【STM32C5教程】（10）LPUART DMA 通信实验

[复制链接]

HuangXF 发布时间：2026-10-22 10:45

技术帖
文章封面:
文章简介:	本文介绍在 NUCLEO-C542RC（STM32C542RCT6）上使用 LPUART1 通过板载虚拟串口，以 DMA 方式连续发送 JustFloat 格式锯齿波数据，并在 VOFA+ 中显示波形的实验。工程配置了 LPUART1 异步模式、TX/RX 引脚交换、LPDMA1_CH0 发送 DMA 及中断，主循环每 10 ms 提交一帧 8 字节数据（4 字节小端 float + 4 字节固定帧尾），数值 0~99 循环。编译烧录后，VOFA+ 以 JustFloat 引擎成功显示连续锯齿波，功能正常。

1. 项目简介

1.1 实验目标

本实验在 NUCLEO-C542RC 开发板上，使用 LPUART1 通过板载虚拟串口，以 DMA 方式连续发送 JustFloat 格式的锯齿波数据，并在 VOFA+ 中显示波形。数据格式以 vofa_justfloat.md 为准。

功能需求：

使用 LPUART1，115200 波特率、8 数据位、1 停止位、无校验，通过板载 ST-LINK 虚拟串口发送数据；
使用 DMA 发送，每帧包含 1 个浮点采样值和固定帧尾，共 8 字节；
锯齿波数据每 10 ms 提交一帧，周期约 1 秒；
串口数据流只包含 JustFloat 数据帧，不插入文本、换行或图片数据；
在发送过程中不得改写 DMA 正在读取的缓冲区。

开发板和 MCU 型号： NUCLEO-C542RC 开发板，搭载 STM32C542RCT6 MCU。

1.2 实验条件

硬件：

NUCLEO-C542RC 开发板
支持数据传输的 USB Type-C 线（用于连接 ST-LINK 接口，同时提供下载、调试和虚拟串口）

软件：

STM32CubeMX2（用于引脚、时钟、LPUART1 和 DMA 配置与代码生成）
VS Code + STM32Cube 插件（用于编译、烧录、调试）
VOFA+（用于串口数据接收与波形显示）

1.3 VOFA+ JustFloat 协议说明

VOFA+ 支持多种数据引擎，JustFloat 是面向波形显示的二进制协议。其帧结构为：N 个 32 位小端浮点数 + 4 字节固定帧尾 0x00 0x00 0x80 0x7F。VOFA+ 依靠帧尾识别一帧结束，按帧长解析后绘制各通道波形。

JustFloat 的数据帧由两部分组成：

struct Frame {
    float ch_data[CH_COUNT];   // 浮点通道数据（小端）
    unsigned char tail[4];     // 固定帧尾
};

ch_data 为浮点型通道数据，采用小端字节序。STM32 默认即为小端，可直接通过内存拷贝写入。
CH_COUNT 为每帧的通道数量。
tail 为固定帧尾，内容为 0x00 0x00 0x80 0x7F，对应 +Infinity 的小端表示。VOFA+ 依靠帧尾识别一帧的结束，因此帧尾必须完整、不能缺失。

本实验每帧发送 1 路锯齿波数据，CH_COUNT = 1，每帧共 8 字节：前 4 字节为当前采样值的 float 小端表示，后 4 字节为固定帧尾。串口数据流中只包含 JustFloat 数据帧，不插入文本、换行或调试打印。VOFA+ 侧串口参数需与 MCU 一致（115200、8N1、无流控），数据引擎选择 JustFloat。

2. 硬件说明

2.1 NUCLEO-C542RC 开发板

NUCLEO-C542RC 是 ST 基于 STM32C542RCT6 推出的 Nucleo-64 开发板。主要特性：

MCU：STM32C542RCT6，Arm Cortex-M33 内核，最高主频 144 MHz，256 KB Flash，64 KB RAM
调试器：板载 STLINK-V3EC，支持大容量存储、虚拟串口和调试端口三种功能
用户 LED：LD1，连接 PA5
用户按键：B1，连接 PC13
扩展接口：Arduino Uno V3 和 ST morpho 连接器

本实验通过板载 ST-LINK 的虚拟串口（VCP）将 LPUART1 的数据传输到 PC，无需额外外接 USB 转串口模块。一根 USB 线同时完成供电、下载、调试和串口通信。

2.2 引脚说明

引脚	复用功能	Swap 后实际功能	说明
PA2	LPUART1_RX（AF3）	LPUART1_TX	连接 ST-LINK VCP 的 RX
PA3	LPUART1_TX（AF3）	LPUART1_RX	连接 ST-LINK VCP 的 TX

