嵌入式軟件這個行業(yè)涉及甚廣，從我們身邊的電視、冰箱、洗衣機(jī)，到我們的手機(jī)，再到交通、到醫(yī)療、軍事無處不在。

在項目的開發(fā)過程中，使用調(diào)試工具是必不可少的。

串口簡單靈活的特性常被工程師用作代碼的調(diào)試工具，它的另一個名字叫uart。

說到uart，相信很多工程師都熟透了，掌握一個uart，可以說是已經(jīng)邁進(jìn)了嵌入式軟件的殿堂，所以uart也常被用作嵌入式入門的必備功課。

那既然都熟了，那為什么還拿出來說呢，帶著這樣的一個問題，跟著我一起深入的了解我們的這個項目，一起探討uart背后那些不為人知的故事。

目的意義在我們的開發(fā)測試中，uart通常扮演者信息輸出，人機(jī)交互和下載程序的功能，有些場景下可能有線的串口不是很方便或者不能實現(xiàn)信息的輸出，比如調(diào)平衡車，有線串口對這種遠(yuǎn)距離的調(diào)試顯得有些力不足。有些場景或者我們根本不可以把數(shù)據(jù)直接讀出來，比如車廠，整車的CAN數(shù)據(jù)是汽車的血液，一些ECU的出廠前身體狀況，全靠采集can數(shù)據(jù)來診斷，即使整車有can數(shù)據(jù)的存儲功能，一些測試調(diào)試不一定能很方便的拿到，所以這個無線的數(shù)據(jù)采集儀就能派上用場，這就是我本次項目的主要意義。

本期內(nèi)容可以了解到以下幾個方面：

1、模塊化代碼的設(shè)計思路，開發(fā)思想和獨立模塊開發(fā)模型；

2、uart等串行板級通信的設(shè)計原理及其注意事項；

3、項目中常用的測試方法和測試手段；

4、通信協(xié)議的制定和協(xié)議棧的開發(fā)；

項目簡介：項目采用雙mcu-STM32F030C8T6和RF24L01無線模塊實現(xiàn)主從設(shè)備的上下行數(shù)據(jù)傳輸，在此基礎(chǔ)上增加與pc的通信和數(shù)據(jù)記錄功能，實現(xiàn)離線數(shù)據(jù)同步功能；

基礎(chǔ)功能：

實現(xiàn)雙mcu數(shù)據(jù)的上下行無線傳輸，波特率為115200；

實現(xiàn)主設(shè)備與pc機(jī)的通信，并實現(xiàn)uart調(diào)試功能；

擴(kuò)展功能：1、can數(shù)據(jù)、spi 、iic的數(shù)據(jù)的采集傳輸；2、離線存儲功能；

開發(fā)準(zhǔn)備及其環(huán)境硬件環(huán)境：具備RF24L01模塊接口的STM32開發(fā)板2塊、RF20L01無線模塊2塊；開發(fā)工具：STM32J-link仿真器、串口TTL轉(zhuǎn)換小板各1；軟件環(huán)境 ：KIEL-MDK 、串口助手 ；

開發(fā)計劃節(jié)點1：完成技術(shù)指標(biāo)的確定，開發(fā)板、硬件模塊及其調(diào)試器采購到位，完成軟硬件的架構(gòu)設(shè)計；

節(jié)點2：調(diào)試接口與pc的交互程序的開發(fā)；

初建工程，完成uart1調(diào)試接口程序的開發(fā)；

完成uart2與pc機(jī)的交互程序的設(shè)計；

節(jié)點3：定制NRF24L01的傳輸協(xié)議，并完成開發(fā)

驅(qū)動的開發(fā)與BSP的開發(fā)；

協(xié)議的開發(fā)；

節(jié)點4：整體調(diào)試、測試；

節(jié)點5：編寫項目總結(jié)。

項目設(shè)計

Part 01

項目概述及其環(huán)境的搭建

項目簡介：

項目采用雙mcu-STM32F030C8T6和RF24L01無線模塊實現(xiàn)主從設(shè)備的上下行數(shù)據(jù)傳輸，在此基礎(chǔ)上增加與pc的通信和數(shù)據(jù)記錄功能，實現(xiàn)離線數(shù)據(jù)同步功能；功能指標(biāo)

