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STM32F103ZET6的USART 中断配置详解

news 2025/7/10 11:22:44

在串口通信中，除了轮询方式，中断方式能更高效地处理数据收发，尤其适合需要实时响应的场景。本文将详细介绍如何在 STM32 中配置 USART 中断（包括接收中断和空闲中断），并通过中断处理函数实现数据的实时接收与命令解析。

一、为什么需要 USART 中断

轮询方式虽然简单，但在等待数据时会阻塞 CPU，导致系统效率低下。而中断方式让 CPU 可以在没有数据时处理其他任务，只有当数据到来或满足特定条件（如总线空闲）时，才会触发中断并暂停当前任务去处理串口数据。这种方式能显著提高系统的实时性和资源利用率。

对于串口通信，常用的中断有两种：

接收中断（RXNE）：当接收缓冲区有数据时触发，用于实时接收单个字节。
空闲中断（IDLE）：当串口总线在数据传输后处于空闲状态时触发，通常用于判断一帧数据（如一个字符串）接收完成。

二、开启 USART 中断（接收中断与空闲中断）

要使用中断，首先需要开启对应的中断使能位。以下是寄存器和库函数两种实现方式：

1. 寄存器方式

// 打开接收中断（RXNEIE，CR1寄存器第5位）和空闲中断（IDLEIE，CR1寄存器第4位）
USART1->CR1 |= (1 << 5);  // 使能接收缓冲区非空中断（RXNE）
USART1->CR1 |= (1 << 4);  // 使能空闲线路检测中断（IDLE）

2. 库函数方式

// 打开接收中断和空闲中断
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);  // 使能RXNE中断
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_IDLE, ENABLE);  // 使能IDLE中断

三、配置中断控制器 NVIC

STM32 的中断由 NVIC（嵌套向量中断控制器）管理，需要配置中断优先级和使能中断通道。

1. 中断优先级分组

STM32 的中断优先级由抢占优先级和响应优先级组成，通过优先级分组设置两者的位数。常用的分组方式是 “2+2”（2 位抢占优先级，2 位响应优先级），共支持 16 级优先级。

// 设置中断优先级分组为2（2位抢占优先级，2位响应优先级）
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

2. 配置 USART1 中断通道

// 定义NVIC初始化结构体
NVIC_InitTypeDef nvic;// 指定中断通道为USART1
nvic.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
// 使能该中断通道
nvic.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
// 设置抢占优先级（1级）
nvic.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
// 设置响应优先级（1级）
nvic.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;// 初始化NVIC
NVIC_Init(&nvic);

抢占优先级决定中断的嵌套能力（高抢占优先级的中断可以打断低抢占优先级的中断）。
响应优先级决定同抢占优先级中断的执行顺序（数值越小，优先级越高）。

四、实现中断处理函数

中断处理函数是中断发生时的执行逻辑，STM32 规定了固定的函数名（如USART1_IRQHandler）。我们需要在函数中区分中断类型（接收中断 / 空闲中断），并进行相应处理。

1. 全局变量定义

首先定义用于缓存数据和命令的全局变量：

uint8_t buffer[255] = {0};  // 接收缓冲区（最大255字节）
uint8_t data;               // 临时变量，用于清除中断标志
int cnt = 0;                // 缓冲区计数
// 命令定义
uint8_t cmd0[] = "关灯";    // 关灯命令
uint8_t cmd1[] = "开灯";    // 开灯命令
uint8_t cmd2[] = "放歌";    // 放歌命令

2. 寄存器方式的中断处理函数

void USART1_IRQHandler(void)
{// 接收中断（RXNE：接收缓冲区非空）if (USART1->SR & (0X1 << 5))  // 判断SR寄存器第5位（RXNE标志）{buffer[cnt++] = USART1->DR;  // 读取数据寄存器，保存到缓冲区// 注意：读取DR会自动清除RXNE标志}// 空闲中断（IDLE：总线空闲）if (USART1->SR & (0X1 << 4))  // 判断SR寄存器第4位（IDLE标志）{// 清除空闲中断标志（必须先读SR，再读DR）data = USART1->SR;  // 读SR寄存器data = USART1->DR;  // 读DR寄存器（数据无用，仅用于清除标志）// 命令匹配与执行if (strcmp((char*)cmd0, (char*)buffer) == 0){GPIOB->ODR |= (0X1 << 5);  // PB5置高，关灯}else if (strcmp((char*)cmd1, (char*)buffer) == 0){GPIOB->ODR &= ~(0X1 << 5);  // PB5置低，开灯}else if (strcmp((char*)cmd2, (char*)buffer) == 0){play_two_tigers();  // 调用放歌函数（需提前实现）}// 清空缓冲区，准备下次接收memset(buffer, 0, cnt);cnt = 0;}
}