PA2、PA3：配置为 LPUART1 复用功能（AF3），并启用 Tx/Rx Pins swapping。引脚复用配置本身不变，通过外设内部交换完成信号路由。

STM32C542RCT6 的 LPUART1 默认复用功能（AF3）映射为 PA2=RX、PA3=TX。而 NUCLEO-C542RC 板载 ST-LINK 的虚拟串口要求 MCU 侧的 TX 引脚连接到 PA2。默认映射与板载 VCP 连线不匹配，因此必须启用 LPUART1 的 Tx and Rx Pins swapping 功能。交换后，PA2 实际输出 LPUART1_TX，PA3 实际接收 LPUART1_RX，与板载 VCP 正确对接。生成代码中的引脚注释仍显示原始复用名称，这是正常现象。

2.3 DMA 资源分配

资源	配置	说明
LPDMA1_CH0	LPUART1_TX DMA	内存到外设，源地址递增，目标地址固定，字节宽度
LPDMA1_CH1	LPUART1_RX DMA	已配置，本实验未启动接收

3. STM32CubeMX2 工程配置

3.1 新建工程

本实验采用 MCU 方式创建工程，即以芯片型号 STM32C542RC 为起点，而非开发板方式。

进入 MCU 选择界面启动 STM32CubeMX2，在首页点击 MCU，进入芯片型号选择列表。
搜索并选中芯片在 MCU name 输入框中输入 STM32C542RC（或完整型号 STM32C542RCT6），从筛选出的列表中选择对应型号。
填写项目信息输入项目名称 LPUART_DMA 和项目保存路径。项目名称避免使用特殊字符，路径建议使用纯英文目录。

3.2 基础配置

工程创建后，软件自动进入 Pinout 视图。

时钟配置：本工程系统时钟配置为 144 MHz，LPUART1 时钟源为 APB3，频率 144 MHz，串口预分频系数为 1。

3.3 LPUART1 配置

（1）启用 LPUART1

在左侧外设列表中找到 Connectivity → LPUART1 ，激活（Active）LPUART1。

在 Main features 中，将 Mode 设置为 Asynchronous（异步模式）。设置完成后，Pinout 视图中 PA2 自动分配为 LPUART1_RX，PA3 自动分配为 LPUART1_TX（均为 AF3 复用功能）。

（2）LPUART1 参数设置

在 Main features 中设置：

参数	值
Baud Rate	115200 Bits/s
Word Length	8 Bits (including Parity)
Parity	None
Stop Bits	1
Data Direction	Receive and Transmit
Hardware Flow Control	None
Over Sampling	16

（3）启用 TX/RX 引脚交换

在 Advanced Features 中，将 Tx and Rx Pins swapping 设置为 Enabled。

STM32C542RCT6 的 LPUART1 默认 AF3 映射为 PA2=RX、PA3=TX，而 NUCLEO-C542RC 板载 ST-LINK 的虚拟串口要求 MCU 侧的 TX 连接到 PA2。启用 Swap 后，外设内部交换 TX/RX 信号路由，使 PA2 实际输出 TX、PA3 实际接收 RX，与板载 VCP 正确对接。引脚复用配置（AF3）本身不变。

（4）配置 DMA Settings

在 DMA Settings 中，点击 DMA Tx 后的 “Enable” 开关激活 TX DMA 请求，CubeMX2 会自动将该请求分配到 LPDMA1_CH0。

参数	值
Request Tx	LPUART1_CH0
Mode	Direct transfer
Peripheral Request	LPUART1_Tx_dma
Direction	Memory To Peripheral
Source Data Width	Byte
Destination Data Width	Byte
Priority	Low

如需接收功能，可选择 LPUART1_Rx，方向设为 Peripheral To Memory。

（5）使能中断

设置如下中断使能：

LPUART1 global interrupt
LPDMA1_CH0 interrupt（TX DMA 完成中断）

TX DMA 完成中断是 HAL_UART_TxCpltCallback 被调用的前提。

3.4 项目配置

点击 Project Settings，进入工程设置页面。
在 IDE Format 下拉选项中选择 CMake。
在 CMake Toolchain 下拉选项中选择 GCC。
确认配置无误后，点击 Generate Code。CubeMX2 会执行配置检查，如果没有错误，开始在指定路径下生成 CMake 工程文件。

