2023年暑期培训电控组第三讲 - UART收发的轮询、中断、DMA方法及空闲中断

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1. 什么是UART？

UART是一种异步串行通信接口，常用于通过串口与外部设备进行通信。它通过发送和接收数据帧来实现数据传输，使用起来相对简单。UART通常包含发送器（Transmitter）和接收器（Receiver），通过两根信号线（传输线）进行双向通信。

2. UART协议内容简介

UART协议将一长串数据切成很多固定长度的小段，分别发送。每小段数据前后会加上一些附加数据以保证通信的实时性和准确性，最后形成的每个小段叫做一个数据包——即1帧数据。

起始位：发出1位低电平信号，表示开始传输字符。
数据位：真正发送的数据，一般为8位（1个字节），常采用ASCII编码，从最低位开始发送。
校验位：用于检验接收到的数据是否正确，分为奇校验和偶校验。
停止位：一组数据的结束传输的标志。可以是1位、1.5位、2位的高电平。
空闲位：空闲时数据线为高电平状态，代表无数据传输。
波特率：衡量传输速率的指标。UART通信中波特率等于比特率。

UART通信的两个设备间，以上因素必须完全一致才能实现数据通信。

3. UART轮询收发

UART轮询收发时，CPU会不断检测串口的状态位来判断数据收发的情况。

3.1 UART轮询收发的优缺点

UART轮询收发是一种简单直接的UART通信方式，它具有以下优点和缺点：

优点

简单易实现：相比于中断或DMA方式进行数据收发，UART轮询收发的实现相对简单，不需要额外配置中断或DMA控制器，减少了开发的复杂性。
低延迟：由于没有中断处理程序的介入和数据传输的等待时间，UART轮询收发可以实现较低的延迟，对实时性要求较高的应用场景较为适用。占用CPU资源，效能低：UART轮询收发需要通过不断的轮询来检查发送和接收缓冲区的状态，这会占用CPU的资源，导致CPU无法充分利用来执行其他任务。

缺点

占用CPU资源，效能低：UART轮询收发需要通过不断的轮询来检查发送和接收缓冲区的状态，这会占用CPU的资源，导致CPU无法充分利用来执行其他任务。

UART轮询收发适用于简单的、对实时性要求不高的低速通信场景。但在对实时性、效率和灵活性要求较高的应用中，中断或DMA方式可能更加适合。在选择UART通信方式时，需要根据具体应用需求进行权衡和选择。

3.2 UART轮询收发相关的函数

初始化UART参数：首先，需要对UART进行初始化，包括波特率（Baud rate）、数据位数、校验位、停止位等参数的设置。这些参数决定了数据的传输格式。

初始化函数	`HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart);`
功能	根据串口句柄指定的参数进行串口初始化。
入口参数	`huart`：串口句柄的地址指针。
返回值	`HAL`状态值。
说明	使用CubeMX配置工程时，初始化代码会自动生成，我们不需要再对串口进行初始化。

发送数据：要发送数据，首先将待发送的数据写入UART发送缓冲区，然后调用轮询发送函数。在轮询方式下，单片机会一直检查是否完成发送，直到超过设定时间或数据发送完成。

轮询发送函数	`HAL_UART_Transmit(UART_Handle TypeDef huart, uint 8_t pData, uint 16_t Size, uint 32_t Timeout);`
功能	在轮询方式下发送一定数量的数据。
入口参数	`huart`：串口句柄的地址。 `pData`：待发送数据的首地址。 `Size`：发送的字节数。 `Timeout`：超时等待时间，以毫秒为单位。
返回值	`HAL`状态值。

接收数据：要接收数据，需要从UART接收缓冲区读取数据。同样，在轮询方式下，单片机会一直检查是否完成接收，直到超过设定时间或接收到所有数据。

轮询接收函数	`HAL_UART_Receive(UART_Handle TypeDef huart, uint 8_t pData, uint 16_t Size, uint 32_t Timeout);`
功能	在轮询方式下接收一定数量的数据。
入口参数	`huart`：串口句柄的地址。 `pData`：存放数据的首地址。 `Size`：接收数据的字节数。 `Timeout`：超时等待时间，以毫秒为单位。
返回值	`HAL`状态值。

