【STM32U3 评测】串口控制步进电机与LabVIEW数据采集

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无垠的广袤发布时间：2026-6-10 17:30

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文章简介:	本文介绍了 NUCLEO-U3C5ZI-Q 开发板结合 TMC2209 驱动器、STM32CubeMX 和 CubeIDE，实现 42 步进电机的串口指令精确控制，设计 LabVIEW 上位机实现数据的自动连续采集的项目设计，包括环境搭建、工程创建、关键代码、流程图、效果演示等。

【STM32U3 评测】串口控制步进电机与LabVIEW数据采集

本文介绍了 NUCLEO-U3C5ZI-Q 开发板结合 TMC2209 驱动器、STM32CubeMX 和 CubeIDE，实现 42 步进电机的串口指令精确控制，设计 LabVIEW 上位机实现数据的自动连续采集的项目设计，包括环境搭建、工程创建、关键代码、流程图、效果演示等。

项目介绍

Nucleo-U3C5ZI-Q 开发板结合 TMC2209 驱动板实现串口和 LabVIEW 上位机控制 42 步进电机旋转。

准备工作：步进电机参数、环境搭建、硬件连接等；
工程测试：工程配置、流程图、关键代码，串口 JSON 指令控制步进电机旋转方向、角度和速度；
LabVIEW 设计：前面板、程序面板设计，自动发送 JSON 消息，实现步进电机的自动化控制、数据采集与存储。

42 步进电机

42步进电机（NEMA17）是一种安装尺寸为 42mm×42mm 的两相混合式步进电机，广泛应用于3D打印机、数控机床和自动化控制系统。

42步进电机标准步距角为1.8°，最大输出力矩为0.5Nm，步距精度为5%；其定位精度与步距精度相关，通常采用脉冲信号进行控制。

42步进电机由定子和转子的齿数共同决定，如定子有48齿，分为8组绕组；转子有50齿。绕组分为A、B两相，通过特定的绕线方式，在同一相中，相对的绕组磁极相同，相邻的绕组磁极相反。

42步进电机的参数一般包括相数、步距角、额定电压、相电流、相电阻、相电感、绝缘等级、保持扭矩（静扭矩）、动态扭矩、定位扭矩（失步转矩）、额定转速、响应频率、温升、工作温度等。

详见：【STM32U3 评测】步进电机驱动 .

硬件连接

NUCLEO-U3C5ZI-Q 与 TMC2209 驱动板的接线方式如下

TMC2209	NUCLEO-U3C5ZI-Q	Note
Dir	PB10	Direction
Step	PC6	Step pulse
EN	PE13	Enable
GND	GND	Ground
VIO	3V3	Power

使用 Type-C 数据线连接开发板和电脑，结合 ST-LINK 虚拟串口进行通信；
TMC2209 与步进电机的接线方式如下

42步进电机	TMC2209	Note
B-	2B	B phase
B+	2A	B phase
A+	1A	A phase
A-	1B	A phase

示意图

实物图

串口打印

从开发板创建工程，串口重定位 printf 并实现字符串打印。

工程创建

打开 STM32CubeMX 软件，选择从开发板创建工程；

在 Board 标签下搜索并选择 NUCLEO-U3C5ZI-Q 型号开发板；
右下方选中目标开发板，点击右上角 Start Project 按钮，进入 CubeMX 配置界面；

在引脚配置标签页下，左侧工具目录展开 System Core，选中 GPIO；
在右侧图形引脚下方搜索 PE13 ，将其设置为 GPIO 输出模式，同时配置标签为 EN_PIN ；
同理，将 PC6 和 PB10 引脚设置为 GPIO 输出模式，配置标签分别为 STEP_PIN 和 DIR_PIN ；

点击上方 Clock 标签配置时钟参数，这里使用默认值；
点击上方 Project Manager 标签，设置工程名称、路径、工具栏等，这里使用 STM32CubeIDE 加载工程；
点击右上角 GENERATE CODE 按钮，生成并打开工程。
展开左侧工程文件目录，打开 Core/Src/main.c 文件，点击上方工具栏小锤子按钮，编译工程，无报错；