3. 库函数方式的中断处理函数

void USART1_IRQHandler(void)
{// 接收中断（RXNE）if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET){buffer[cnt++] = USART_ReceiveData(USART1);  // 读取数据到缓冲区USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);  // 清除接收中断标志}// 空闲中断（IDLE）if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_IDLE) != RESET){// 清除空闲中断标志（先读SR，再读DR）data = USART1->SR;  // 读SR寄存器data = USART_ReceiveData(USART1);  // 读DR寄存器// 命令匹配与执行if (strcmp((char*)cmd0, (char*)buffer) == 0){GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);  // PB5置高，关灯}else if (strcmp((char*)cmd1, (char*)buffer) == 0){GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);  // PB5置低，开灯}else if (strcmp((char*)cmd2, (char*)buffer) == 0){play_two_tigers();  // 调用放歌函数}// 清空缓冲区memset(buffer, 0, cnt);cnt = 0;}
}

4. 关键逻辑说明

接收中断（RXNE）：每次收到一个字节就触发，将数据存入buffer并递增计数cnt。
空闲中断（IDLE）：当串口在数据传输后空闲（无数据达一定时间）时触发，此时认为一帧数据接收完成。我们需要：
1. 清除空闲中断标志（必须先读SR再读DR，否则标志无法清除）；
2. 对比缓冲区数据与预设命令，执行对应操作（如开灯、关灯）；
3. 清空缓冲区，重置计数，准备下一次接收。

五、完整代码示例（库函数版）

将上述配置整合，完整代码如下：

#include "stm32f10x.h"
#include <string.h>// 全局变量
uint8_t buffer[255] = {0};
uint8_t data;
int cnt = 0;
uint8_t cmd0[] = "关灯";
uint8_t cmd1[] = "开灯";
uint8_t cmd2[] = "放歌";// 函数声明
void USART1_Init(void);
void GPIO_Init_LED(void);
void play_two_tigers(void);  // 假设已实现int main(void)
{// 初始化LED（PB5）GPIO_Init_LED();// 初始化USART1（含中断配置）USART1_Init();while (1){// 主循环可处理其他任务，中断会实时响应}
}// USART1初始化（含GPIO、USART配置和中断使能）
void USART1_Init(void)
{// 1. 使能时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);// 2. 配置GPIO（PA9=TX，PA10=RX）GPIO_InitTypeDef gpio;// PA9：复用推挽输出gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;gpio.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &gpio);// PA10：浮空输入gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;GPIO_Init(GPIOA, &gpio);// 3. 配置USART1USART_InitTypeDef usart;usart.USART_BaudRate = 9600;usart.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;usart.USART_StopBits = USART_StopBits_1;usart.USART_Parity = USART_Parity_No;usart.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;usart.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;USART_Init(USART1, &usart);// 4. 配置中断优先级NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);NVIC_InitTypeDef nvic;nvic.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;nvic.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;nvic.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;nvic.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;NVIC_Init(&nvic);// 5. 使能USART中断USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);USART_ITConfig(USART1, USART_IT_IDLE, ENABLE);// 6. 使能USART1USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}// LED初始化（PB5推挽输出）
void GPIO_Init_LED(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);GPIO_InitTypeDef gpio;gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;gpio.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;GPIO_Init(GPIOB, &gpio);
}// 中断处理函数
void USART1_IRQHandler(void)
{if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET){buffer[cnt++] = USART_ReceiveData(USART1);USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);}if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_IDLE) != RESET){data = USART1->SR;data = USART_ReceiveData(USART1);if (strcmp((char*)cmd0, (char*)buffer) == 0){GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);  // 关灯}else if (strcmp((char*)cmd1, (char*)buffer) == 0){GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);  // 开灯}else if (strcmp((char*)cmd2, (char*)buffer) == 0){play_two_tigers();  // 放歌}memset(buffer, 0, cnt);cnt = 0;}
}

六、总结与注意事项

中断标志的清除：
- 接收中断（RXNE）：读取DR寄存器后自动清除。
- 空闲中断（IDLE）：必须先读SR寄存器，再读DR寄存器才能清除，否则会重复触发中断。
缓冲区溢出处理：
示例中未处理缓冲区溢出（cnt超过 255），实际应用中需添加判断（如if (cnt >= 255) cnt = 0;）。
命令匹配的局限性：
示例使用strcmp匹配命令，要求输入与命令完全一致（包括长度）。实际应用中可使用字符串查找函数（如strstr）提高灵活性。
中断优先级的设置：
根据系统需求调整抢占优先级和响应优先级，确保关键中断优先执行。