3.3 【实践】使用蓝牙模块发送数据

使用UART协议，向手机循环发送“Hello World”语句。

3.3.1 配置UART

左侧connectivity中点击USART1。
右侧Mode，选择为Asynchronous(异步通信)
配置参数：

Baud Rate（波特率）：9600Bits/s
Word Length（字长）：8 Bits
Parity（奇偶校验位）：无校验位
Stop Bits（停止位）：1位

USART包括UART与USRT。我们使用USART的UART模式，即Asynchronous。

3.3.2 连接单片机与蓝牙模块

单片机	蓝牙模块
RX	TX
TX	RX
5V	VCC
GND	GND

3.3.3 代码实现

在main.c中添加如下语句：

/* 添加至引用区 */
#include "string.h" // strlen函数依赖该头文件
/* 添加至变量定义区*/
char txBuffer[] = "Hello World"; // 需要发送的数据
/* 写在main()的while(1)循环内 */
while(1)
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)txBuffer, strlen(txBuffer), 1000);
    HAL_Delay(1000);
}

4. UART中断收发

4.1 UART中断收发的优缺点

优点

提高系统效率：相比于UART轮询收发方式，UART中断收发可以提高系统的效率。当每完成发送或接收一帧数据时，中断会通知CPU进行相应的处理，而不需要CPU不断地轮询发送或接收缓冲区，释放了CPU资源，使CPU可以同时执行其他任务;
系统响应更快：通过使用中断机制，UART中断收发可以提供更快的系统响应时间。一旦有数据可发送或可接收时，中断立即触发，通知CPU进行相应操作，减少了数据传输的延迟。
灵活性：UART中断收发具有较高的灵活性。中断处理程序可以对数据进行灵活的处理和控制，可以根据实际需求进行相应的操作，如解析数据、执行特定任务等。复杂性增加：相对于UART轮询收发方式，UART中断收发的实现相对复杂一些。需要正确配置中断触发条件和中断优先级，同时编写中断处理程序进行数据的发送和接收操作。

缺点

中断开销：中断处理程序的执行会占用一定的CPU时间和系统资源。频繁的中断触发可能会增加系统的开销。
实时性限制：尽管UART中断收发可以提高系统的响应时间，但它仍然受限于中断处理程序的执行时间和优先级。在高实时性要求的应用中，中断处理程序的执行时间必须保持足够短，以确保数据的及时处理和传输。
占用CPU资源：在传输数据量较大时，如果采用中断方式，每收发一帧的数据，CPU都会被打断，造成CPU无法处理其他事务。因此在批量数据传输，通信波特率较高时，建议采用DMA方式。

UART中断收发相较于UART轮询收发，提高了系统的效率，但是遇到大量、高速的数据传输时仍然会对CPU的性能产生影响。

4.2 UART中断收发时触发中断的流程

使能中断后，每收发1帧数据后，UART会触发UART全局中断。此时程序会进入到中断处理函数 USART1_IRQHandler()。在这个函数中，又调用了HAL库的中断处理函数HAL_UART_IRQHandler(&huart1)，该函数会通过判断中断类型来决定调用哪个函数。

如果收发完成 -> 进入发送/接收回调函数；
如果产生错误 -> 进入错误回调函数；
如果未收发完 -> 继续发送/接收。

简而言之，每完成一帧数据的收发，都会调用一次中断处理函数，但只有当收发完成时才会调用发送/接收回调函数。在实际操作中，我们一般不需要对中断处理函数HAL_UART_IRQHandler()进行修改。我们将收发完成时的操作逻辑写在回调函数中即可。

4.3 UART中断收发相关的函数

4.3.1 发送相关函数

中断发送函数	`HAL_UART_Transmit_IT(UART_HandleTypeDef huart, uint8_t pData, uint16_t Size);`
功能	在中断方式下发送一定数量的数据。
入口参数	`huart`：串口句柄的地址。 `pData`：发送数据的首地址。 `Size`：发送数据的字节数。
返回值	`HAL`状态值。

发送回调函数	`HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);`
功能	本函数会在中断发送完成时被调用。
入口参数	`huart`：串口句柄的地址。
返回值	无