工程代码

展开左侧工程文件目录，双击打开 Core/Src/main.c 文件，关键代码如下

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
/* USER CODE END Includes */

/* USER CODE BEGIN 0 */
UART_HandleTypeDef huart1;
#ifdef __GNUC__
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
#else
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int fputc(int ch, FILE *f)
#endif

PUTCHAR_PROTOTYPE {
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
    return ch;
}
/* USER CODE END 0 */

int main(void)
{
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
      printf("Hello World!\r\n");
      HAL_Delay(500);
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

保存代码。

编译上传

右键工程文件夹，选择构建项目，或点击工具栏小锤子按钮；
构建完成后，无报错产生，点击工具栏运行按钮，自动上传固件至开发板并运行；

效果演示

运行串口调试助手软件，配置波特率等参数；
打开串口，接收到开发板连续发送的字符串；

串口中断

通过串口中断实现发送 JSON 消息控制步进电机旋转角度和速度。

工程配置

打开 STM32CubeMX 软件，加载 NUCLEO-U3C5ZI-Q 开发板；
在左侧 BSP 标签页下点击目标开发板，进入配置界面；
取消勾选 VCOM 虚拟串口预设置；

点击 USART1 ，进入 NVIC Setting，开启串口 1 全局中断；

工程命名、设置保存路径、编译器选择 STM32CubeIDE ；
点击右上角 Generate Code 按钮，生成代码并打开工程；

工程代码

展开左侧工程文件目录，双击打开 Core/Src/main.c 文件，添加如下代码

#include "main.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "stepmotor.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
/* USER CODE END Includes */

UART_HandleTypeDef huart1;

/* USER CODE BEGIN PV */
volatile bool uart_rx_ready = false;
uint8_t uart_rx_buf[256] = {0};
uint32_t uart_rx_len = 0;
uint8_t rx_temp;  // 变量用于串口接收

int target_angle = 0;
uint32_t target_speed = 2;  // 步间延时(ms)
/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes --------------*/
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ----------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
#ifdef __GNUC__
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
#else
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int fputc(int ch, FILE *f)
#endif

PUTCHAR_PROTOTYPE {
    if (HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY) != HAL_OK) {
        return EOF;
    }
    return ch;
}

// 串口接收中断回调
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if(huart->Instance == USART1)
    {
        uint8_t ch = rx_temp;
        if(uart_rx_len < sizeof(uart_rx_buf)-1)
        {
            uart_rx_buf[uart_rx_len++] = ch;
        }
        // 收到换行符或大括号（JSON结束）标记接收完成
        if(ch == '\n' || ch == '}')
        {
            uart_rx_buf[uart_rx_len] = '\0';  // 添加字符串结束符
            uart_rx_ready = true;
        }
        // 继续接收下一个字节
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_temp, 1);
    }
}

// 解析JSON {"angle":90,"speed":2}
static void parse_json_cmd(int *angle, uint32_t *speed)
{
    char *p = (char*)uart_rx_buf;
    // 尝试解析两种格式：带空格和不带空格
    if(sscanf(p, "{\"angle\":%d,\"speed\":%lu}", angle, speed) != 2)
    {
        sscanf(p, "{\"angle\": %d, \"speed\": %lu}", angle, speed);
    }
}

/* USER CODE END 0 */


int main(void)
{
    HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  // 初始化步进电机
  step_motor_init();
  // 启动串口接收中断
  HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &rx_temp, 1);
  printf("System Ready!\r\n");
  printf("Waiting for JSON command: {\"angle\":90,\"speed\":2}\r\n");
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {

    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
      if(uart_rx_ready){
          // 解析指令
          parse_json_cmd(&target_angle, &target_speed);
          printf("OK: angle=%d, speed=%lu\r\n", target_angle, target_speed);

          // 电机使能 + 转动
          step_motor_enable();
          step_motor_rotate_degrees((float)target_angle, target_speed);
          step_motor_stop();

          // 转动结束  释放扭矩
          step_motor_disable();