4. 编程实现

4.1 实现思路

采用 “主循环定时调度 + DMA 单次发送 + 静态帧缓冲区” 的方案：

mx_system_init()              // CubeMX2 生成：时钟、GPIO、LPUART1、DMA 初始化
    │
    ▼
主循环 wave_process()
    │
    ├─ 检查是否有发送错误待恢复
    │      └─ 是 → HAL_UART_AbortTransmit()，等待下一个周期
    │
    ├─ 距上次提交 < 10 ms？或 UART TX 状态非空闲？
    │      └─ 是 → 直接返回
    │
    ├─ 将当前采样值写入帧缓冲区前 4 字节（memcpy，小端）
    │
    ├─ HAL_UART_Transmit_DMA() 提交一帧（8 字节）
    │      ├─ HAL_OK   → 采样序号加一，超过 99 归零
    │      ├─ HAL_BUSY → 本次跳过，不计错误
    │      └─ 其他     → 记录错误，置恢复标志
    │
    └─ 更新上次提交时刻

DMA 与阻塞发送的对比：HAL_UART_Transmit() 会逐字节等待发送寄存器空，115200 波特率下一帧 8 字节约需 0.7 ms，期间 CPU 无法执行其他任务。DMA 由硬件搬运数据，CPU 只需调用一次启动函数即可返回。

单帧提交与 DMA 循环模式：DMA 设为 Direct transfer（即 Normal 模式），每次传输完成后停止。主循环按 10 ms 周期重复提交，每帧的采样值都可以更新。循环模式下 DMA 会反复发送同一个缓冲区，波形无法变化。

提交前检查 TX 状态：HAL_UART_Transmit_DMA() 在上一帧尚未发完时调用会返回 HAL_BUSY。通过 HAL_UART_GetTxState() 判断为空闲再提交，避免无意义的忙状态返回，调度逻辑更清晰。

静态帧缓冲区：DMA 在后台读取内存。缓冲区如果定义为栈上的局部变量，函数返回后内存可能被覆盖，导致发送数据错乱。静态存储区在整个程序生命周期内有效，DMA 读取期间不会被回收。

时间调度使用 HAL_GetTick() 差值：(now - last) >= 10 的写法在毫秒计数器回绕时仍然正确，且是非阻塞的，主循环不会被延时卡住。

关键 HAL 函数：

步骤	HAL 函数	作用
获取 LPUART1 句柄	`mx_lpuart1_uart_gethandle()`	返回 CubeMX2 生成的 LPUART1 句柄
查询 TX 状态	`HAL_UART_GetTxState()`	判断上一帧是否发送完成
启动 DMA 发送	`HAL_UART_Transmit_DMA()`	提交一帧数据，立即返回
中止发送	`HAL_UART_AbortTransmit()`	出错时停止 DMA 并清理状态
获取毫秒时基	`HAL_GetTick()`	10 ms 周期调度

4.2 关键代码

在 VS Code 中打开生成的 CMake 工程，找到 Core/Src/main.c，添加以下代码。

（1）文件头部添加头文件与宏定义

#include "main.h"
#include "mx_lpuart1.h"
#include <string.h>

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
#define WAVE_SAMPLE_INTERVAL_MS 10U
#define WAVE_SAMPLES_PER_PERIOD 100U
#define JUSTFLOAT_FRAME_SIZE 8U

_Static_assert(sizeof(float) == 4U, "JustFloat requires a 32-bit float");

（2）静态帧缓冲区与统计变量

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
static uint8_t wave_tx_frame[JUSTFLOAT_FRAME_SIZE] =
{
  0U, 0U, 0U, 0U, 0x00U, 0x00U, 0x80U, 0x7FU
};
static volatile uint32_t wave_tx_error_pending;
static volatile uint32_t wave_tx_completed_count;
static volatile uint32_t wave_tx_error_count;

/* Private functions prototype -----------------------------------------------*/
static void wave_process(void);

（3）主函数

int main(void)
{
  if (mx_system_init() != SYSTEM_OK)
  {
    return (-1);
  }
  else
  {
    while (1)
    {
      wave_process();
    }
  }
}

（4）波形发送调度函数

static void wave_process(void)
{
  static uint32_t last_sample_tick;
  static uint32_t sample_index;
  hal_uart_handle_t *huart = mx_lpuart1_uart_gethandle();
  const uint32_t now = HAL_GetTick();

  if (wave_tx_error_pending != 0U)
  {
    /* 出错后在中断外恢复：先停止 DMA，再等待下一个周期 */
    wave_tx_error_pending = 0U;
    if (HAL_UART_AbortTransmit(huart) != HAL_OK)
    {
      wave_tx_error_pending = 1U;
    }
    last_sample_tick = now;
    return;
  }

  if (((uint32_t)(now - last_sample_tick) < WAVE_SAMPLE_INTERVAL_MS) ||
      (HAL_UART_GetTxState(huart) != HAL_UART_TX_STATE_IDLE))
  {
    return;
  }

