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STM32F4 UART基础(HAL库)

2023-05-16

文章目录

  • 概述
  • `UART`初始化
    • `UART`参数初始化
      • `UART`句柄
      • `UART`初始化结构体
      • `UART`参数初始化函数
    • `UART`时钟初始化
    • `UART_GPIO`初始化
    • `UART`中断配置
    • `Msp`初始化函数
  • `UART`无中断收发
    • `UART`发送数据
      • `UART`发送数据`API`
      • `UART`无中断发送示例
    • `UART`接收数据
      • `UART`接收数据`API`
      • `UART`无中断接收数据示例
  • `UART`中断收发
    • `UART`发送中断
      • `UART`发送中断使能
      • `UART`发送完成中断回调
      • `UART`发送中断示例
      • 注意：
    • `UART`接收中断
      • `UART`接收中断使能
      • `UART`接收完成中断回调
      • `UART`接收中断示例
      • 注意：

概述

 本篇将以STM32F407VET6芯片的USART1为例，总结STM32CubeIDE平台关于UART通信的**主动收发(无中断收发)和被动收发(中断收发)**流程。应当注意，对于USART的常规应用，应当使用HAL库中的UART API.

UART初始化

 UART的完整初始化流程为：

1.UART参数初始化
    (1).UART句柄配置
    (2).UART初始化结构体配置
    (3).UART使能
2.UART时钟初始化(置于UART_Msp初始化函数)
3.UART_GPIO初始化(置于UART_Msp初始化函数)
    (1).GPIO时钟初始化
    (2).GPIO参数初始化
4.UART中断配置(置于UART_Msp初始化函数)
    (1).NVIC总中断优先级配置
    (2).NVIC使能总中断
    (3).UART开启分中断(发送中断/接收中断)

UART参数初始化

UART句柄

 UART句柄是UART初始化和具体操作中最重要的参数，应当声明为工程级别的全局变量。HAL库中采用 发送缓冲区 和 接收缓冲区 一次发送/接受 一个或多个字节 的方式提高数据吞吐效率。

typedef struct __UART_HandleTypeDef {
    
    /* UART实例，取值有 USART1,USART2,USART3,UART4,UART5... */
    USART_TypeDef *Instance;
    
    /* UART初始化结构体 */
    UART_InitTypeDef Init;
    
    /* UART 本次 发送缓冲区指针 */
    uint8_t *pTxBuffPtr;
    
    /* UART 本次 发送缓冲区字节数 */
    uint16_t TxXferSize;
    
    /* UART 本次 已发送字节数，用于查询发送进度 */
    __IO uint16_t TxXferCount;
    
    /* UART 本次 接收缓冲区指针 */
    uint8_t *pRxBuffPtr;
    
    /* UART 本次 接收缓冲区字节数 */
    uint16_t RxXferSize;
    
    /* UART 本次 已接收字节数，用于查询接收进度 */
    __IO uint16_t RxXferCount;
    
    /* DMA发送缓冲区指针 */
    DMA_HandleTypeDef *hdmatx;
    
    /* DMA接收缓冲区指针 */
    DMA_HandleTypeDef *hdmarx;
    
    /* UART同步锁状态，取值有 HAL_UNLOCKED / HAL_LOCKED */
    HAL_LockTypeDef Lock;
    
    /* UART发送状态 */
    __IO HAL_UART_StateTypeDef gState;
    /* UART接收状态 */
    __IO HAL_UART_StateTypeDef RxState;
    /* UART错误码 */
    __IO uint32_t ErrorCode;

} UART_HandleTypeDef;

UART初始化结构体

typedef struct {
    
    /* 波特率 */
    uint32_t BaudRate;
    
    /* 帧字长，一般取 UART_WORDLENGTH_8B */
    uint32_t WordLength;
    
    /* 停止位，一般取 UART_STOPBITS_1 */
    uint32_t StopBits;
    
    /* 奇偶校验位，一般取 UART_PARITY_NONE */
    uint32_t Parity;
    
    /* UART收发模式，取值有
       UART_MODE_RX - 发送模式
       UART_MODE_TX - 接收模式
       UART_MODE_TX_RX - 发送_接收全双工模式 */
    uint32_t Mode;
    
    /* 硬件流控制，一般取 UART_HWCONTROL_NONE */
    uint32_t HwFlowCtl;
    
    /* 过采样倍率，一般取 UART_OVERSAMPLING_16 */
    uint32_t OverSampling;
} UART_InitTypeDef;