          // 清空接收缓冲区
          memset(uart_rx_buf, 0, sizeof(uart_rx_buf));
          uart_rx_len = 0;
          uart_rx_ready = false;
      }
      else
      {
          // 无数据时释放扭矩
          step_motor_disable();
      }

      HAL_Delay(10);
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

保存代码。

驱动代码

新建 ./Core/Inc/stepmotor.h 头文件

/*
 * stepmotor.h
 *
 *  Created on: 2026-06-10
 *  Description: TMC2209步进电机驱动封装
 */

#ifndef INC_STEPMOTOR_H_
#define INC_STEPMOTOR_H_

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include <stdbool.h>
#include <stdint.h>

/* 宏定义 --------------------------------------------------------------------*/
// 步进电机参数
#define STEPS_PER_REVOLUTION 1600    // 每圈总步数 = 200步 * 8细分

// 方向定义
#define DIR_CW   GPIO_PIN_SET        // 正转
#define DIR_CCW  GPIO_PIN_RESET      // 反转

/* 函数声明 ------------------------------------------------------------------*/

/**
 * @brief 初始化步进电机
 */
void step_motor_init(void);

/**
 * @brief 使能电机（通电）
 */
void step_motor_enable(void);

/**
 * @brief 失能电机（断电）
 */
void step_motor_disable(void);

/**
 * @brief 旋转指定步数
 * @param steps: 步数（正数正转，负数反转）
 * @param step_delay_ms: 步间延时（毫秒）
 */
void step_motor_rotate_steps(int32_t steps, uint32_t step_delay_ms);

/**
 * @brief 旋转指定角度
 * @param degrees: 角度（度，正数正转，负数反转）
 * @param step_delay_ms: 步间延时（毫秒）
 */
void step_motor_rotate_degrees(float degrees, uint32_t step_delay_ms);

/**
 * @brief 停止电机
 */
void step_motor_stop(void);

/**
 * @brief 测试函数（正反转演示）
 */
void step_motor_test_sequence(void);

#ifdef __cplusplus
}
#endif

#endif /* INC_STEPMOTOR_H_ */

保存代码。

源文件

新建 ./Core/Src/stepmotor.c 源文件，添加如下代码

/*
 * stepmotor.c
 *
 *  Created on: 2026-06-10
 *  Description: TMC2209步进电机驱动实现
 */

#include "stepmotor.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// ===================== 函数声明 =====================
static void motor_pulse_send(void);

// ===================== 函数实现 =====================

/**
 * @brief 初始化步进电机
 */
void step_motor_init(void)
{
    // 初始化引脚：EN=高电平(失能)，STEP=低，DIR=低
    HAL_GPIO_WritePin(EN_PIN_GPIO_Port, EN_PIN_Pin, GPIO_PIN_SET);
    HAL_GPIO_WritePin(STEP_PIN_GPIO_Port, STEP_PIN_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(DIR_PIN_GPIO_Port, DIR_PIN_Pin, GPIO_PIN_RESET);

    printf("TMC2209 Stepper Motor Initialized.\r\n");
    printf("Steps per revolution: %lu\r\n", STEPS_PER_REVOLUTION);
}

/**
 * @brief 使能电机（通电）
 */
void step_motor_enable(void)
{
    HAL_GPIO_WritePin(EN_PIN_GPIO_Port, EN_PIN_Pin, GPIO_PIN_RESET);
}

/**
 * @brief 失能电机（断电）
 */
void step_motor_disable(void)
{
    HAL_GPIO_WritePin(EN_PIN_GPIO_Port, EN_PIN_Pin, GPIO_PIN_SET);
}

/**
 * @brief 发送一个步进脉冲（TMC2209 上升沿触发）
 */
static void motor_pulse_send(void)
{
    HAL_GPIO_WritePin(STEP_PIN_GPIO_Port, STEP_PIN_Pin, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(1);  // 脉冲宽度1ms（实际应更短，但HAL_Delay最小1ms）
    HAL_GPIO_WritePin(STEP_PIN_GPIO_Port, STEP_PIN_Pin, GPIO_PIN_RESET);
}