  /* STM32 为小端，float 直接拷贝到前 4 字节，后 4 字节帧尾保持不变 */
  const float sample = (float)sample_index;
  memcpy(wave_tx_frame, &sample, sizeof(sample));

  const hal_status_t status = HAL_UART_Transmit_DMA(huart, wave_tx_frame,
                                                  sizeof(wave_tx_frame));
  last_sample_tick = now;
  if (status == HAL_OK)
  {
    sample_index++;
    if (sample_index >= WAVE_SAMPLES_PER_PERIOD)
    {
      sample_index = 0U;
    }
  }
  else if (status != HAL_BUSY)
  {
    wave_tx_error_count++;
    wave_tx_error_pending = 1U;
  }
}

（5）UART 发送完成与错误回调

void HAL_UART_TxCpltCallback(hal_uart_handle_t *huart)
{
  if (huart == mx_lpuart1_uart_gethandle())
  {
    wave_tx_completed_count++;
  }
}

void HAL_UART_ErrorCallback(hal_uart_handle_t *huart)
{
  if (huart == mx_lpuart1_uart_gethandle())
  {
    wave_tx_error_count++;
    wave_tx_error_pending = 1U;
  }
}

代码说明：

wave_tx_frame 为静态数组，DMA 读取期间始终有效。前 4 字节每次发送前更新，后 4 字节 0x00 0x00 0x80 0x7F 为 JustFloat 固定帧尾。
memcpy 将 float 写入字节数组，避免指针强制转换的别名问题，也避免结构体填充影响帧长。
HAL_UART_GetTxState() 返回 HAL_UART_TX_STATE_IDLE 表示上一帧已发送完成，可以提交下一帧。
HAL_UART_Transmit_DMA() 返回 HAL_OK 只表示启动成功，不表示数据已发完；真正完成由 TX DMA 中断触发 HAL_UART_TxCpltCallback。
HAL_UART_ErrorCallback 在串口出错时被调用，置位 wave_tx_error_pending，主循环在下一轮调用 HAL_UART_AbortTransmit() 恢复。
采样序号从 0 递增到 99 后归零，配合 10 ms 周期，锯齿波周期约为 1 秒。

5. 编译烧录与运行测试

5.1 编译与烧录

打开工程：用 VS Code 打开 CubeMX2 生成的 CMake 工程文件夹（如 LPUART_DMA_cmake）。
编译：点击 VS Code 底部状态栏的 Build 按钮，或使用命令面板执行 CMake 构建。编译完成后，终端应输出 Build finished with exit code 0，无 error。
连接开发板：用支持数据传输的 USB Type-C 线连接 NUCLEO-C542RC 的 ST-LINK USB 口（CN1）。
确认设备识别：打开设备管理器，在“端口 (COM 和 LPT)”下应能看到 STLink COMx。
烧录：点击 VS Code 中的 Flash 按钮，将固件下载到开发板。

5.2 运行与测试

烧录完成后，点击 VS Code 中的 Run 按钮，程序开始运行。

（1）VOFA+ 连接设置

打开 VOFA+，在串口连接区域选择与开发板对应的 STLink COMx。串口参数设置为：115200、8 数据位、1 停止位、无校验、无流控；数据引擎选择 JustFloat。

（2）波形显示 烧录完成后，点击 VS Code 中的 Run 按钮，程序开始运行。

打开 VOFA+，选择对应的 STLink COM 端口，串口参数设为 115200、8 数据位、1 停止位、无校验、无流控，数据引擎选择 JustFloat，打开串口连接并添加 1 个波形通道。观察波形，应显示连续、无断裂的锯齿波，数值从 0 递增到 99 后回落，周期约 1 秒。

编译、烧录、运行及 VOFA+ 波形显示均正常，符合预期。

6. 小结

本实验通过 LPUART1 和 DMA 实现了 JustFloat 格式锯齿波数据的连续发送，并在 VOFA+ 中成功显示波形，掌握了 STM32C5 系列 LPUART1 的 DMA 发送配置与使用方法。

核心逻辑可以概括为：“主循环定时调度 → 封装 JustFloat 帧 → DMA 单次发送 → 中断通知完成”。

需要注意的是：

TX/RX 引脚交换。 STM32C542RCT6 的 LPUART1 默认 AF3 映射为 PA2=RX、PA3=TX，而板载 ST-LINK 虚拟串口要求 MCU 侧的 TX 连接到 PA2。必须在 CubeMX2 中启用 Tx and Rx Pins swapping，否则数据无法通过虚拟串口发送到 PC。
DMA 模式与缓冲区。 DMA 设为 Direct transfer（Normal 模式），每帧发送完成后停止，由主循环按 10 ms 周期重复提交。帧缓冲区使用静态存储，保证 DMA 读取期间始终有效。