低速串行协议进阶：UART中断+DMA与复杂帧处理

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低速串行协议进阶：UART中断+DMA与复杂帧处理（STM32F103ZET6标准库）

——工业级抗干扰、FreeRTOS多任务、Modbus RTU实战

本章目标（STM32F103ZET6专属进阶）

1. 掌握UART高级技术：DMA传输、空闲中断、多缓冲管理
2. 实现工业级抗干扰设计（RS485差分+隔离电路）
3. 精通串口调试工具（示波器+逻辑分析仪）的实战应用
4. 结合FreeRTOS实现多任务UART通信（Modbus RTU从机）
5. 优化时序精度（±0.5%波特率误差控制）

一、UART高级技术：从轮询到DMA+中断

1.1 DMA传输：解放CPU（标准库实现）

1.1.1 硬件连接（USART1+DMA1）

STM32引脚	外设	DMA通道	说明
PA9（TX）	UART_TX	DMA1_CH4	发送通道
PA10（RX）	UART_RX	DMA1_CH5	接收通道

1.1.2 标准库代码（DMA初始化）

void UART_DMA_Init(void) {  
  DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;  
  RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);  

  // 配置接收DMA（USART1_RX）  
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&USART1->DR;  
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)rx_buf;  
  DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;  
  DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = RX_BUF_SIZE;  
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;  
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;  
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;  
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;  
  DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular; // 环形缓冲区  
  DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;  
  DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;  
  DMA_Init(DMA1_Channel5, &DMA_InitStructure);  
  DMA_Cmd(DMA1_Channel5, ENABLE);  

  // 使能UART接收DMA  
  USART_DMACmd(USART1, USART_DMAReq_Rx, ENABLE);  
}  

1.1.3 优势对比

模式	CPU占用	最大带宽	适用场景
轮询	100%	低（≤100KB/s）	简单调试
中断	＜1%	中（≤500KB/s）	中等数据量
DMA	0%	高（≤2MB/s）	高速连续数据（传感器阵列）

1.2 空闲中断：处理不定长帧

1.2.1 原理

• UART接收完一帧后进入空闲状态，触发中断（USART_IT_IDLE）
• 通过DMA+空闲中断实现无阻塞接收

1.2.2 标准库代码（中断配置）

void UART_Idle_Init(void) {  
  USART_ITConfig(USART1, USART_IT_IDLE, ENABLE); // 使能空闲中断  
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;  
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;  
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPriority = 1;  
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  
}  

// 中断服务函数  
void USART1_IRQHandler(void) {  
  if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_IDLE) != RESET) {  
    USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_IDLE); // 清除中断标志  
    uint16_t len = RX_BUF_SIZE - DMA_GetCurrDataCounter(DMA1_Channel5);  
    if (len > 0) {  
      xQueueSend(uart_queue, &rx_buf[RX_BUF_SIZE - len], 0); // 发送到FreeRTOS队列  
    }  
  }  
}  

1.3 多缓冲管理：环形缓冲区设计

#define RX_BUF_SIZE 256  
uint8_t rx_buf[RX_BUF_SIZE]; // 环形缓冲区  
__IO uint16_t rx_write = 0, rx_read = 0; // 读写指针  

// 写入数据（DMA中断）  
void rx_buf_write(uint8_t data) {  
  rx_buf[rx_write++] = data;  
  rx_write %= RX_BUF_SIZE;  
  if (rx_write == rx_read) rx_read++; // 溢出处理  
}  

// 读取数据（应用层）  
uint16_t rx_buf_read(uint8_t* buf, uint16_t len) {  
  uint16_t i, count = 0;  
  while (rx_read != rx_write && count < len) {  
    buf[count++] = rx_buf[rx_read++];  
    rx_read %= RX_BUF_SIZE;  
  }  
  return count;  
}  

二、工业级抗干扰设计：RS485差分+隔离

2.1 STM32配置（收发控制）

#define RS485_RE_DE PB1 // 收发控制引脚  
void RS485_Init(void) {  
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;  
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);  

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;  
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;  
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);  
  GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1); // 默认接收模式（RE/DE低电平）  
}  

// 发送模式（DE=1, RE=1）  
#define RS485_TX_EN() GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1)  
// 接收模式（DE=0, RE=0）  
#define RS485_RX_EN() GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1)  

三、串口调试工具实战：示波器+逻辑分析仪

3.1 示波器测量（RS485波形）

• 正常波形：
  • A/B线差分信号（200mV~5V）
  • 波特率验证（115200bps：8.68μs/bit）
• 异常处理：
  • 信号畸变：检查终端电阻（120Ω）是否匹配
  • 共模电压超标：增加隔离电容（100nF）

3.2 逻辑分析仪抓包（Saleae）

• Modbus RTU帧解析：

  [从机地址:01] [功能码:03] [起始地址:0000] [数据长度:0002] [CRC:840A]  
  

• 工具命令：

  # 自动识别Modbus协议（Saleae Lua脚本）  
  function decode_modbus(sample)  
    if sample[0] == 0x01 and sample[1] == 0x03 then  
      return "Read Holding Registers: " .. sample[2]..":"..sample[3]  
    end  
  end  
  

四、FreeRTOS多任务集成：UART数据解耦

4.1 任务架构

+-------------------+          +-----------------+  
| UART接收任务      |          | Modbus解析任务  |  
| （空闲中断+DMA）  ────Queue───> （协议解析+响应）|  
+-------------------+          +-----------------+  