UART参数初始化函数

/* UART参数初始化 
   参数：huart - UART句柄指针 
   返回：
   HAL_ERROR - huart = NULL 时，将返回 HAL_ERROR 
   HAL_OK - UART初始化成功 */
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart);

UART参数初始化实例：

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;
    // 使用 UART API 而不是 USART API
    if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK) {
        Error_Handler();
    }
}

UART时钟初始化

/* UART时钟使能应置于 Msp初始化函数 中 */

/* 宏函数，USART时钟使能 */
__HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();
/* 宏函数，USART时钟失能 */
__HAL_RCC_USART1_CLK_DISABLE();

/* 宏函数，UART时钟使能 */
__HAL_RCC_UART4_CLK_ENABLE();
/* 宏函数，UART时钟失能 */
__HAL_RCC_UART4_CLK_DISABLE();

UART_GPIO初始化

/* UART_GPIO初始化应当置于 Msp初始化函数 中 */

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

/* GPIO时钟初始化 */
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

GPIO_InitStruct.Pin = USART1_TX_Pin|USART1_RX_Pin;
/* 复用推挽输出模式 */
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
/* 上拉电阻 */
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
/* 复用映射 */
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF7_USART1;

HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

UART中断配置

/* UART中断配置应置于 Msp初始化函数 中 */

/* UART总中断优先级配置 */
HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn,0,0);

/* UART总中断使能 */
HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);

Msp初始化函数

 UART参数初始化函数HAL_UART_Init()中调用了Msp初始化函数实现用户自定义初始化配置。UART的时钟使能、GPIO初始化、中断配置 都应当在Msp初始化函数中实现。

/* 使用 UART API 而并非 USART API */
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef* uartHandle) {
    
    // 时钟使能
    // GPIO初始化
    // 中断配置
    
}

UART无中断收发

UART发送数据

UART发送数据API

/* UART无中断发送数据
   参数：
   huart - UART句柄指针
   pData - UART本次发送缓冲区指针 
   Size - UART本次发送缓冲区字节数 
   Timeout - UART发送超时时限 
   
   返回：
   HAL_OK - UART成功发送指定字节数(Size)
   HAL_ERROR - pData = NULL 或 Size = 0 将返回 HAL_ERROR 
   HAL_TIMEOUT - UART发送超时 
   HAL_BUSY - UART发送繁忙 */
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, 
                                    uint8_t *pData, 
                                    uint16_t Size, 
                                    uint32_t Timeout);

UART无中断发送示例

uint8_t *TxBufferPtr = (uint8_t*)"Successful!\n\r";
#ifndef TIMEOUT
#define TIMEOUT 1000
#endif
while(HAL_UART_Transmit(&huart1,TxBufferPtr,13,TIMEOUT) != HAL_OK);

UART接收数据

UART接收数据API

/* UART无中断接收数据
   参数：
   huart - UART句柄指针
   pData - UART本次接收缓冲区指针 
   Size - UART本次接收缓冲区字节数 
   Timeout - UART接收超时时限 
   
   返回：
   HAL_OK - UART成功接收指定字节数(Size)
   HAL_ERROR - pData = NULL 或 Size = 0 将返回 HAL_ERROR 
   HAL_TIMEOUT - UART接收超时 
   HAL_BUSY - UART接收繁忙 */
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart, 
                                    uint8_t *pData, 
                                    uint16_t Size, 
                                    uint32_t Timeout);

UART无中断接收数据示例

uint8_t RxBufferPtr[10] = {0};
#ifndef TIMEOUT
#define TIMEOUT 1000
#endif
/* 接收完成指定字节数之前，main()将一直阻塞 */
while(HAL_UART_Receive(&huart1,RxBufferPtr,10,TIMEOUT) != HAL_OK);
// 接收回显
while(HAL_UART_Transmit(&huart1,RxBufferPtr,10,TIMEOUT) != HAL_OK);

UART中断收发

 HAL库中将UART中断深度封装，仅提供中断回调函数进行用户中断处理逻辑的实现。中断回调函数均有弱定义(__weak)声明，用户可在任意源文件(.c)中重新强定义(无__weak声明)中断回调函数实现自定义中断处理逻辑。
UART中断回调流程：

1.中断发生
2.进入中断服务函数 UARTx_IRQHandler()
3.中断服务函数调用 通用入口函数 HAL_UART_IRQHandler(),
  通用入口函数中进行中断源的判断、中断标志的清除等操作
4.通用入口函数依据事件判断调用 中断回调函数 HAL_UART_XxxCallback()

