不定长数据接收的原理是什么？怎么实现串口数据的不定长接收？

  本文开发环境：
  

• MCU型号：STM32F051R8T6
  
• IDE环境： MDK 5.25
  
• 代码生成工具：STM32CubeMx 5.2.0
  
• HAL库版本：v1.10.0（STM32Cube MCU Package for STM32F0 Series）
  
  

  本文内容：
  

• 不定长数据接收的原理
  
• 串口接收中断的配置
  
• 串口接收DMA线的配置
  
• 示例程序及起运行流程
  
• 附件：代码工程（MDK）
  
  

  重要提示：

由于本文运行的硬件环境预留了BootLoader，固工程的地址做了对应的偏移，若需要使用附件工程，请读者自行修改，否则直接下载会无法运行：





此处请根据具体工程改正，若不清楚值，请直接参考其他可以正常运行的工程。
勘误

自定义的 void USER_UART_IRQHandler(UART_HandleTypeDef *huart)函数是所有串口中断都会调用的函数，其函数内判断具体某个串口发生中断时，原判断语句if(USART1 == huart1.Instance)有误, 此处应写 if(huart->Instance == USART1)，感谢评论区m0_37204608 指正。
  

  一、不定长数据接收的原理及其解决的问题

在 STM32 中，UART是最为常见的通信方式——它每次接收一个字节。我们可以使用轮询的方式，但是对于某些数据不固定时间发送的数据，轮询的方式有时候不够灵活。也可以使用中断的方式，如每一个字节都中断一次，当时比较消耗系统资源。特别是HAL库中，从中断到回调函数运行了不少的程序，频繁的中断很可能造成数据溢出。在本文使用F051单片机中，这种情更加明显。为了避免这个问题，我们使用指定接收一定长度的数据，再调用回调函数，这会让我们可以接收大数据，但是这种情况则造成了，要求每次的包是固定长度。为了解决以上一些问题，网上最常用的办法是使用空闲中断，即在串口空闲的时候，触发一次中断，通知内核，本次运输完成了。串口空闲中断的判定是：当串口开始接收数据后，检测到1字节数据的时间内没有数据发送，则认为串口空闲了。由于我们的内核在串口接收数据到空闲这段时间，是不受理串口数据的，所以我们还需要使用DMA来协助我们把数据传送到指定的地方，当数据传输完成后，通知内核去处理。
二、STM32CubeMx 中 UART 和 DMA 的配置

当然，这里省略了每一个工程都需要配置的 系统时钟，晶振部分，如果你还不熟悉这些通用的配置或通过Cubemx建立一个工程，请参考：STM32CubeMx 初始化和读/写 IO口操作
1. UART 的 配置

1.1 UART 基本参数的配置

首先需要配置串口的基本参数，波特率可根据实际情况设置，一般设置为115200bps，9600bps 等：




1.2 使能串口 NVIC 中断并生成代码

接着需要使能中断，让串口内核可以相应串口的中断：





注意，这里还要配置NVIC生成代码，否则中断无法正常响应：





1.3 DMA 的配置

接着配置DMA，让DMA和串口接收联系起来，实现DMA串口数据的运输，记得切换回USART1选项。





1.4 配置串口 IO 口模式

某些电路可能已经配置有了外部上拉，本文在默认的模式下也可以通信，但为了保证更稳定的电平，这里配置为上拉输入：





至此，我们已经把串口，以及和串口相关的NVIC和DMA配置完毕，接下来就可以开始程序的实现了。
三、 编程步骤

• 开启串口空闲中断：在程序初始化时候，使能串口中断
  
• 定义串口空闲中断处理函数：在串口中断中添加串口空间中断处理函数
  
• 定义串口空闲中断回调函数：用以标记数据接收完成，计算接收到数据的长度
  
  

四、程序示例
首先，我们在初始化的时候，使能串口空闲中断，让串口在中断的时候，MCU可以调用串口中断函数：


1. 开启串口空闲中断
File main.c :


... ...
void main(void)
{
        .. ...
        __HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_IDLE);
        while(1)
        {
        .. ..
        }
}
... ...


