前言

本文主要介绍串口的DMA数据搬运与空闲中断的使用，不讨论阻塞式串口收发和普通中断串口收发。

若无特殊说明，串口配置默认为115200 Baud，8位数据位，1位停止位，无校验位。

DMA？空闲中断？

  • DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）：一种数据传输机制，允许数据在外设和内存之间直接传输，无需CPU介入。

  • 串口+DMA：在串口收发数据的同时，单片机可以执行其他任务。

  • 空闲中断：当总线在一个字节时间内未接收到数据时触发中断，表示数据接收完毕。

CUBEMX配置

新建工程

新建CUBEMX工程（略），打开串口配置页面，选择异步模式，其余配置保持默认。
uart1

添加DMA

在DMA配置页面，添加RX和TX的DMA通道，模式选择Normal。
uart2

Normal和Circular模式的区别：

  • Normal（默认/单次）：DMA传输完成后停止工作，需要重新启动才能开启下一次传输。
  • Circular（循环）：DMA会持续工作（自动重新启动），不断搬运数据。

大多数场景下，我们需要对串口数据进行后处理，因此中断尤为重要。本文使用空闲中断，在接收完一轮数据后进入中断处理，处理完成后手动开启下一次DMA接收，因此应配置为Normal模式。

配置中断

在NVIC配置页面，开启串口和DMA的全局中断。

配置完DMA后通常会自动开启。
uart3

生成代码

配置工程名、Code Generator等基本设置，生成代码。
uart4

Keil代码

函数介绍

HAL库的DMA串口收发函数如下：

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HAL_UART_Transmit_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, const uint8_t *pData, uint16_t Size)

HAL_UART_Receive_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size)

其中，三个参数分别为串口号、首位发送数据地址、数据长度。

示例：

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HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, tx_buf, sizeof(tx_buf));

初始化

  • 定义接收数据缓存区：
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/* USER CODE BEGIN PV */
uint8_t rx_buf[32];
/* USER CODE END PV */

变量名和大小请根据实际需求修改。

  • 开启DMA接收与空闲中断：
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/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, rx_buf, sizeof(rx_buf));
  • 关闭半满中断：
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__HAL_DMA_DISABLE_IT(&hdma_usart1_rx, DMA_IT_HT);
/* USER CODE END 2 */

在HAL库中，调用HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA函数后会自动开启半满中断，但大多数场景下仅需传输完一组数据后的空闲中断，因此需手动关闭半满中断。

需要注意，hdma_usart1_rx仅在usart.c文件中定义，未在usart.h中声明，直接在main.c中使用会报错。因此需在usart.h中添加以下代码：

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/* USER CODE BEGIN Private defines */
extern DMA_HandleTypeDef hdma_usart1_rx;
/* USER CODE END Private defines */

重写中断回调函数

中断回调函数在接收一轮数据后触发，数据处理逻辑通常放在此处。在main.c中添加以下代码：

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/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size){
  if(huart->Instance == USART1){
    // 处理数据的函数或相关语句
    // ...
  }
}
/* USER CODE END 4 */

开启下一轮接收

在stm32fxxx_it.c文件中的以下位置，添加两行代码：

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/**
  * @brief This function handles USART1 global interrupt.
  */
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 */
		HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, rx_buf, sizeof(rx_buf));// 用户添加
	__HAL_DMA_DISABLE_IT(&hdma_usart1_rx, DMA_IT_HT);// 用户添加
  /* USER CODE END USART1_IRQn 1 */
}

由于rx_buf仅在main.c中定义，因此需在stm32fxxx_it.c中引用：

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/* USER CODE BEGIN PV */
extern uint8_t rx_buf[32];
/* USER CODE END PV */
  • 注意：重新开启DMA接收与空闲中断的函数必须放在USART1_IRQHandler中，不能放在HAL_UARTEx_RxEventCallback回调函数中，具体原因将在文章最后说明。

重写报错回调函数

通常情况下，当串口发生错误时，会进入此回调函数，用户可以在函数中进行错误处理、重新开启串口等操作，在main.c中添加以下代码：

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/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_UART_ErrorCallback(UART_HandleTypeDef *huart){
  if(huart->Instance == USART1){
    // 错误处理函数或相关语句
    // ...
    // 若用户允许忽略错误，可以直接再次开启串口接收，比如：
    // HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, rx_buf, sizeof(rx_buf));
    // __HAL_DMA_DISABLE_IT(&hdma_usart1_rx, DMA_IT_HT);
  }
}
/* USER CODE END 4 */

大坑！

前文 开启下一轮接收 部分提到，重新开启的函数必须放在stm32fxxx_it.c文件下的USART1_IRQHandler函数中。

很多人习惯在回调函数的最后直接开启下一轮串口接收，从直观感受上似乎也说得通。

然而，当串口波特率偶然发生变化时，将不会进入回调函数，此轮接收结束后，串口空闲中断和DMA将被关闭。又由于无法进入回调函数，串口空闲中断和DMA无法被重新开启，导致串口接收永久失效！

如果将重启函数写在USART1_IRQHandler函数中，即使串口波特率发生变化，USART1_IRQHandler函数也会被调用，串口空闲中断和DMA会被重新开启，不影响下一轮数据接收。

有人可能会说：“我保持一个波特率不就好了？”但实际上并不容易。此处 串口波特率偶然发生变化 不仅指用户手动修改波特率，MCU和外设初始化时、设备受到较大震动、串口线缆松动等情况都有可能导致波特率偶然出错。

举两个惨痛教训：

  • 笔者所在的实验室在调试一套激光定位系统时，分控板连接了4个激光测距模块，有时分控板会突然停止吐数据，发送引脚无任何波形，但进入debug发现串口缓冲区仍有激光的数据更新。当时查了好久，而且一进debug问题就消失了（之后分析是因为进debug使串口被重新初始化，重新打开了接收），最后终于发现没有进回调函数，才醒悟过来是这个问题。推测是定位系统在高速运动时受到震动，串口波特率不稳定。

  • 大一某次使用串口屏时，若MCU和串口屏同时上电，表现出串口屏触摸无法被单片机读取的情况；按一下MCU的rst或者进入debug，问题就解决了。当时使用了上电后连续初始化数次，每次间隔一段时间这种蠢办法，才临时解决了这个问题（之后看其实是上电瞬间MCU和串口屏两边波特率没对上，连续初始化的时间让MCU端跨过了这个时间段），其实也是因为重新开启的函数放错位置才导致此问题。

关于这个坑的详细描述及测试，可以参考 《HAL库 串口空闲中断+DMA接收不定长数据 详解及踩坑》 这篇文章，笔者也是有幸读到这篇文章才第一次意识到这个问题。