利用极海APM32 MCU的UART和DMA配合乒乓操作实现批量数据接收

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一、前言

1.1 应用场景

UART是一种应用广泛的通信接口，使用简单，绝大部分MCU都有这种接口。

MCU端如果想接收串口的数据，简单的做法是在“接收寄存器非空”中断中一个字节一个字节的接收，这种方式代码处理起来简单些，一般情况下够用，但是如果接收的数据量非常大就不太合适，此外，这种方式需要CPU频繁处理中断，占用大量CPU时间不说，MCU性能低点还容易丢数据。

这是就需要用DMA来进行批量数据的接收，APM32的大部分UART都配有DMA,利用UART的空闲中断和DMA传输完成中断实现一次中断接收多个数据。

1.2 APM32的相关资源

想用DMA接收前提是改UART支持DMA功能，对于APM32E103来说除了UART5，其他串口都是有DMA功能的。

这次我们用DMA进行多个数据接收，串口中断源只需要用到"空闲中断"即可。DMA传输完成中断只有在传输完特定数量数据后才触发，接收到的数据不足则不触发；而空闲中断则在超过1个字节时间没有收到数据时触发，空闲中断还是很有必要，因为对方发过来的数据往往是随机的。

其中，“总线空闲”（IDLE）正是我们所要使用的关键中断源。手册里对空闲帧的处理机制说明如下：

对应的状态标志位定义如下，当检测到空闲总线时硬件会置位该标志：

这次我们以USART1为例，USART1的RX对应是DMA1的通道5。

二、乒乓操作算法

在用DMA接收数据如果只有一个数组进行缓存，那存在一个问题，在处理这些刚数据时，后面发过来的数据会覆盖这个缓存，导致数据错乱；如果直接在中断服务中先处理数据再开启下一次DMA传输，则很可能因为DMA开晚了导致丢失部分数据。

想解决以上问题，最好就是使用双缓存组成乒乓操作，DMA传输使用一个缓存，数据的解析解析处理使用另一个缓存，每次DMA传输完成修改地址切换成另一个缓存，这样一个缓存用于写入，另一个缓存用于读取，解决了接收速度和解析速度不匹配的问题，这种操作也叫乒乓操作。

弄懂乒乓操作后，下面就来编写代码，先建立一个乒乓数据类型，用来存储该算法需要的所有相关信息。

#defineMaxBufferSize 100 //单次最大接收长度

typedef struct

{

unsigned char buffer[2][MaxBufferSize+4];

unsigned int length[2];

unsigned char w_index;

unsigned char r_index;

}PingpongDef;

为了防止某些变量默认值不是0而产生一些BUG，编写一个初始化函数进行关键变量清零：

//乒乓缓存初始化

void pingpong_init(void)

{

comBuf.w_index = 0;

comBuf.r_index = 0;

comBuf.length[0] = 0;

comBuf.length[1] = 0;

}

编写缓存的写入函数，实现DMA传输完成中断或串口空闲中断的乒乓操作，写操作主要是要记录此次接收数据长度并切换DMA传输地址。

//乒乓缓存写

//unsigned int len: 本次写入的数据长度

//返回：下次写入的缓存地址

unsigned char *pingpong_write(unsigned int len)

{

comBuf.length[comBuf.w_index] = len;

comBuf.r_index = comBuf.w_index;

comBuf.w_index ^= 0x01;

return comBuf.buffer[comBuf.w_index];

}

编写缓存的读取函数，实现在while(1)中的数据解析前的乒乓操作，读操作时先判断这次的数据长度，如果确实有数据则输出这次数据的长度和指针，给后面代码使用。

//乒乓缓存读

//unsigned int *len：读出的数据长度

//返回：读出的数据地址

unsigned char *pingpong_read(unsigned int *len)

{

unsigned char *p;

*len = comBuf.length[comBuf.r_index];

if (*len == 0)

{

p = NULL;

}

else

{

p = comBuf.buffer[comBuf.r_index];

comBuf.length[comBuf.r_index] = 0;

}

return p;

}

这三个函数属于纯算法，可以用于后面代码调用。

void pingpong_init(void);

unsigned char *pingpong_write(unsigned int len);

unsigned char *pingpong_read(unsigned int *len);

三、UART和DMA的代码

3.1、UART和DMA的初始化

首先是USART1的配置，这部分和正常的USART配置相同。

接着是DMA的配置，也就是 DMA1_Channel5 的配置，外设地址设为USART的基地址+0x04。

外设地址不增，储存地址自增，数据大小都设置为字节，循环模式设置为禁止，内存地址设为之前的乒乓缓存的第1个数组，内存大小也就是DMA单次最大传输长度，这里设为100，传输方向设为从外设到内存。

最后使能USART的DMA接收功能，使能DMA通道，使能DMA的传输完成中断，使能串口的空闲中断。

//UART + DMA初始化

void uart_dma_init(void)

{

GPIO_Config_T GPIO_ConfigStruct;

USART_Config_T USART_ConfigStruct;

RCM_EnableAPB2PeriphClock(RCM_APB2_PERIPH_GPIOA | RCM_APB2_PERIPH_USART1);

//USART config

GPIO_ConfigStruct.mode = GPIO_MODE_AF_PP;

GPIO_ConfigStruct.pin = GPIO_PIN_9;

GPIO_ConfigStruct.speed = GPIO_SPEED_10MHz;

GPIO_Config(GPIOA, &GPIO_ConfigStruct);

GPIO_ConfigStruct.mode = GPIO_MODE_IN_FLOATING;

GPIO_ConfigStruct.pin = GPIO_PIN_10;

