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STM32 串口接收数据包（自定义帧头帧尾）

news 2025/9/10 6:22:11

一、基本概述

本实验基于 STM32C8T6 单片机 开发，串口作为嵌入式系统中基础且核心的外设，广泛应用于设备间数据通信。本文重点讲解 自定义帧头帧尾的串口数据包接收与发送逻辑，核心是理解 “如何通过帧结构区分有效数据、避免数据混淆”，并掌握中断驱动的串口数据处理思路。

核心设计思路

通过自定义数据包格式（帧头 + 定长数据 + 帧尾），解决串口通信中 “数据边界模糊” 的问题：

  • 帧头（Header）：固定为 0xFE，用于标记数据包的开始。
  • 数据段（Data）：定长 4 字节，存储实际业务数据（可根据需求调整长度）。
  • 帧尾（Tail）：固定为 0xFF，用于标记数据包的结束。

二、关键变量定义与逻辑解析

2.1 核心变量

// 接收相关变量（usart.c中定义，需通过usart.h extern导出供其他文件使用）
uint8_t rxd_buf[4];    // 接收缓冲区，存储4字节定长数据段
uint8_t rxd_flag = 0;  // 接收完成标志：0=未完成，1=完成（用于主函数判断是否处理数据）
uint8_t rxd_index = 0; // 接收索引：记录当前接收数据在rxd_buf中的位置// 发送相关变量（示例用，可根据需求修改）
uint8_t txd_buf[4] = {1,2,3,4}; // 默认发送数据包（仅示例）

2.2 核心逻辑：串口中断服务函数

串口接收采用 中断驱动方式（仅当有数据接收时触发中断，降低 CPU 占用），通过 状态机（switch-case） 解析数据包，流程如下：

状态机设计
状态（recv_state）功能描述
0（等待帧头）检测是否接收到帧头 0xFE，若收到则切换到状态 1，同时重置接收索引；否则保持状态 0。
1（接收数据段）将接收到的字节依次存入 rxd_buf，每存 1 字节rxd_index自增 1；当接收满 4 字节（rxd_index>=4），切换到状态 2。
2（等待帧尾）检测是否接收到帧尾 0xFF，若收到则置位 rxd_flag=1（标记接收完成），同时重置状态为 0；否则丢弃该包（不置位标志）。
中断服务函数代码
/*** @brief  USART1中断服务程序（核心：数据包解析）* @param  无* @retval 无*/
void USART1_IRQHandler(void)                 
{u8 recv_dat; // 临时变量，存储单次接收到的字节static uint8_t recv_state = 0; // 静态状态变量，默认从状态0开始（中断退出后不丢失值）// 1. 判断是否为“接收数据寄存器非空”中断（有新数据接收）if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)  {// 2. 读取接收到的1字节数据（从USART1的DR寄存器读取）recv_dat = USART_ReceiveData(USART1); // 3. 状态机解析数据包switch (recv_state){ case 0: // 状态0：等待帧头 0xFEif (recv_dat == 0XFE) // 检测到帧头{recv_state = 1;   // 切换到“接收数据段”状态rxd_index = 0;    // 重置接收索引（从buf[0]开始存数据）}else // 未检测到帧头，保持状态0{recv_state = 0;}break;case 1: // 状态1：接收4字节数据段rxd_buf[rxd_index] = recv_dat; // 存入缓冲区rxd_index++;                   // 索引自增，指向下一个存储位置if (rxd_index >= 4)            // 判断是否接收满4字节数据{recv_state = 2;            // 切换到“等待帧尾”状态}break;case 2: // 状态2：等待帧尾 0xFFif (recv_dat == 0XFF) // 检测到帧尾{rxd_flag = 1;     // 置位接收完成标志（主函数可检测该标志处理数据）recv_state = 0;   // 重置状态为0，准备接收下一包数据}break;}// 4. 清除中断标志位（必须操作，否则会重复触发中断）USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);	 		} 
}

三、串口工具测试验证

使用 XCOM V2.6 串口助手 发送自定义格式数据包，验证接收与回显功能，测试配置与结果如下：

3.1 串口配置

配置项参数值
串口端口COM3（根据实际硬件选择）
波特率115200
数据位8 位
停止位1 位
校验位None（无校验）
发送格式16 进制发送

3.2 测试数据与结果

  • 发送数据包（16 进制）：FE 00 00 00 01 FF（帧头 + 4 字节数据 + 帧尾）
  • 接收回显结果（串口助手显示）：FE 00 00 00 01 FF（STM32 接收完成后回显相同数据包）
串口助手日志示例

plaintext

[2023-12-06 22:29:55,476] TX: FE 00 00 00 01 FF 0D 0A  // 上位机发送
[2023-12-06 22:29:55.689] RX: FE 00 00 00 01 FF        // STM32回显
[2023-12-06 22:29:56.790] TX: FE 00 00 00 01 FF 0D 0A  // 再次发送
[2023-12-06 22:29:57.672] RX: FE 00 00 00 01 FF        // 再次回显