4.3.2 接收相关函数

中断接收函数	`HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef huart, uint8_t pData, uint16_t Size);`
功能	在中断方式下接收一定数量的数据。
入口参数	`huart`：串口句柄的地址。 `pData`：存放数据的首地址。 `Size`：接收数据的字节数。
返回值	`HAL`状态值。

接收回调函数	`HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);`
功能	本函数会在中断接收完成时被调用。
入口参数	`huart`：串口句柄的地址。
返回值	无

4.4 回调函数的使用方式

在stm32f1xx_hal_uart.c文件中，我们可以找到回调函数的声明方式（下以接收回调函数为例）。

关注到函数声明前带有__weak修饰，我们一般将这种函数称之为“弱函数”。含有__weak标识的函数，我们可以自行声明一个同名函数，最终编译器在编译的时候会选择我们自己定义的函数。如果我们没有声明该函数，则会调用有__weak修饰的函数。因此，我们只需要在合适的位置自己声明一个回调函数即可，不必在该文件中进行修改。

4.5 【实践】使用中断方式收发数据

通过蓝牙向单片机发送三个英文字母，单片机将大小写翻转后发回。

4.5.1 配置UART

在上一节配置的基础上，我们打开UART1的全局中断。

4.5.2 代码实现

我们在main.c中添加如下代码

/* 添加至宏定义区 */
#define rxDataLen 3 //接收三个字节的数据
/* 添加至变量定义区*/
char rxBuffer[rxDataLen]; // 存储接收到的数据的数组

int main()
{
    /* 添加至while(1)循环前*/
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)rxBuffer, rxDataLen); // 中断方式接收三个字节数据
    
    while(1) // 注意不要将中断接收写在while循环内
    {
        HAL_Delay(1);
    }
}

在完成一次接收后，我们需要将接收到的字母大小写翻转并输出。我们需要在接收回调函数中实现这一功能，定义接收回调函数如下。

// 接收回调函数（由于需要覆盖原先的弱函数，本函数名称不能更改）
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) 
{
    if(huart == &huart1) // 如果是串口1
    {
        for(int i = 0; i < rxDataLen; i++)
        {
            if(rxBuffer[i] >= 'a' && rxBuffer[i] <= 'z')
            {
                rxBuffer[i] += 'A' - 'a';
            }
            else if(rxBuffer[i] >= 'A' && rxBuffer[i] <= 'Z')
            {
                rxBuffer[i] -= 'A' - 'a';
            }
        }
        HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, (uint8_t *)rxBuffer, rxDataLen);
    }

    // 使用HAL_UART_Receive_IT()时，只会进入一次中断。因此需要在回调函数内再次调用该函数
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)rxBuffer, rxDataLen);
}

5. UART使用DMA进行收发 & 空闲中断

5.1 啥是DMA？

DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）是一种计算机系统中的数据传输技术，它允许外设直接访问寄存器，而无需通过CPU的干预。DMA技术可以提高数据传输的效率和系统性能，减轻CPU的负担。

简单点来说，DMA收发与轮询、中断都有所不同。在收发数据时，CPU只需告诉DMA数据的来源以及目的地址等信息即可，而无需参与中间的所有传输过程（例如中断收发时每收发一帧数据都会进入中断处理函数，而DMA只在接收完成等少数时刻触发中断，大大降低了CPU的压力）。

5.2 什么是空闲中断？

空闲中断（Idle Interrupt）是UART通信中的一种中断类型。当UART处于空闲状态（没有接收到数据）且持续时间超过一个帧的传输时间时，空闲中断会触发，调用上节提到的函数USART1_IRQHandler。空闲中断可以用于检测数据帧的结束或接收数据的完成。

5.3 相关函数

使能UART的特定中断（宏）	`__HAL_UART_ENABLE_IT(__HANDLE__, __INTERRUPT__);`
参数	`__HANDLE__`：指向UART句柄的指针； `__INTERRUPT__`：要使能的中断标志位。
说明	本节会使用到空闲中断，即`UART_IT_IDLE`

DMA发送函数	`HAL_UART_Transmit_DMA(UART_Handle TypeDef huart, uint 8_t pData, uint 16_t Size);`
入口参数	`huart`：串口句柄的地址。 `pData`：发送数据的首地址。 `Size`：发送数据的字节数。