GPIO_ConfigStruct.speed = GPIO_SPEED_10MHz;

GPIO_Config(GPIOA, &GPIO_ConfigStruct);

USART_ConfigStruct.baudRate = UartBaudrate;

USART_ConfigStruct.hardwareFlow = USART_HARDWARE_FLOW_NONE;

USART_ConfigStruct.mode = USART_MODE_TX_RX;

USART_ConfigStruct.parity = USART_PARITY_NONE;

USART_ConfigStruct.stopBits = USART_STOP_BIT_1;

USART_ConfigStruct.wordLength = USART_WORD_LEN_8B;

USART_Config(USART1, &USART_ConfigStruct);

USART_Enable(USART1);

//DMA config

RCM_EnableAHBPeriphClock(RCM_AHB_PERIPH_DMA1);

DMA_Reset(DMA1_Channel4);

DMA_Reset(DMA1_Channel5);

DMA_Config_T DMA_ConfigStruct;

DMA_ConfigStruct.peripheralBaseAddr = (uint32_t)(USART1_BASE + 0x04);

DMA_ConfigStruct.peripheralInc = DMA_PERIPHERAL_INC_DISABLE;

DMA_ConfigStruct.memoryInc = DMA_MEMORY_INC_ENABLE;

DMA_ConfigStruct.peripheralDataSize = DMA_PERIPHERAL_DATA_SIZE_BYTE;

DMA_ConfigStruct.memoryDataSize = DMA_MEMORY_DATA_SIZE_BYTE;

DMA_ConfigStruct.loopMode = DMA_MODE_NORMAL;

DMA_ConfigStruct.M2M = DMA_M2MEN_DISABLE;

DMA_ConfigStruct.priority = DMA_PRIORITY_HIGH;

//USART1_RX DMA1_CH5

DMA_ConfigStruct.memoryBaseAddr = (uint32_t)comBuf.buffer[0];;

DMA_ConfigStruct.bufferSize = MaxBufferSize;

DMA_ConfigStruct.dir = DMA_DIR_PERIPHERAL_SRC;

DMA_Config(DMA1_Channel5, &DMA_ConfigStruct);

USART_EnableDMA(USART1, USART_DMA_RX);

DMA_Enable(DMA1_Channel5); //使能DMA通道

DMA_EnableInterrupt(DMA1_Channel5, DMA_INT_TC);

USART_EnableInterrupt(USART1, USART_INT_IDLE);

NVIC_EnableIRQRequest(USART1_IRQn, 0, 1);

NVIC_EnableIRQRequest(DMA1_Channel5_IRQn, 0, 0);

}

3.2 中断服务函数的处理

在两个中断服务函数中还要实现数据的接收操作，首先是串口空闲中断，进入串口空闲中断后，先清除空闲中断标志，然后读取DMA的传输长度，接着获取下一个待切换的缓存地址，重新配置长度并开启DMA通道，中断中的代码尽量少，避免执行时间过长而错过数据。

//串口接收空闲中断

void USART1_IRQHandler(void)

{

if (USART_ReadStatusFlag(USART1, USART_FLAG_IDLE) != RESET)

{

USART_ClearIntFlag(USART1, USART_INT_IDLE);

USART_RxData(USART1);

DMA1_Channel5->CHCFG_B.CHEN = DISABLE;

unsigned short len = MaxBufferSize - DMA1_Channel5->CHNDATA; //获取本次DMA传输长度

unsigned char *p = pingpong_write(len);

DMA1_Channel5->CHMADDR = (unsigned int)p;

DMA1_Channel5->CHNDATA = MaxBufferSize;

DMA1_Channel5->CHCFG_B.CHEN = ENABLE;

}

}

DMA传输完成中断的操作和串口空闲中断差不多，不同的只是前面是清除DMA的中断标志。

//DMA接收传输完成中断

void DMA1_Channel5_IRQHandler(void)

{

if (DMA_ReadIntFlag(DMA1_INT_FLAG_TC5) != RESET)

{

DMA_ClearIntFlag(DMA1_INT_FLAG_TC5);

DMA1_Channel5->CHCFG_B.CHEN = DISABLE;

unsigned short len = MaxBufferSize - DMA1_Channel5->CHNDATA; //获取本次DMA传输长度

unsigned char *p = pingpong_write(len);

DMA1_Channel5->CHMADDR = (unsigned int)p;

DMA1_Channel5->CHNDATA = MaxBufferSize;

DMA1_Channel5->CHCFG_B.CHEN = ENABLE;

}

}

四、批量数据接收测试

上面已经实现乒乓写入操作，剩下的就在while(1)中实现乒乓的读取操作，例如对数据进行解析。这里只演示数据的接收数量，把本次接收的数据量和总计接收的数据量通过printf打印出来。

//接收数据的处理..

void buffer_process(void)

{

static unsigned int total_len = 0;

unsigned int cur_len;

unsigned char *buf;

buf = pingpong_read(&cur_len);

if (buf)

{

total_len += cur_len;

printf("%d/%d ", cur_len, total_len); //打印输出本次读取长度和总长度

}

}

最后用串口助手发送一些数据进行测试，每一次都能收数据量都正确。

最重要的测试是发送一个文件，模拟批量数据的发送，以便能测试APM32的串口接收能力。发送一个64KB的文件，最终接收到的数据总数是65536，刚好不多不少。

注：文章作者在原帖中提供了代码文件，有需要请至原文21ic论坛

原文地址：

https://bbs.21ic.com/icview-3499758-1-3.html?_dsign=b03b3d40