四、完整程序代码

4.1 usart.c（串口驱动与数据包处理）

c

运行

#include "usart.h"	
#include "led.h"	  // 全局变量定义（接收相关）
uint8_t rxd_buf[4];    // 接收缓冲区（4字节定长）
uint8_t rxd_flag = 0;  // 接收完成标志
uint8_t rxd_index = 0; // 接收索引
uint8_t txd_buf[4] = {1,2,3,4}; // 默认发送缓冲区（示例）/*** @brief  USART1初始化函数* @param  bound：波特率（如115200、9600等）* @retval 无*/
void USART1_Init(u32 bound)
{// 1. 定义初始化结构体GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;USART_InitTypeDef USART_InitStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;// 2. 使能时钟（GPIOA和USART1都挂载在APB2总线上）RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE); 	// 3. 配置GPIO（TX: PA9，复用推挽输出；RX: PA10，浮空输入）// 配置TX引脚（PA9）GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽输出（串口发送需要复用功能）GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);// 配置RX引脚（PA10）GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入（避免外部干扰）GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);// 4. 配置USART1参数USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound; // 波特率USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; // 8位数据位USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; // 1位停止位USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; // 无奇偶校验USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; // 无硬件流控USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; // 同时使能接收和发送USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); // 初始化USART1// 5. 使能USART1USART_Cmd(USART1, ENABLE);  USART_ClearFlag(USART1, USART_FLAG_TC); // 清除发送完成标志（避免初始状态异常）// 6. 配置串口接收中断（使能“接收数据寄存器非空”中断）USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);// 7. 配置NVIC（中断优先级）NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn; // 串口1中断通道NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 3; // 抢占优先级3NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3; // 响应优先级3NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; // 使能该中断通道NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); // 初始化NVIC
}/*** @brief  重定义printf函数（支持通过USART1打印调试信息）* @param  ch：要打印的字符，FILE*：标准库文件指针（无需手动传参）* @retval 打印的字符（符合printf函数返回值要求）*/
int fputc(int ch, FILE *p)  
{USART_SendData(USART1, (u8)ch); // 发送1字节数据while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); // 等待发送完成return ch;
}/*** @brief  发送1字节数据* @param  byte：要发送的字节* @retval 无*/
void send_byte(uint8_t byte)
{USART_SendData(USART1, byte);while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); // 等待发送完成
}/*** @brief  发送字符串（以'\0'为结束符）* @param  str：指向字符串的指针* @retval 无*/
void send_string(uint8_t *str)
{while (*str != '\0') // 遍历字符串，直到遇到结束符{send_byte(*str++); // 发送当前字符，指针自增指向下一个字符}
}/*** @brief  发送指定长度的字节数组* @param  buf：指向数组的指针，len：要发送的字节数* @retval 无*/
void send_buf(uint8_t *buf, uint16_t len)
{uint16_t i;for (i = 0; i < len; i++){send_byte(buf[i]); // 逐个发送数组元素}
}/*** @brief  发送自定义格式数据包（帧头+数据段+帧尾）* @param  无（使用rxd_buf作为数据段，可根据需求修改）* @retval 无*/
void send_pack(void)
{send_byte(0xFE);       // 发送帧头send_buf(rxd_buf, 4);  // 发送4字节数据段（接收缓冲区的数据）send_byte(0xFF);       // 发送帧尾
}/*** @brief  USART1中断服务程序（核心：数据包解析）* @param  无* @retval 无*/
void USART1_IRQHandler(void)                 
{u8 recv_dat;static uint8_t recv_state = 0;if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)  {recv_dat = USART_ReceiveData(USART1); switch (recv_state){ case 0: if (recv_dat == 0XFE){recv_state = 1;rxd_index = 0;}else{recv_state = 0;}break;case 1: rxd_buf[rxd_index] = recv_dat;rxd_index++;if (rxd_index >= 4){recv_state = 2;}break;case 2: if (recv_dat == 0XFF){rxd_flag = 1;recv_state = 0;}break;}USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);	 		} 
}

4.2 usart.h（头文件，声明函数与全局变量）

c

运行

#ifndef _usart_H
#define _usart_H #include "system.h" 
#include "stdio.h"  // 声明全局变量（供其他文件使用）
extern uint8_t rxd_flag; // 接收完成标志// 声明函数（供其他文件调用）
void USART1_Init(u32 bound);
void send_byte(uint8_t byte);
void send_string(uint8_t *str);
void send_buf(uint8_t *buf, uint16_t len);
void send_pack(void);#endif

4.3 main.c（主函数，业务逻辑处理）

#include "system.h"
#include "SysTick.h"
#include "led.h"
#include "pwm.h"
#include "usart.h"
#include "key.h"
#include "oled.h"int main(void)
{// 1. 初始化外设SysTick_Init(72); // 初始化SysTick定时器（72MHz时钟，用于延时）NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); // 中断优先级分组：2组（2位抢占+2位响应）USART1_Init(115200); // 初始化USART1，波特率115200USART2_Init(115200); // 初始化USART2（按需使用，本示例未用到）OLED_Init(); // 初始化OLED显示屏（按需使用）KEY_Init();  // 初始化按键（按需使用）LED_Init();  // 初始化LED（按需使用）// 2. 发送初始化提示信息send_string("hello stm32\r\n"); // 发送字符串（\r\n为换行符，使串口助手显示换行）// 3. 主循环（处理接收完成的数据包）while (1){// 检测到数据包接收完成（rxd_flag=1）if (rxd_flag == 1){rxd_flag = 0; // 重置标志位（避免重复处理）send_pack();  // 回显接收到的数据包（将接收的内容原样发送回去）}}
}

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