DMA接收函数	`HAL_UART_Receive_DMA(UART_Handle TypeDef huart, uint 8_t pData, uint 16_t Size);`
入口参数	`huart`：串口句柄的地址。 `pData`：存放数据的首地址。 `Size`：接收数据的字节数。

禁用DMA传输（宏）	`__HAL_DMA_DISABLE(_HANDLE_);`
参数	`__HANDLE__`：指向UART句柄的指针

使能DMA传输（宏）	`__HAL_DMA_ENABLE(_HANDLE_);`
参数	`__HANDLE__`：指向UART句柄的指针

设置DMA传输计数器值（宏）	`__HAL_DMA_SET_COUNTER(__HANDLE__, __COUNTER__);`
参数	`__HANDLE__`：指向UART句柄的指针 `__COUNTER__`：要设置的计数器值。

获取DMA传输的计数器值（宏）	`__HAL_DMA_GET_COUNTER(__HANDLE__);`
参数	`__HANDLE__`：指向UART句柄的指针
宏定义	`#define __HAL_DMA_GET_COUNTER(__HANDLE__) ((__HANDLE__)->Instance->CNDTR)`
说明	这个宏需要我们自行定义。我们可以利用这个宏定义来获取接收到的数据的长度。接收到的数据长度 = 设置的长度 - 当前DMA计数器的值，即 `rxLen = rxBufferLen - __HAL_DMA_GET_COUNTER(__HANDLE__);`

5.4 【实践】使用DMA & 空闲中断实现不定长数据的接收

结合DMA以及空闲中断，实现接收不定长度的一段数据，发送这一数据的长度。

5.4.1 配置UART

参考前两节，配置好UART以及全局中断。我们还需要开启UART的DMA接收。

5.4.2 代码实现

在本节中，我们将代码按用途划分为不同函数，逐一实现。先定义如下全局变量以及宏变量。

#define rxBufferLen 40 // 接收数据的最大长度
#define __HAL_DMA_SET_COUNTER(__HANDLE__, __COUNTER__) ((__HANDLE__)->Instance->CNDTR = (uint16_t)(__COUNTER__))
char rxBuffer[rxBufferLen]; // 用于存放接收到的数据

程序运行之初，我们需要先对DMA接收进行初始化，该初始化函数应当在main()函数内调用一次。

void UART_InitDMAReceive() // 初始化函数
{
    __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart1); // 清除空闲中断标志位
    __HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_IDLE); // 开启UART的空闲中断
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, (uint8_t*)rxBuffer, rxBufferLen ); // 启动DMA接收
}

每当发生空闲中断或接收到的数据超过缓存区大小时，会产生一次中断。我们首先需要自行编写中断回调函数。

void UART_DMAIdleCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if(huart == &huart1)
    {
        // 停止DMA接收
        __HAL_DMA_DISABLE(huart->hdmarx);
        // 计算接收到的数据长度
        uint8_t dataLen = rxBufferLen - __HAL_DMA_GET_COUNTER(huart->hdmarx) + '0'; 
        // 发送数据长度，使用轮询方法
        HAL_UART_Transmit(&huart1, &dataLen, 1, 10);

        // 重启DMA接收
        __HAL_DMA_SET_COUNTER(huart->hdmarx, rxBufferLen); // 重设DMA计数器
        __HAL_DMA_ENABLE(huart->hdmarx); // 使能DMA接收
    }
}

我们在中断处理函数内添加如下内容（该函数位于文件stm32g4xx_it.c内）。

void USART1_IRQHandler(void)
{
    /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 0 */

    /* USER CODE END USART1_IRQn 0 */
    HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
    /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 1 */
    if(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_IDLE) != RESET) // 判断中断是否为空闲中断
    {
        __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart1); // 清除空闲中断标志位
        UART_DMAIdleCallback(&huart1); // 空闲回调函数
    }
    /* USER CODE END USART1_IRQn 1 */
}

6. 课后实践作业

使用DMA+空闲中断实现接收不定长的英文字符串，翻转大小写后输出。

posted @ 2023-06-29 22:34 北京理工大学机器人队阅读(549) 评论(0) 编辑收藏举报

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