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

在項目的開發過程中，使用調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，可以說是已經邁進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測試中，uart通常扮演者信息輸出，人機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信息的輸出，比如調平衡車，有線串口對這種遠距離的調試顯得有些力不足。有些場景或者我們根本不可以把數據直接讀出來，比如車廠，整車的CAN數據是汽車的血液，一些ECU的出廠前身體狀況，全靠采集can數據來診斷，即使整車有can數據的存儲功能，一些測試調試不一定能很方便的拿到，所以這個無線的數據采集儀就能派上用場，這就是我本次項目的主要意義。

本期內容可以了解到以下幾個方面：

1、模塊化代碼的設計思路，開發思想和獨立模塊開發模型；

2、uart等串行板級通信的設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、通信協議的制定和協議棧的開發；

項目簡介：項目采用雙mcu-STM32F030C8T6和RF24L01無線模塊實現主從設備的上下行數據傳輸，在此基礎上增加與pc的通信和數據記錄功能，實現離線數據同步功能；

基礎功能：

實現雙mcu數據的上下行無線傳輸，波特率為115200；

實現主設備與pc機的通信，并實現uart調試功能；

擴展功能：1、can數據、spi 、iic的數據的采集傳輸；2、離線存儲功能；

開發準備及其環境硬件環境：具備RF24L01模塊接口的STM32開發板2塊、RF20L01無線模塊2塊；開發工具：STM32J-link仿真器、串口TTL轉換小板各1；軟件環境 ：KIEL-MDK 、串口助手 ；

開發計劃節點1：完成技術指標的確定，開發板、硬件模塊及其調試器采購到位，完成軟硬件的架構設計；

節點2：調試接口與pc的交互程序的開發；

初建工程，完成uart1調試接口程序的開發；

完成uart2與pc機的交互程序的設計；

節點3：定制NRF24L01的傳輸協議，并完成開發

驅動的開發與BSP的開發；

協議的開發；

節點4：整體調試、測試；

節點5：編寫項目總結。

項目設計

Part 01

項目概述及其環境的搭建

項目簡介：

項目采用雙mcu-STM32F030C8T6和RF24L01無線模塊實現主從設備的上下行數據傳輸，在此基礎上增加與pc的通信和數據記錄功能，實現離線數據同步功能；功能指標

基礎功能：

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

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，hal層是隔離層，bsp是驅動相關芯片的板級支持層、服務層主要是一些任務相關，App為應用層。

擴展功能：1、can數據、spi 、iic的數據的采集傳輸；2、離線存儲功能；

開發準備及其環境：1、硬件環境 ：具備RF24L01模塊接口的STM32開發板2塊、RF20L01無線模塊2塊；2、開發工具 ：STM32J-link仿真器、串口TTL轉換小板各1；3、軟件環境 KIEL-MDK 、串口助手 ；

Part 02

軟件設計-外設uart

導言uart外設是開發調試的重要手段，也是板級通信常用的通信方式。

對于耳熟能詳的uart，你了解多少呢？

它的用法的注意事項和難點又有哪些呢？

本期內容讓我帶著大家重點探討一下uart的軟件設計。

內容提要1、uart的基本概述和STM32中uart驅動HAL層的配置；2、調試打印中，uart的數據發送策略；3、通信中，uart的策略與架構。

軟件實戰1、外設與系統

與傳統寫驅動程序相比，STM32CubeMX代碼生成器讓驅動變得更簡單、快速，大大提高了開發效率。

STM32CubeMX不僅支持外設配置，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個靜態的線程，而且從板有集成到項目中的需求，所以從設備不使用freeRTOS。

從設備主頻48MHZ，uart外設需要對GPIO/NVIC/DMA/UART進行配置，主設備還需要配置freeRTOS。

2、調試神器-uart不管哪個項目，printf的輸出是必不可少的！

實現的關鍵點是數據通過printf函數收集到debug_pool后如何發送。

下面內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，發送需要直接調用uart驅動發送接口拋出，這種方式，效率低，cpu占用高。