/**
 * @brief 旋转指定步数
 */
void step_motor_rotate_steps(int32_t steps, uint32_t step_delay_ms)
{
    if (steps == 0) return;

    int8_t   dir_flag   = (steps > 0) ? 1 : -1;
    uint32_t abs_steps  = (uint32_t)abs(steps);

    // 设置方向
    if (dir_flag > 0)
    {
        HAL_GPIO_WritePin(DIR_PIN_GPIO_Port, DIR_PIN_Pin, DIR_CW);
        printf("Rotating CW, steps: %lu, delay: %lu ms\r\n", abs_steps, step_delay_ms);
    }
    else
    {
        HAL_GPIO_WritePin(DIR_PIN_GPIO_Port, DIR_PIN_Pin, DIR_CCW);
        printf("Rotating CCW, steps: %lu, delay: %lu ms\r\n", abs_steps, step_delay_ms);
    }

    // 使能电机
    step_motor_enable();

    // 发送步数脉冲
    for (uint32_t i = 0; i < abs_steps; i++)
    {
        motor_pulse_send();
        HAL_Delay(step_delay_ms);
    }
}

/**
 * @brief 旋转指定角度
 */
void step_motor_rotate_degrees(float degrees, uint32_t step_delay_ms)
{
    // 角度转步数（四舍五入）
    int32_t steps = (int32_t)(degrees * (STEPS_PER_REVOLUTION / 360.0f) + 0.5f);

    if (steps != 0)
    {
        step_motor_rotate_steps(steps, step_delay_ms);
    }
}

/**
 * @brief 停止电机
 */
void step_motor_stop(void)
{
    // 保持使能，停止发脉冲即可
    HAL_GPIO_WritePin(STEP_PIN_GPIO_Port, STEP_PIN_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    printf("Motor stopped\r\n");
}

/**
 * @brief 测试函数（正反转演示）
 */
void step_motor_test_sequence(void)
{
    while (1)
    {
        step_motor_rotate_degrees(180.0f, 2);   // 正转180°
        step_motor_stop();
        HAL_Delay(1000);

        step_motor_rotate_degrees(-90.0f, 2);   // 反转90°
        step_motor_stop();
        HAL_Delay(1000);
    }
}

保存代码。

编译上传

右键工程文件夹，选择构建项目，或点击工具栏小锤子按钮；
构建完成后，无报错产生，点击工具栏运行按钮，自动上传固件至开发板并运行；

效果演示

运行串口调试助手软件，配置波特率等参数；
打开串口，输入 JSON 指令 {"angle": 98, "speed": 2} 并发送；
步进电机以目标速度旋转目标角度后释放扭矩，串口回复电机状态；

LabVIEW 上位机

包括前面板和程序面板设计。

前面板

前面板设计包括串口配置、单步测试、连续运行测试、实时演化曲线、数据保存、程序控制等模块。

程序面板

程序面板采用模块化设计，将串口指令函数封装，确保单次发送、连续发送任务均准确执行。

数据采集

配置目标串口，运行程序；
设置步长、目标角度、延时、存储路径等；
点击 START 按钮，开始运行步进电机并采集数据；

动态演示

LabVIEW 程序运行后，步进电机按照设定的步长和延时连续旋转；
前面板显示采集数据的实时演化曲线；

数据存储

数据采集完成后，串口停止发送消息，数据自动存储至目标路径；
数据保存格式为第一列旋转角度，第二列模拟采集数值；

总结

本文介绍了 NUCLEO-U3C5ZI-Q 开发板结合 TMC2209 驱动器、STM32CubeMX 和 CubeIDE，实现 42 步进电机的串口指令精确控制，设计 LabVIEW 上位机实现数据的自动连续采集的项目设计，包括环境搭建、工程创建、关键代码、流程图、效果演示等，为相关产品在工业领域的快速开发和应用设计提供了参考。

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【STM32U3 评测】串口控制步进电机与LabVIEW数据采集

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项目介绍

42 步进电机

硬件连接

示意图

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串口打印

工程创建

工程代码

编译上传

效果演示

串口中断

工程配置

工程代码

驱动代码

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效果演示

LabVIEW 上位机

前面板

程序面板

数据采集

动态演示

数据存储

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