基礎(chǔ)功能：

1、為了盡快上手軟件，硬件系統(tǒng)采用現(xiàn)成模塊， RF24L01模塊接口的STM32開發(fā)板2塊和RF20L01無線模塊2塊，STM32系統(tǒng)板2塊分為主板和從板，從板信息通過24l01無線模塊發(fā)送到主板，主板通過uart與pc交互；硬件部分后續(xù)獨立部分說明分享。

2、軟件方面是重點研究對象，軟件主要分為driver、hal、bsp、service、app五個部分。Driver層是和硬件直接相關(guān)，hal層是隔離層，bsp是驅(qū)動相關(guān)芯片的板級支持層、服務(wù)層主要是一些任務(wù)相關(guān)，App為應(yīng)用層。

擴(kuò)展功能：1、can數(shù)據(jù)、spi 、iic的數(shù)據(jù)的采集傳輸；2、離線存儲功能；

開發(fā)準(zhǔn)備及其環(huán)境：1、硬件環(huán)境 ：具備RF24L01模塊接口的STM32開發(fā)板2塊、RF20L01無線模塊2塊；2、開發(fā)工具 ：STM32J-link仿真器、串口TTL轉(zhuǎn)換小板各1；3、軟件環(huán)境 KIEL-MDK 、串口助手 ；

Part 02

軟件設(shè)計-外設(shè)uart

導(dǎo)言uart外設(shè)是開發(fā)調(diào)試的重要手段，也是板級通信常用的通信方式。

對于耳熟能詳?shù)膗art，你了解多少呢？

它的用法的注意事項和難點又有哪些呢？

本期內(nèi)容讓我?guī)е蠹抑攸c探討一下uart的軟件設(shè)計。

內(nèi)容提要1、uart的基本概述和STM32中uart驅(qū)動HAL層的配置；2、調(diào)試打印中，uart的數(shù)據(jù)發(fā)送策略；3、通信中，uart的策略與架構(gòu)。

軟件實戰(zhàn)1、外設(shè)與系統(tǒng)

與傳統(tǒng)寫驅(qū)動程序相比，STM32CubeMX代碼生成器讓驅(qū)動變得更簡單、快速，大大提高了開發(fā)效率。

STM32CubeMX不僅支持外設(shè)配置，還支持freeRTOS，不過很可惜，考慮到片子的成本，8KRAM的片子僅能跑2個靜態(tài)的線程，而且從板有集成到項目中的需求，所以從設(shè)備不使用freeRTOS。

從設(shè)備主頻48MHZ，uart外設(shè)需要對GPIO/NVIC/DMA/UART進(jìn)行配置，主設(shè)備還需要配置freeRTOS。

2、調(diào)試神器-uart不管哪個項目，printf的輸出是必不可少的！

實現(xiàn)的關(guān)鍵點是數(shù)據(jù)通過printf函數(shù)收集到debug_pool后如何發(fā)送。

下面內(nèi)容圍繞這個問題展開討論。

無os的情況下，若是需要實時性要求較高的情況下，發(fā)送需要直接調(diào)用uart驅(qū)動發(fā)送接口拋出，這種方式，效率低，cpu占用高。

一般情況下是要開一片空間，當(dāng)數(shù)據(jù)收集滿后通過DMA送到uart硬件然后發(fā)出去。不過這種方式是需要一個Task，周期的拋數(shù)據(jù)。