一般情況下是要開一片空間，當數據收集滿后通過DMA送到uart硬件然后發出去。不過這種方式是需要一個Task，周期的拋數據。

有os的系統，這里需要加消息隊列或者內存池，還需要一個獨立的線程進行處理。

比較復雜，這里不展開討論。

對上圖思想進行解釋：1、接收部分首先考慮如何接收數據，是采用run_buf的形式還是一個字節中斷的方式；

2、數據接收后，要思考幀識別，確定一幀數據后進入CRC校驗；

3、校驗通過后再進行協議的解析和處理；

5、數據發送部分先對數據進行打包。記住多線程的處理要對數據進行保護，防止tx_buf里的數據被刷寫；

6、通過打包后的數據要CRC加碼校驗，然后再發出去；

值得注意的是：要將這些公共的CRC和收發任務單獨提出來，與協議相關的內容獨立出來，這樣協議層的變得不會引起程序大的改動；

Part 03

軟件設計-外設uart

引言：相信很多工程師們都曉得：調試串口不僅扮演打印信息的角色，還得有配置設備、設備參數輸入等功能。如果開發window上位機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試，與設備進行交互，把這個軟件命名為mshel。

另外，直接與pc進行這樣的數據流存在亂碼和丟數據的現象，這里使用了為二者制定的私有協議。

本期內容：1、mshell的原理與結構；2、pc交互的通信協議；

軟件實戰：mshell的設計原理和思路：mshell是設備開發人員與設備進行配置管理的交互接口，主要功能如下：1）設備log打印顯示功能；

2）可對設備進行配置和控制；

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輸入等功能，給出功能菜單示例；

SecureCRT軟件的串口數據交互特點：

1）對與窗口輸入的字母和數字，是以ASCII的形式通過串口下發到設備；

2）窗口輸入一個字符，串口會下發一個字符，回車、退格和空格都是一個字節，左右上下鍵是2字節；

3）軟件接收到字符后回顯到窗口，回車0x0D回顯沒有反應， 行跳轉；

4）給出用到的一些雙字節按鍵：

KEY_UP = 0x5B410000，

KEY_DOWN = 0x5B420000，

KEY_LEFT = 0x5B440000，

KEY_RIGHT = 0x5B430000，

根據以上特點可知，實現mshell進行需要回顯功能，就是收到啥發啥，提示程序員設備收到所下發的字符。

需要對收到的字符進行存儲和解析，需要設計命令解析器。

命令解析器處理完指令及其數據后，交給執行單元。

執行單元的設計包括一級指令執行，即選擇功能模塊，比如uart相關指令，之后進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發來的字符實時的發回到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行處理，要知道輸入參數的個數，指令以及數據；

3）cmd_dispatch命令調度器是對注冊的命令塊進行回調處理；

1）物理層主要是硬件線路數據，軟件驅動的收發；采用標準3線制 Uart 物理接口、波特率待定、 8個數據位，無校驗，1個停止位。

2）數據鏈路層是對接收一包數據的完整性已經正確的保證，這里使用crc校驗；

3）傳輸層是實現數據包的順序傳輸，和穩定性，具體的協議幀定義如下：

應答幀在應用層payload中進行，counter計數避免幀重復，對于協議的實現，僅mcu部分，上位機部分使用Linux，將數據存到文件中即可。

本次更新內容如下：

Part 04

無線通信模塊的協議

引言： 前面的uart相關的開發主要的功能是連接采集設備和上位機的接口功能，設備想要實現無線數據傳輸，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傳輸數據，所以如何準確的實現數據雙向的收發，本期的通信協議就非常關鍵了。

