📚 课程目录第4章低功耗串口接收不定长数据

4. 低功耗串口接收不定长数据

任务定义

在电池供电的IoT节点中，MCU大部分时间处于睡眠状态，但需要随时响应串口到来的不定长命令帧。本案例实现：MCU在睡眠模式下由低功耗UART（LPUART）检测起始位并唤醒，接收完整一帧不定长数据（以空闲线或超时判定帧结束），随后执行数据处理并重新进入睡眠。目标平台为STM32L0系列，代码基于HAL库。

硬件连接与数据帧格式

LPUART1_TX：PA2，LPUART1_RX：PA3（默认复用）
帧格式：1字节地址（0xA5）+ N字节负载 + 1字节CRC8校验，N=1~16不定长
帧结束判定：接收空闲超过2字节时间（空闲线检测）

代码实现

// main.c 核心逻辑（基于STM32L0 HAL库）
#include "stm32l0xx_hal.h"

#define FRAME_ADDR      0xA5
#define MAX_PAYLOAD_LEN 16
#define RX_TIMEOUT_MS   50   // 空闲超时判定

UART_HandleTypeDef hlpuart1;
uint8_t rx_buffer[MAX_PAYLOAD_LEN + 2];  // 地址 + 负载 + CRC
volatile uint8_t rx_index = 0;
volatile uint8_t frame_complete = 0;

// CRC8 多项式 0x07
uint8_t crc8(uint8_t *data, uint8_t len) {
    uint8_t crc = 0x00;
    for (uint8_t i = 0; i < len; i++) {
        crc ^= data[i];
        for (uint8_t j = 0; j < 8; j++) {
            crc = (crc & 0x80) ? (crc << 1) ^ 0x07 : (crc << 1);
        }
    }
    return crc;
}

void enter_stop_mode(void) {
    HAL_UART_DeInit(&hlpuart1);
    // 重新配置LPUART为低功耗模式，使能起始位唤醒
    hlpuart1.Instance = LPUART1;
    hlpuart1.Init.BaudRate = 9600;
    hlpuart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    hlpuart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    hlpuart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    hlpuart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    hlpuart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    HAL_UART_Init(&hlpuart1);

    // 使能RXNE中断和空闲中断
    __HAL_UART_ENABLE_IT(&hlpuart1, UART_IT_RXNE);
    __HAL_UART_ENABLE_IT(&hlpuart1, UART_IT_IDLE);

    // 进入Stop模式，LPUART时钟保持运行
    HAL_SuspendTick();
    HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
    HAL_ResumeTick();
}

void process_frame(uint8_t *frame, uint8_t len) {
    // 帧格式: [0]=地址, [1..len-2]=负载, [len-1]=CRC
    if (frame[0] != FRAME_ADDR) return;
    uint8_t payload_len = len - 2;
    uint8_t calc_crc = crc8(&frame[1], payload_len);
    if (calc_crc != frame[len-1]) return;

    // 处理负载数据（示例：将负载回显）
    HAL_UART_Transmit(&hlpuart1, &frame[1], payload_len, 100);
}

// LPUART1 中断处理
void LPUART1_IRQHandler(void) {
    if (__HAL_UART_GET_FLAG(&hlpuart1, UART_FLAG_RXNE)) {
        rx_buffer[rx_index++] = (uint8_t)(hlpuart1.Instance->RDR & 0xFF);
        if (rx_index >= MAX_PAYLOAD_LEN + 2) {
            rx_index = 0;  // 溢出保护
        }
    }
    if (__HAL_UART_GET_FLAG(&hlpuart1, UART_FLAG_IDLE)) {
        __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&hlpuart1);
        if (rx_index > 0) {
            frame_complete = 1;
        }
    }
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    // ... 系统时钟配置（MSI 2MHz） ...

    while (1) {
        enter_stop_mode();  // 进入睡眠，等待唤醒

        // 唤醒后处理接收到的帧
        if (frame_complete) {
            process_frame(rx_buffer, rx_index);
            rx_index = 0;
            frame_complete = 0;
        }
    }
}

关键配置说明

时钟配置：LPUART1在Stop模式下使用MSI或LSE作为时钟源，需在CubeMX中设置LPUART1时钟为LSE（32.768kHz）或MSI，确保睡眠时外设仍可运行。
唤醒机制：LPUART检测到起始位下降沿即产生唤醒事件，MCU从Stop模式恢复，随后RXNE中断逐字节接收数据。
帧结束判定：利用UART空闲线中断（IDLE），当总线空闲超过1字节时间时触发，表示一帧数据接收完毕。

验证方法

将PA2(TX)与外部USB转串口模块连接，波特率9600，8N1。
发送测试帧：0xA5 0x01 0x02 0x03 0x??（CRC8由发送端计算，例如负载为0x01 0x02 0x03时CRC=0x5A）。
观察现象：MCU从睡眠唤醒，串口回显0x01 0x02 0x03，随后再次进入睡眠（电流降至µA级）。
发送错误CRC帧（如0xA5 0x01 0x02 0x03 0x00），MCU不应回显数据。

判定标准：正确帧触发唤醒并回显负载；错误帧被丢弃；空闲超过2字节时间后帧结束判定生效；MCU在无数据时处于Stop模式（功耗<5µA）。