UART发送中断

UART发送中断使能

/* 使能发送中断并配置本次发送中断缓冲区 
   参数：
   huart - UART句柄指针
   pData - UART本次发送缓冲区指针 
   Size - UART本次发送缓冲区字节数 
   
   返回：
   HAL_OK - 配置成功且UART发送中断准备就绪
   HAL_ERROR - pData = NULL 或 Size = 0 将返回 HAL_ERROR
   HAL_BUSY - UART发送中断未准备就绪 */
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit_IT(UART_HandleTypeDef *huart,
                                       uint8_t *pData,
                                       uint16_t Size);

UART发送完成中断回调

/* UART成功发送指定字节数(Size)将执行此中断回调 */
void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    // 用户中断处理逻辑
}

UART发送中断示例

uint8_t *TxBufferPtr = (uint8_t*)"Successful!\n\r";
int main(void) {
    /*****省略代码*****/
    while(HAL_UART_Transmit_IT(&huart1,TxBufferPtr,13) != HAL_OK);
    /*****省略代码*****/
}

void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    if(huart->Instance == USART1) {
        // 发送完成之后打开LED
        LED_ON();
    } 
}

注意：

 UART发送中断回调的机制是：每发送一个字节之后均会进入中断服务函数，通过UART句柄中的TxXferCount判断UART发送数据的进度，如果发送达到指定字节数(Size)，则调用HAL_UART_TxCpltCallback().

 HAL_UART_Transmit_IT()只能开启1次发送中断，调用发送中断回调函数之后便 失能 发送中断。在合适的时机再次调用HAL_UART_Transmit_IT()可以再次开启发送中断。

 HAL_UART_Transmit_IT()不可在UART的Msp初始化函数中调用。Msp初始化函数并非在UART参数初始化函数HAL_UART_Init()的末尾调用，在Msp初始化函数调用之后还会进行UART状态的初始化操作。如果在Msp初始化函数中调用HAL_UART_Transmit_IT()将导致错误判断UART发送状态，HAL_UART_Transmit_IT()将错误返回HAL_BUSY.
 正确的做法是：在UART参数初始化函数HAL_UART_Init()调用后调用HAL_UART_Transmit_IT().

UART接收中断

UART接收中断使能

/* 使能接收中断并配置本次接收中断缓冲区 
   参数：
   huart - UART句柄指针
   pData - UART本次接收缓冲区指针 
   Size - UART本次接收缓冲区字节数 
   
   返回：
   HAL_OK - 配置成功且UART接收中断准备就绪
   HAL_ERROR - pData = NULL 或 Size = 0 将返回 HAL_ERROR
   HAL_BUSY - UART接收中断未准备就绪 */
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart,
                                       uint8_t *pData,
                                       uint16_t Size);

UART接收完成中断回调

/* UART成功接收指定字节数(Size)将执行此中断回调 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    // 用户中断处理逻辑
}

UART接收中断示例

uint8_t RxBufferPtr[10] = {0};
int main(void) {
    /*****省略代码*****/
    while(HAL_UART_Receive_IT(&huart1,RxBufferPtr,10) != HAL_OK);
    /*****省略代码*****/
}

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    if(huart->Instance == USART1) {
        #ifndef TIMEOUT
        #define TIMEOUT 1000
        #endif
        // 接收回显
        while(HAL_UART_Transmit(&huart1,RxBufferPtr,10,TIMEOUT) != HAL_OK);
        // 换行
        while(HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t*)"\r\n",2,TIMEOUT) != HAL_OK);
        // 使能中断
        while(HAL_UART_Receive_IT(&huart1,RxBufferPtr,10) != HAL_OK);
    } 
}

注意：

 UART接收中断回调的机制是：每接收一个字节之后均会进入中断服务函数，通过UART句柄中的RxXferCount判断UART接收数据的进度，如果接收达到指定字节数(Size)，则调用HAL_UART_RxCpltCallback().

 HAL_UART_Receive_IT()只能开启1次接收中断，调用接收中断回调函数之后便 失能 接收中断。在合适的时机再次调用HAL_UART_Receive_IT()可以再次开启接收中断。

 HAL_UART_Receive_IT()不可在UART的Msp初始化函数中调用。Msp初始化函数并非在UART参数初始化函数HAL_UART_Init()的末尾调用，在Msp初始化函数调用之后还会进行UART状态的初始化操作。如果在Msp初始化函数中调用HAL_UART_Receive_IT()将导致错误判断UART接收状态，HAL_UART_Receive_IT()将错误返回HAL_BUSY.
 正确的做法是：在UART参数初始化函数HAL_UART_Init()调用后调用HAL_UART_Receive_IT().

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