有os的系統(tǒng)，這里需要加消息隊列或者內(nèi)存池，還需要一個獨立的線程進(jìn)行處理。

比較復(fù)雜，這里不展開討論。

對上圖思想進(jìn)行解釋：1、接收部分首先考慮如何接收數(shù)據(jù)，是采用run_buf的形式還是一個字節(jié)中斷的方式；

2、數(shù)據(jù)接收后，要思考幀識別，確定一幀數(shù)據(jù)后進(jìn)入CRC校驗；

3、校驗通過后再進(jìn)行協(xié)議的解析和處理；

5、數(shù)據(jù)發(fā)送部分先對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包。記住多線程的處理要對數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，防止tx_buf里的數(shù)據(jù)被刷寫；

6、通過打包后的數(shù)據(jù)要CRC加碼校驗，然后再發(fā)出去；

值得注意的是：要將這些公共的CRC和收發(fā)任務(wù)單獨提出來，與協(xié)議相關(guān)的內(nèi)容獨立出來，這樣協(xié)議層的變得不會引起程序大的改動；

Part 03

軟件設(shè)計-外設(shè)uart

引言：相信很多工程師們都曉得：調(diào)試串口不僅扮演打印信息的角色，還得有配置設(shè)備、設(shè)備參數(shù)輸入等功能。如果開發(fā)window上位機(jī)界軟件是成本上和時間上都不劃算；要是在Linux這種跨平臺下還得開發(fā)一套軟件。所以做一個類似Linux命令這樣的串口軟件就顯得很有必要！

直接用像SecureCRT這類軟件連接串口即可調(diào)試，與設(shè)備進(jìn)行交互，把這個軟件命名為mshel。

另外，直接與pc進(jìn)行這樣的數(shù)據(jù)流存在亂碼和丟數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，這里使用了為二者制定的私有協(xié)議。

本期內(nèi)容：1、mshell的原理與結(jié)構(gòu)；2、pc交互的通信協(xié)議；

軟件實戰(zhàn)：mshell的設(shè)計原理和思路：mshell是設(shè)備開發(fā)人員與設(shè)備進(jìn)行配置管理的交互接口，主要功能如下：1）設(shè)備log打印顯示功能；

2）可對設(shè)備進(jìn)行配置和控制；

3）具有Linux的終端控制臺類似的功能，可以顯示功能菜單和參數(shù)輸入等功能，給出功能菜單示例；

SecureCRT軟件的串口數(shù)據(jù)交互特點：

1）對與窗口輸入的字母和數(shù)字，是以ASCII的形式通過串口下發(fā)到設(shè)備；

2）窗口輸入一個字符，串口會下發(fā)一個字符，回車、退格和空格都是一個字節(jié)，左右上下鍵是2字節(jié)；

3）軟件接收到字符后回顯到窗口，回車0x0D回顯沒有反應(yīng)， 行跳轉(zhuǎn)；

4）給出用到的一些雙字節(jié)按鍵：

KEY_UP = 0x5B410000，

KEY_DOWN = 0x5B420000，

KEY_LEFT = 0x5B440000，

KEY_RIGHT = 0x5B430000，

根據(jù)以上特點可知，實現(xiàn)mshell進(jìn)行需要回顯功能，就是收到啥發(fā)啥，提示程序員設(shè)備收到所下發(fā)的字符。

需要對收到的字符進(jìn)行存儲和解析，需要設(shè)計命令解析器。

命令解析器處理完指令及其數(shù)據(jù)后，交給執(zhí)行單元。

執(zhí)行單元的設(shè)計包括一級指令執(zhí)行，即選擇功能模塊，比如uart相關(guān)指令，之后進(jìn)入到子模塊處理程序。

核心模塊的功能如下：

1）echo回顯模塊是將pc發(fā)來的字符實時的發(fā)回到pc的終端，提示輸入有效；

2）cmd_analysis命令解析器是將收到的字符進(jìn)行處理，要知道輸入?yún)?shù)的個數(shù)，指令以及數(shù)據(jù)；

3）cmd_dispatch命令調(diào)度器是對注冊的命令塊進(jìn)行回調(diào)處理；

1）物理層主要是硬件線路數(shù)據(jù)，軟件驅(qū)動的收發(fā)；采用標(biāo)準(zhǔn)3線制 Uart 物理接口、波特率待定、 8個數(shù)據(jù)位，無校驗，1個停止位。