当添加这个函数到工程以后，每发送一次数据，都会调用一次USART1_IRQHandler()函数，你可以在该函数中插入打印语句，来验证是否空闲中断正常。


2. 配置 DMA 接收
虽然我们使用的CubeMx来配置DMA，但只是配置DMA模式为串口到内存，所以还需要在程序中进一步指定：DMA具体搬运到内存的哪一个位置中，我们建立一个数组用以存放DMA搬运的串口数据，并使用HAL_UART_Receive_DMA()函数来配置，具体代码如下所示：
File main.c :


... ...
uint8_t receive_buff[255];                //定义接收数组
... ...
void main(void)
{
        .. ...
        __HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_IDLE);
        HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, (uint8_t*)receive_buff, 255);     //设置DMA传输，讲串口1的数据搬运到recvive_buff中，
                                                                        //每次255个字节
        while(1)
        {
        .. ..
        }
}
... ...


注意：由于main.c 和 usart.c 中都需要用到数组的大小，所以在uart.h 中进行定义


File usart.h ：


... ...
#define  BUFFER_SIZE  (255)
... ...


3. 添加中断处理函数和回调函数
CubeMx 按上述操作后，生成的工程中，已经有了串口中断的处理函数 HAL_UART_IRQHandler()，但是其里面未发现该函数中对空闲中断的处理，所以我们额外添加一个函数： USER_UART_IRQHandler()，添加后完整代码如下：


File stm32f0xx_it.c :


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 */
    USER_UART_IRQHandler(&huart1);                                //新添加的函数，用来处理串口空闲中断
    /* USER CODE END USART1_IRQn 1 */
}


当然，还需要对该函数进行定义。
File usart.c:


void USER_UART_IRQHandler(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if(USART1 == huart1.Instance)                                   //判断是否是串口1（！此处应写(huart->Instance == USART1)
    {
        if(RESET != __HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_IDLE))   //判断是否是空闲中断
        {
            __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart1);                     //清楚空闲中断标志（否则会一直不断进入中断）
            printf("rnUART1 Idle IQR Detectedrn");
            USAR_UART_IDLECallback(huart);                          //调用中断处理函数
        }
    }
}


至此，我们已经可以正常的响应串口中断，并调用了一个新的函数：USAR_UART_IDLECallback()，它是专门用来处理空闲中断的一个回调函数，其定义如下（写在 usart.c 文件即可）：


extern uint8_t receive_buff[255];                                                  //声明外部变量
void USAR_UART_IDLECallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    HAL_UART_DMAStop(&huart1);                                                     //停止本次DMA传输
   
    uint8_t data_length  = BUFFER_SIZE - __HAL_DMA_GET_COUNTER(&hdma_usart1_rx);   //计算接收到的数据长度


    printf("Receive Data(length = %d): ",data_length);
    HAL_UART_Transmit(&huart1,receive_buff,data_length,0x200);                     //测试函数：将接收到的数据打印出去
    printf("rn");


    memset(receive_buff,0,data_length);                                            //清零接收缓冲区
    data_length = 0;
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, (uint8_t*)receive_buff, 255);                    //重启开始DMA传输 每次255字节数据
}


关于计算数据长度可以具体了解HAL库函数的操作，简单来说__HAL_DMA_GET_COUNTER()函数将返回待接收的数据。将设置需要接收的数据长度，减去待接收的数据，就得到了已经接收到的数据。


至此，我们使用了DMA+串口空闲中断的方式来实现不定长数据的接收。


附件
如果你正使用同系列单片机，那么直接下载工程编的Hex文件后，通过串口调试助手向串口1发送不定长数据，将可以观察到数据返回，并打印出接收到数据的长度。