📚 课程目录第3章 GPIO输入输出HIL测试

3. GPIO输入输出HIL测试

任务目标

在HIL（硬件在环）平台上，通过上位机控制STM32的GPIO引脚，完成输入输出逻辑验证：上位机向STM32发送输出控制指令，STM32驱动LED引脚输出高/低电平；同时STM32读取按键引脚电平状态并上报上位机，以此验证GPIO输入输出功能的正确性。

硬件连接与依赖

目标板：STM32F407VET6（或其他Cortex-M4系列，引脚定义需对应修改）
HIL设备：支持数字I/O通道的HIL机箱（如NI PXI、Speedgoat等），通过DB37或SCSI线缆连接至目标板
连接关系：
HIL数字输出通道0 → STM32 PA0（按键输入引脚，外部上拉）
HIL数字输入通道0 ← STM32 PD12（LED输出引脚）
GND共地
软件依赖：STM32CubeMX生成的HAL库工程，HIL上位机使用Python 3.8+（需安装pylib或对应HIL厂商SDK）

STM32端代码（核心逻辑）

以下代码基于STM32CubeMX生成的HAL库，在main.c的main()函数中实现GPIO输入输出轮询逻辑。PA0配置为输入模式（上拉），PD12配置为推挽输出。

/* main.c 中用户代码区（USER CODE BEGIN 2 至 USER CODE END 2） */
#include <string.h>

// 定义通信帧格式（简化版，通过USART2与上位机通信）
#define FRAME_HEADER 0xAA
#define CMD_SET_LED  0x01   // 数据字节: 0=灭, 1=亮
#define CMD_GET_KEY  0x02   // 返回数据: 0=未按下, 1=按下

uint8_t rx_buffer[4];
uint8_t rx_index = 0;

// 简单帧解析：AA CMD DATA CHECKSUM（校验=CMD+DATA）
void ProcessCommand(uint8_t cmd, uint8_t data) {
    if (cmd == CMD_SET_LED) {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOD, GPIO_PIN_12, data ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
    } else if (cmd == CMD_GET_KEY) {
        uint8_t key_state = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0);
        uint8_t resp[4] = {FRAME_HEADER, CMD_GET_KEY, key_state, CMD_GET_KEY + key_state};
        HAL_UART_Transmit(&huart2, resp, 4, 100);
    }
}

// 在while(1)循环中调用
void GPIO_HIL_Poll(void) {
    uint8_t byte;
    if (HAL_UART_Receive(&huart2, &byte, 1, 0) == HAL_OK) {
        rx_buffer[rx_index++] = byte;
        if (rx_index == 1 && byte != FRAME_HEADER) {
            rx_index = 0;  // 未收到帧头，重新同步
            return;
        }
        if (rx_index == 4) {
            // 校验：第4字节 = 第2字节 + 第3字节
            if (rx_buffer[2] == (rx_buffer[1] + rx_buffer[3])) {
                ProcessCommand(rx_buffer[1], rx_buffer[2]);
            }
            rx_index = 0;
        }
    }
}

// main() 中 while(1) 内调用：
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1) {
    GPIO_HIL_Poll();
    HAL_Delay(1);
}
/* USER CODE END WHILE */

HIL上位机Python脚本

以下脚本通过串口发送命令并读取响应，控制STM32的LED输出并读取按键状态。需根据实际HIL设备替换hil_write_digital和hil_read_digital为对应SDK函数。

import serial
import time

# 配置串口（根据实际端口修改）
ser = serial.Serial('COM5', 115200, timeout=0.1)

def send_cmd(cmd, data):
    """发送 AA CMD DATA CHECKSUM"""
    frame = bytes([0xAA, cmd, data, (cmd + data) & 0xFF])
    ser.write(frame)
    time.sleep(0.02)

def read_response():
    """读取并解析响应帧，返回 (cmd, data) 或 None"""
    if ser.in_waiting >= 4:
        resp = ser.read(4)
        if resp[0] == 0xAA and resp[3] == (resp[1] + resp[2]) & 0xFF:
            return resp[1], resp[2]
    return None

# 测试序列
test_cases = [
    (0x01, 1, "LED点亮"),   # 命令置1
    (0x01, 0, "LED熄灭"),   # 命令置0
]

print("=== GPIO输出测试 ===")
for cmd, data, desc in test_cases:
    send_cmd(cmd, data)
    # 通过HIL读取PD12引脚电平（替换为实际HIL读取函数）
    # hil_read_digital(0) 返回0或1
    actual = hil_read_digital(0)  # 需替换为实际SDK调用
    expected = data
    status = "PASS" if actual == expected else "FAIL"
    print(f"{desc}: 期望={expected}, 实际={actual} → {status}")

print("\n=== GPIO输入测试 ===")
# 通过HIL控制PA0引脚电平（替换为实际HIL写入函数）
for input_level in [0, 1]:
    hil_write_digital(0, input_level)  # 需替换为实际SDK调用
    time.sleep(0.05)
    send_cmd(0x02, 0x00)
    resp = read_response()
    if resp and resp[0] == 0x02:
        actual = resp[1]
        expected = input_level
        status = "PASS" if actual == expected else "FAIL"
        print(f"PA0={input_level}: 期望={expected}, 实际={actual} → {status}")
    else:
        print("未收到有效响应")

ser.close()

运行与验证

编译烧录：使用STM32CubeIDE编译工程并烧录至目标板，确保USART2以115200波特率初始化。
连接HIL：将HIL数字I/O通道与目标板按前述连接关系接好，共地。
执行测试：运行Python脚本，脚本会依次执行输出控制和输入读取测试。
通过标准：
输出测试中，HIL读取到的PD12电平与发送命令一致（亮=1，灭=0）；
输入测试中，STM32上报的PA0状态与HIL写入的电平一致。
所有测试用例均显示PASS即验证通过。

常见问题

串口无响应：检查USART2的GPIO配置（PA2/PA3）及中断优先级，确认HIL串口线连接正确。
电平不匹配：确认PA0已启用内部上拉，且HIL输出高电平为3.3V兼容；若HIL输出为5V需加电平转换。
帧校验失败：检查校验和计算是否溢出（使用8位截断），并确认上位机发送字节序与STM32端解析一致。