2）數(shù)據(jù)鏈路層是對接收一包數(shù)據(jù)的完整性已經(jīng)正確的保證，這里使用crc校驗；

3）傳輸層是實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的順序傳輸，和穩(wěn)定性，具體的協(xié)議幀定義如下：

應(yīng)答幀在應(yīng)用層payload中進(jìn)行，counter計數(shù)避免幀重復(fù)，對于協(xié)議的實現(xiàn)，僅mcu部分，上位機(jī)部分使用Linux，將數(shù)據(jù)存到文件中即可。

本次更新內(nèi)容如下：

Part 04

無線通信模塊的協(xié)議

引言： 前面的uart相關(guān)的開發(fā)主要的功能是連接采集設(shè)備和上位機(jī)的接口功能，設(shè)備想要實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，離不開NRF24L01，這個模塊的傳輸方式是半雙工模式，也就是同一時刻僅能單側(cè)傳輸數(shù)據(jù)，所以如何準(zhǔn)確的實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向的收發(fā)，本期的通信協(xié)議就非常關(guān)鍵了。

本期內(nèi)容：

1、NRF24L01模塊的重要理解；

2、數(shù)據(jù)收發(fā)原理；

項目實戰(zhàn)：

一、模塊的重要理解

1、關(guān)于頻率：

2.4GWiFi頻段和和nrf24l01有很大一塊重疊，如果出現(xiàn)嚴(yán)重的丟包，很有可能受到了WiFi的的干擾，將nrf2401的頻段設(shè)置為高于2490MHz可以顯著降低丟包率。nrf2401做了3種固定的波特率，分別是 250Kbps/1Mbps/2Mbps，在使用時指定一個即可。需要注意的是，當(dāng)nrf2401正處于接收數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)的工作狀態(tài)時，不要修改波特率，否則會數(shù)據(jù)包會出錯。

2、關(guān)于功耗：

掉電模式，nrf2401消耗的電流為900nA，比全火力狀態(tài)低了4個數(shù)量級，所以為了省電，大多數(shù)情況下是可以讓模塊處于此模式，當(dāng)有數(shù)據(jù)收發(fā)的時候再開機(jī)。就這樣讓模塊關(guān)機(jī)也有個缺點，就是當(dāng)對數(shù)據(jù)實時性要求很高的情況下，nrf24l01啟動時要一次開啟各個關(guān)閉的模塊，相對來說有點耗時，容易丟數(shù)或者延遲發(fā)送。

熱待機(jī)模式（Standby），相對掉電模式相比，熱待機(jī)模式下僅僅是將射頻相關(guān)電路停掉來達(dá)到省電的目的，這樣的話，這個模塊即達(dá)到節(jié)點的目的又加快的啟動時間，但它的功耗交完全掉電相比還是要高，大約在30-300uA這個范圍，但是也算很省電了。

射頻功耗控制，全火力模式下（也就是模塊處于正常收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)下），模塊也有對射頻功耗控制的手段，達(dá)到省電的目的。nrf2401模塊的射頻功耗被劃分為4個檔次，分別為0/1/2/3，分別對應(yīng)的-18/-12/-6/0dBm。其他方面同等條件下，功率越小傳輸距離越小，可以根據(jù)實際情況自行選擇使用什么功率配置。值得注意的是，射頻功率控制只能控制對外發(fā)送數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)的功率是沒辦法控制的。

nfr24l01的通信類型屬于半雙工，就是說再同一時刻，一個模塊僅能收數(shù)或者發(fā)數(shù)，無法做到同時收發(fā)。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確穩(wěn)定的傳輸，雙方做了一個約定，即通信流程。

