(shí)也可以在 uart2.c 文件里做，但我懶~
在最下面一行代碼，我們使用 __HAL_UART_ENABLE_IT() 使能接收中斷。
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{
GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
if (huart->Instance == USART_UX) /* 如果是串口1，進(jìn)行串口1 MSP初始化 */
{
....
// 節(jié)略串口1相關(guān)代碼
....
}
else if (huart->Instance == UART2_INTERFACE) /* 如果是UART2 */
{
UART2_TX_GPIO_CLK_ENABLE(); /* 使能UART2 TX引腳時(shí)鐘 */
UART2_RX_GPIO_CLK_ENABLE(); /* 使能UART2 RX引腳時(shí)鐘 */
UART2_CLK_ENABLE(); /* 使能UART2時(shí)鐘 */
gpio_init_struct.Pin = UART2_TX_GPIO_PIN; /* UART2 TX引腳 */
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; /* 復(fù)用推挽輸出 */
gpio_init_struct.Pull = GPIO_NOPULL; /* 無(wú)上下拉 */
gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; /* 高速 */
HAL_GPIO_Init(UART2_TX_GPIO_PORT, &gpio_init_struct); /* 初始化UART2 TX引腳 */
gpio_init_struct.Pin = UART2_RX_GPIO_PIN; /* UART2 RX引腳 */
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; /* 輸入 */
gpio_init_struct.Pull = GPIO_NOPULL; /* 無(wú)上下拉 */
gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; /* 高速 */
HAL_GPIO_Init(UART2_RX_GPIO_PORT, &gpio_init_struct); /* 初始化UART2 RX引腳 */
HAL_NVIC_SetPriority(UART2_IRQn, 0, 0); /* 搶占優(yōu)先級(jí)0，子優(yōu)先級(jí)0 */
HAL_NVIC_EnableIRQ(UART2_IRQn); /* 使能UART2中斷通道 */
__HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_RXNE); /* 使能UART2接收中斷 */
}
}
4.2 判斷接收中斷
在串口 2 接收中斷里，我們先使用 __HAL_UART_GET_FLAG() 函數(shù)判斷 RXNE 這一位有沒(méi)有被置 1 ，如果被置 1 ，則代表接收到字符，調(diào)用 HAL_UART_Receive() 函數(shù)接收字符，并保存于臨時(shí)變量 receive_data 中。
之后，再調(diào)用 HAL_UART_Transmit() 函數(shù)將接收到的字符打印出來(lái)。
void UART2_IRQHandler(void)
{
uint8_t receive_data = 0;
if(__HAL_UART_GET_FLAG(&uart2_handle,UART_FLAG_RXNE) != RESET)
{
HAL_UART_Receive(&uart2_handle, &receive_data, 1, 1000); //串口2接收1位數(shù)據(jù)
HAL_UART_Transmit(&uart2_handle, &receive_data, 1, 1000); //將接收的數(shù)據(jù)打印出來(lái)
}
}
現(xiàn)在我們通過(guò)接收中斷就可以實(shí)現(xiàn)了自發(fā)自收，編譯后燒進(jìn)板子，效果如下：
但現(xiàn)在我們只實(shí)現(xiàn)了字符的接收，并不知道一幀的數(shù)據(jù)什么時(shí)候接收完。
在下面的操作里，我們就通過(guò)超時(shí)的方法，進(jìn)一步判斷數(shù)據(jù)是否完成傳輸。
4.3 數(shù)據(jù)接收完成判斷
如何判斷一幀的數(shù)據(jù)接收完成了？
在本文中，我們使用超時(shí)的方法進(jìn)行判斷，這種方法雖然會(huì)耗費(fèi) CPU 資源，但因?yàn)楸容^簡(jiǎn)單，所以使用也很廣泛。在下一篇文章里，我們將使用空閑中斷+DMA 的方法，更高效進(jìn)行幀數(shù)據(jù)接收完成判斷。
超時(shí)判斷的思路如下：
- 將接收到的字符保存在接收緩沖區(qū)里，并定義一個(gè)變量
uart2_cnt計(jì)算總共收到了多少個(gè)字符； - 假如一幀的數(shù)據(jù)接收完成了，那么
uart2_cnt變量的值應(yīng)該維持不變。
第一個(gè)步驟比較好實(shí)現(xiàn)，還是在串口 2 接收中斷里，做一些小小的改動(dòng)：
uint16_t uart2_cnt = 0, uart2_cntPre = 0;
void UART2_IRQHandler(void)
{
uint8_t receive_data = 0;
if(__HAL_UART_GET_FLAG(&uart2_handle, UART_FLAG_RXNE) != RESET){ //獲取接收RXNE標(biāo)志位是否被置位
if(uart2_cnt >= sizeof(uart2_rx_buf)) //如果接收的字符數(shù)大于接收緩沖區(qū)大小，
uart2_cnt = 0; //則將接收計(jì)數(shù)器清零