4.2 标准库+FreeRTOS代码

// 创建队列  
QueueHandle_t uart_queue;  
#define UART_QUEUE_SIZE 16  
#define UART_ITEM_SIZE 256  

void uart_task(void* pvParameters) {  
  uint8_t rx_frame[UART_ITEM_SIZE];  
  while (1) {  
    if (xQueueReceive(uart_queue, &rx_frame, portMAX_DELAY)) {  
      xQueueSend(modbus_queue, &rx_frame, 0); // 转发到Modbus队列  
    }  
  }  
}  

void modbus_task(void* pvParameters) {  
  uint8_t frame[UART_ITEM_SIZE];  
  while (1) {  
    if (xQueueReceive(modbus_queue, &frame, portMAX_DELAY)) {  
      Modbus_ProcessFrame(frame); // 解析Modbus帧  
    }  
  }  
}  

// 初始化（main.c）  
int main(void) {  
  UART_DMA_Init();  
  RS485_Init();  
  uart_queue = xQueueCreate(UART_QUEUE_SIZE, UART_ITEM_SIZE);  
  xTaskCreate(uart_task, "UART Task", 256, NULL, 2, NULL);  
  xTaskCreate(modbus_task, "Modbus Task", 512, NULL, 1, NULL);  
  vTaskStartScheduler();  
}  

五、Modbus RTU从机实战：三要素完整应用

5.1 协议规格（工业级）

要素	内容
语法	RTU帧：从机地址(1B)+功能码(1B)+数据(NB)+CRC(2B)
语义	功能码：0x03（读寄存器）、0x06（写单个寄存器）
时序	字符间超时≤1.5字符时间，帧间超时≤3.5字符时间（115200bps：13μs/字符）

5.2 标准库实现（从机响应）

void Modbus_ProcessFrame(uint8_t* frame) {  
  uint8_t slave_addr = frame[0];  
  if (slave_addr != MY_SLAVE_ADDR) return; // 过滤非本机地址  

  uint8_t func_code = frame[1];  
  switch (func_code) {  
    case 0x03: // 读保持寄存器  
      {  
        uint16_t start_addr = (frame[2] << 8) | frame[3];  
        uint16_t quantity = (frame[4] << 8) | frame[5];  
        uint8_t* data = Modbus_ReadRegisters(start_addr, quantity);  
        uint8_t response[8 + quantity*2];  
        response[0] = slave_addr;  
        response[1] = func_code;  
        response[2] = quantity * 2;  
        memcpy(&response[3], data, quantity*2);  
        uint16_t crc = CRC16_Calculate(response, 3 + quantity*2);  
        response[3 + quantity*2] = crc >> 8;  
        response[4 + quantity*2] = crc & 0xFF;  
        RS485_TX_EN();  
        UART_DMA_Send(response, sizeof(response)); // DMA发送  
        RS485_RX_EN();  
      }  
      break;  
    // 其他功能码...  
  }  
}  

六、时序精度优化：±0.5%波特率控制

6.1 波特率计算（STM32F103ZET6）

// 公式：BRR = f_PCLK2 / (16 * BaudRate)  
#define BAUDRATE 115200  
uint32_t BRR = SystemCoreClock / (16 * BAUDRATE); // 72000000 / 1843200 = 39.0625  
USART_InitStructure.USART_BaudRate = BAUDRATE;  
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);  

// 实际波特率误差：  
// (72000000 / (16*39.0625)) - 115200 = 0 → 0%误差  

6.2 晶振校准（硬件补偿）

• 使用外部高精度晶振（8MHz±20ppm）
• 软件补偿：通过USART_SetPrescaler()动态调整

七、总结与调试技巧

7.1 本章重点

• 高级UART：DMA环形缓冲+空闲中断（无阻塞接收）
• 工业设计：RS485隔离电路（抗15kV ESD）+差分传输
• 工具实战：示波器测波形→逻辑分析仪抓包→协议解析
• FreeRTOS：任务解耦（接收→解析→响应流水线）

7.2 调试技巧

1. DMA故障：检查DMA_ISR寄存器（TCIF传输完成标志）
2. 隔离电路：测量隔离两端电压（确保5kV隔离阻抗＞100MΩ）
3. 时序问题：使用USART_GetFlagStatus(USART_FLAG_RXNE)调试接收超时

7.3 常见问题Q&A

Q：DMA传输时CPU能否休眠？
A：可以！DMA独立于CPU，配合__WFI()实现低功耗（功耗＜1mA）

Q：Modbus帧间超时如何实现？
A：使用定时器测量最后一个字符接收时间，超时后触发帧解析

课后作业（工业级UART实战）

1. DMA优化：实现双缓冲DMA（接收缓冲区1/2交替，避免中断锁）
2. 隔离设计：添加电源隔离（DCP010505）和信号隔离（ADuM1201）
3. FreeRTOS扩展：添加AT命令解析任务（处理串口指令+AT协议）

工业级通信心法：
“抗干扰是工业通信的生命线，DMA是高速传输的引擎，FreeRTOS是复杂逻辑的调度器。三者结合，让STM32在恶劣环境中实现稳定、高效的通信。”

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本章适配STM32F103ZET6特色：
✅ 专属配置：DMA1通道5（USART1_RX）、FreeRTOS任务优先级（抢占优先级1/2）
✅ 标准库深度：USART_DMACmd()与DMA_Mode_Circular的工业级应用
✅ 行业标准：严格遵循Modbus RTU规范（TIA/EIA-485-A）

技术指标：

• 最大通信距离：1200米（485总线，120Ω终端电阻）
• 抗干扰能力：±4kV浪涌（差模），±15kV ESD（人体模式）
• 数据吞吐量：230.4KB/s（115200bps，8位数据）