本期內容：

1、NRF24L01模塊的重要理解；

2、數據收發原理；

項目實戰：

一、模塊的重要理解

1、關于頻率：

2.4GWiFi頻段和和nrf24l01有很大一塊重疊，如果出現嚴重的丟包，很有可能受到了WiFi的的干擾，將nrf2401的頻段設置為高于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nrf2401正處于接收數據或發送數據的工作狀態時，不要修改波特率，否則會數據包會出錯。

2、關于功耗：

掉電模式，nrf2401消耗的電流為900nA，比全火力狀態低了4個數量級，所以為了省電，大多數情況下是可以讓模塊處于此模式，當有數據收發的時候再開機。就這樣讓模塊關機也有個缺點，就是當對數據實時性要求很高的情況下，nrf24l01啟動時要一次開啟各個關閉的模塊，相對來說有點耗時，容易丟數或者延遲發送。

熱待機模式（Standby），相對掉電模式相比，熱待機模式下僅僅是將射頻相關電路停掉來達到省電的目的，這樣的話，這個模塊即達到節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數據的狀態下），模塊也有對射頻功耗控制的手段，達到省電的目的。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送數據，接收數據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，一個模塊僅能收數或者發數，無法做到同時收發。為了保證數據的準確穩定的傳輸，雙方做了一個約定，即通信流程。

二、數據收發原理

1、設備地址：

與mac地址一樣，每一個nrf2401設備有一個唯一的地址（可理解為設備ID）來充當設備的身份證，地址長度可以設3/4/5的任選一。設備發送時，先發對端的設備地址，然后再發數據。若配置了硬件ack應答，則每次收到數據后，會像對端回復ack應答。

Nrf2401有6個地址通道，也就是說模塊有6個數據通道，同時可和6個設備進行交互也可以是6個通道的多路數據轉發等設計。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，低字節兼容3/4寬度的地址；

* channel2-channel5，最低字節可隨意配置其他字節與channel共享；

* 向同一設備發送數據，即使信道（地址）不同，也會存在干擾可能接收數據失敗；

2、數據校驗：

nrf2401支持CRC8/CRC16，通過配置寄存器的方式，二選一。發送設備將要發送的數據（包括地址）進行CRC計算后，添加到發送包中發出去。接收設備收到數據將數據計數后，和數據中的CRC值進行校驗，如果不匹配就丟棄；

3、長幀數據：

模塊發送最大長度為32字節，要想發送長幀，就需要分包發送，發送的數據除了周期的數據還有事件數據。周期數據一般采用單包數據，比如心跳信號。長幀數據的用來做事件發送，而且需要一包數據發送的單幀計數器來防止數據發亂發錯。設備本身替我們做了CRC校驗和地址自動匹配，如果需要一對多的收發，可以在設備的數據域再加一個地址，把硬件地址當作信道使用。

說明：

*短幀的數據可以直接使用，最大長度32byte，可以周期，也可以事件；

*長幀數據不建議周期發送，一般用作事件發送類型使用；

幀格式解析：

*長幀數據為了提高數據的安全性，需要對長幀數據再次進行CRC校驗；

*count計數器是避免數據包不丟失；

*flag標識

bit 0 ，0=非ACK幀， 1=ACK幀， 若是接收幀，則是表示ACK數據或者正常數據；

bit 1， 0=非ACK幀， 1=ACK幀， 若是發送幀，這位表示告訴接收方是否需要回復ACK應答，

bit 2， 0=短幀， 1=長幀， 標識是否為長幀或者單幀;

bit3-bit4，0=第一幀，1=流控幀，2=結束幀；

4、單幀的數據

單幀比較簡單，沒有再次CRC校驗和count計數，幀格式如下：

*flag標識

bit 0 ，0=非ACK幀， 1=ACK幀， 若是接收幀，則是表示ACK數據或者正常數據；

bit 1， 0=非ACK幀， 1=ACK幀， 若是發送幀，這位表示告訴接收方是否需要回復ACK應答，

bit 2， 0=短幀， 1=長幀， 標識是否為長幀或者單幀;

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