HAL_UART_Receive(&uart2_handle, &receive_data, 1, 1000); //接收一個(gè)字符
uart2_rx_buf[uart2_cnt++] = receive_data; //將接收到的字符保存在接收緩沖區(qū)
}
}
關(guān)鍵是第二步，我們?nèi)绾闻袛?uart2_cnt 什么時(shí)候維持不變（也就是一幀的數(shù)據(jù)接收完成了）？也很簡(jiǎn)單，我們就定時(shí)去查看一下這個(gè)變量的值，看看是否跟上一次一樣，如果一樣的話就說(shuō)明數(shù)據(jù)接收完成了。
因此我們需要再借助一個(gè)新的變量 uart2_cntPre ，記錄上一次接收到的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度（上面的代碼已經(jīng)定義好了）。
uint8_t uart2_wait_receive(void)
{
if(uart2_cnt == 0) //如果接收計(jì)數(shù)為0，則說(shuō)明沒(méi)有處于接收數(shù)據(jù)中，所以直接跳出，結(jié)束函數(shù)
return UART_ERROR;
if(uart2_cnt == uart2_cntPre) { //如果上一次的值和這次相同，則說(shuō)明接收完畢
uart2_cnt = 0; //清0接收計(jì)數(shù)
return UART_EOK; //返回接收完成標(biāo)志
}
uart2_cntPre = uart2_cnt; //置為相同
return UART_ERROR; //返回接收未完成標(biāo)志
}
然后我們?cè)?main 函數(shù)里的 while 死循環(huán)定期（例如10ms）調(diào)用 uart2_wait_receive 函數(shù)，如果返回值為 UART_EOK 則代表幀數(shù)據(jù)接收完成，我們就可以將數(shù)據(jù)打印出來(lái)。
while(1)
{
if(uart2_wait_receive() == UART_EOK) { //判斷串口2是否數(shù)據(jù)接收完成
printf("recv: %s\r\n", uart2_rx_buf); //打印收到的數(shù)據(jù)
uart2_rx_clear(); //清空接收緩沖區(qū)
}
delay_ms(10); //每隔10毫秒判斷一次
}
當(dāng)然，接收到的數(shù)據(jù)使用完成之后，我們就應(yīng)該清空接收緩沖區(qū)，并將計(jì)數(shù)器置 0 ，方便下一次接收，所以我們調(diào)用了 uart2_rx_clear() 函數(shù)，其代碼實(shí)現(xiàn)為：
void uart2_rx_clear(void)
{
memset(uart2_rx_buf, 0, sizeof(uart2_rx_buf)); //清空接收緩沖區(qū)
uart2_cnt = 0; //接收計(jì)數(shù)器清零
}
uart2.h 文件內(nèi)容如下：
#include <stdint.h>
#include "usart.h"
/* 引腳定義 */
#define UART2_TX_GPIO_PORT GPIOA
#define UART2_TX_GPIO_PIN GPIO_PIN_2
#define UART2_TX_GPIO_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); }while(0)
#define UART2_RX_GPIO_PORT GPIOA
#define UART2_RX_GPIO_PIN GPIO_PIN_3
#define UART2_RX_GPIO_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); }while(0)
#define UART2_INTERFACE USART2
#define UART2_IRQn USART2_IRQn
#define UART2_IRQHandler USART2_IRQHandler
#define UART2_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE(); }while(0)
/* 錯(cuò)誤代碼 */
#define UART_EOK 0 /* 沒(méi)有錯(cuò)誤 */
#define UART_ERROR 1 /* 通用錯(cuò)誤 */
#define UART_ETIMEOUT 2 /* 超時(shí)錯(cuò)誤 */
#define UART_EINVAL 3 /* 參數(shù)錯(cuò)誤 */
/* UART收發(fā)緩沖大小 */
#define UART2_RX_BUF_SIZE 128
#define UART2_TX_BUF_SIZE 64
void uart2_init(uint32_t baudrate);
uint8_t uart2_wait_receive(void);
void uart2_rx_clear(void);
一切判斷就緒后，我們就可以將代碼燒進(jìn)板子，現(xiàn)象如下：
5. 小結(jié)
STM32 串口通訊在項(xiàng)目中使用的頻率非常高，但由于不知道數(shù)據(jù)發(fā)送方會(huì)發(fā)送多少數(shù)據(jù)量，所以串口接收不定長(zhǎng)數(shù)據(jù)成了一個(gè)急需解決的問(wèn)題。
本文使用串口的接收中斷+超時(shí)判斷方法解決了此問(wèn)題，并給出了詳細(xì)的教程，希望對(duì)讀者朋友有所幫助。
另外，想進(jìn)大廠的同學(xué)，一定要好好學(xué)算法，這是面試必備的。這里準(zhǔn)備了一份 BAT 大佬總結(jié)的 LeetCode 刷題寶典，很多人靠它們進(jìn)了大廠。
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