二、數(shù)據(jù)收發(fā)原理

1、設(shè)備地址：

與mac地址一樣，每一個nrf2401設(shè)備有一個唯一的地址（可理解為設(shè)備ID）來充當(dāng)設(shè)備的身份證，地址長度可以設(shè)3/4/5的任選一。設(shè)備發(fā)送時，先發(fā)對端的設(shè)備地址，然后再發(fā)數(shù)據(jù)。若配置了硬件ack應(yīng)答，則每次收到數(shù)據(jù)后，會像對端回復(fù)ack應(yīng)答。

Nrf2401有6個地址通道，也就是說模塊有6個數(shù)據(jù)通道，同時可和6個設(shè)備進(jìn)行交互也可以是6個通道的多路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等設(shè)計。6個通道的地址寬度配置是要保持一致，不支持6個同通道下的不同地址寬度的配置。

* channel0和channel1地址寬帶可隨意配置，最大寬度為5，低字節(jié)兼容3/4寬度的地址；

* channel2-channel5，最低字節(jié)可隨意配置其他字節(jié)與channel共享；

* 向同一設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，即使信道（地址）不同，也會存在干擾可能接收數(shù)據(jù)失?。?/p>

2、數(shù)據(jù)校驗：

nrf2401支持CRC8/CRC16，通過配置寄存器的方式，二選一。發(fā)送設(shè)備將要發(fā)送的數(shù)據(jù)（包括地址）進(jìn)行CRC計算后，添加到發(fā)送包中發(fā)出去。接收設(shè)備收到數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)計數(shù)后，和數(shù)據(jù)中的CRC值進(jìn)行校驗，如果不匹配就丟棄；

3、長幀數(shù)據(jù)：

模塊發(fā)送最大長度為32字節(jié)，要想發(fā)送長幀，就需要分包發(fā)送，發(fā)送的數(shù)據(jù)除了周期的數(shù)據(jù)還有事件數(shù)據(jù)。周期數(shù)據(jù)一般采用單包數(shù)據(jù)，比如心跳信號。長幀數(shù)據(jù)的用來做事件發(fā)送，而且需要一包數(shù)據(jù)發(fā)送的單幀計數(shù)器來防止數(shù)據(jù)發(fā)亂發(fā)錯。設(shè)備本身替我們做了CRC校驗和地址自動匹配，如果需要一對多的收發(fā)，可以在設(shè)備的數(shù)據(jù)域再加一個地址，把硬件地址當(dāng)作信道使用。

說明：

*短幀的數(shù)據(jù)可以直接使用，最大長度32byte，可以周期，也可以事件；

*長幀數(shù)據(jù)不建議周期發(fā)送，一般用作事件發(fā)送類型使用；

幀格式解析：

*長幀數(shù)據(jù)為了提高數(shù)據(jù)的安全性，需要對長幀數(shù)據(jù)再次進(jìn)行CRC校驗；

*count計數(shù)器是避免數(shù)據(jù)包不丟失；

*flag標(biāo)識

bit 0 ，0=非ACK幀， 1=ACK幀， 若是接收幀，則是表示ACK數(shù)據(jù)或者正常數(shù)據(jù)；

bit 1， 0=非ACK幀， 1=ACK幀， 若是發(fā)送幀，這位表示告訴接收方是否需要回復(fù)ACK應(yīng)答，

bit 2， 0=短幀， 1=長幀， 標(biāo)識是否為長幀或者單幀;

bit3-bit4，0=第一幀，1=流控幀，2=結(jié)束幀；

4、單幀的數(shù)據(jù)

單幀比較簡單，沒有再次CRC校驗和count計數(shù)，幀格式如下：

*flag標(biāo)識

bit 0 ，0=非ACK幀， 1=ACK幀， 若是接收幀，則是表示ACK數(shù)據(jù)或者正常數(shù)據(jù)；

bit 1， 0=非ACK幀， 1=ACK幀， 若是發(fā)送幀，這位表示告訴接收方是否需要回復(fù)ACK應(yīng)答，

bit 2， 0=短幀， 1=長幀， 標(biāo)識是否為長幀或者單幀;

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