單片機串口通信控制臺的構建與實現

1. 前言

玩過Linux的朋友, 是不是對Linux無所不能的串口Shell命令控制臺羨慕不已, 要是自己做的STM32F系列低檔次的MCU也有這種控制交互能力, 會給調試/維護和配置省下多少麻煩事呀, 比如啟動/關閉調試或自檢模式, 打印調試信息, 配置系統參數, 傳輸文件等等, 也有相當多的朋友憑借自己出色的編程能力可以實現這些功能, 這里提出我的這個解決方案, 以作交流.

本平臺(xc_shell)具備以下性能特點:

大量主要代碼, 和具體硬件無關, 移植性強,代碼文件少.

只有在處理用戶的輸入命令時, 才占用CPU資源, 且代碼可裁剪到1KB SRAM和4KB Flash;

用戶可以非常靈活的添加按模板編寫的命令腳本文件, 自定義擴張能力強.

支持操作系統和非操作系統兩種場景應用.

支持Ymodem文件傳輸協議

支持將Flash的扇區開辟為參數區, 可實現本地/遠程升級。

實用Led燈信號管理, 可將65535虛擬信號燈選擇輸出到1個實體LED燈上, 調試時序和狀態非常有用

擁有基礎的LED管理, 調試模式設置, 命令幫助指令, 復位指令等基礎功能

功能越多設計會越復雜, 為了解釋清楚代碼, 先向大家解釋一下以上功能的基礎實現原理，并提供一個最小的的源碼工程。

2. xc_shell平臺介紹

2.1 如何實現硬件無關

類比Linux會發現, 設備的硬件接口往往會被虛擬成一個文件(驅動), 而Linux內核完全與硬件系統無任何字節關聯, 不同平臺驅動不同而已, 故而本xc_shell的串口驅動也采用了相似的思路:

1）串口驅動用一個結構體描述, 這樣只需在xc_shell.c中用指針指向這個TTYx_HANDLE結構體對象就可以將串口(tty)硬件與內核聯系在一起, 聰明的朋友可能會想到, 假如我將帶網絡的開發板按此結構體,虛擬一個TTY對象, 豈不是就可以實現一個網絡遠程控制臺了! ?這點確實是可以的!

2）當然諸如多TTY串口實現接口互換等，都是一個指針和step2中的注入回調處理交換的問題。

3）用戶在使用api_TxdFrame或api_TxdByte時”bsp_ttyX.c“，會驅動具體MCU的串口將數據發送出去，收到一幀數據后，若用戶設置了inj_RcvFrame回調處理方法，則會在中斷中執行用戶的回調處理。

/*---------------------*?
*?????指正函數定義
*----------------------*/
typedef?void????(*pvFunDummy)(void);
?
//輸入整行,輸出邏輯
typedef?void????(*pvFunVoid)?(void);
typedef?void????(*pvFunBool)?(bool?????bVal);
typedef?void????(*pvFunChar)?(uint8_t??cVal);
typedef?void????(*pvFunShort)(uint16_t?sVal);
typedef?void????(*pvFunWord)?(uint32_t?wVal);
?
//輸入整行,輸出邏輯
typedef?bool????(*pbFunVoid)?(void);
typedef?bool????(*pbFunBool)?(bool?????bVal);
typedef?bool????(*pbFunChar)?(uint8_t??cVal);
typedef?bool????(*pbFunShort)(uint16_t?sVal);
typedef?bool????(*pbFunWord)?(uint32_t?wVal);
?
//輸入整形指針,輸出邏輯
typedef?bool????(*pbFun_pVoid)?(void?*?pVoid);
typedef?bool????(*pbFun_pChar)?(uint8_t??*?pStr);
typedef?bool????(*pbFun_pShort)(uint16_t?*?pShor);
typedef?bool????(*pbFun_pWord)?(uint32_t?*?pWord);
?
//輸入數據幀,輸出邏輯
typedef?bool????(*pbFun_Buffx)(void?*?pcBuff,?uint16_t?len?);
typedef?bool????(*pbFun_Bytex)(uint8_t?*?pcByte,?uint16_t?len?);
/*---------------------*?
*????TTYx?句柄結構
*----------------------*/
typedef?struct?TTYx_HANDLE_STRUCT?
{
????const?char??*?const?name;???????//驅動器名
????const?uint16_t??????rxSize;?????//接收大小
????const?uint16_t??????txSize;?????//發送大小
????
????//------------------------------------------------------
????//step1:?用戶可用API
????const?pvFunWord?????init;???????????//初始化.
????const?pbFun_Bytex???api_TxdFrame;???//發送數據幀.?(發送幀)
????const?pbFunChar?????api_TxdByte;????//發送數據字節
????
????//------------------------------------------------------
????//step2:?注入回調函數
????pbFun_Bytex?????????inj_RcvFrame;???//(ISR)接收數據幀.?(接收幀)
????pvFunDummy??????????inj_TxdReady;???//(ISR)發送完畢回調
????
????//------------------------------------------------------
????//step3:?接收回調函數
????struct?TTYx_HANDLE_STRUCT?*?pvNext;?//連接到下一個指令?
}TTYx_HANDLE;

可注入的命令腳本（CLI）實現

命令CLI也是一個結構體對象：

/*---------------------*?
*???????CLI指令
*----------------------*/
typedef?struct
{
?const?char?*?const??pcCmdStr;?????//指令字符串(只能為小寫字母)
?const?char?*?const??pcHelpStr;?????//指令描述,必須以:"
結束".?比如:"help:?Returns?a?list
".
?const?pFunHook??????pxCmdHook;?????//指向回調函數的指針,處理成功返回真否者返回0;
?uint8_t?????????????ucExpParam;?????//指令期望的參數個數
?const?MEDIA_HANDLE?*phStorage;??????//指向存儲介質,沒有的話填充NULL??
}Cmd_Typedef_t;

各位朋友可能會使用到非常多的自定義CLI命令，格式諸如這個網卡的命令：

const?Cmd_Typedef_t?CLI_WizMsg=
{
????//識別關鍵字
????.pcCmdStr???=?"wiz",
????//幫助內容
????.pcHelpStr??=
????"[WIZ?contorls]
"
?"?wiz?help
"
?"?wiz?rd?info
"
?"?wiz?reset
"
?"?wiz?wr?ip?...
"
?"?wiz?wr?mask?...
"
?"?wiz?wr?way?...
"
?"?wiz?wr?mac?--
-
-
-

"
?"?wiz?wr?port????
"
?"?wiz?wr?sip?...?
"
?"?wiz?wr?cip?...?
"
?"?wiz?load?default
"
?"[WIZ?Test?mode]
"
?"?wiz?loop?open
"
?"?wiz?loop?close
"
?"
",
?
?//處理函數
?.pxCmdHook??=?&Shell_WIZ_Service,????????//見實體函數
?
?//附帶數據
?.ucExpParam?=?0,
?
??#ifdef?SHELL_USE_YMODEM??
????//存儲介質
????.phStorage??=?NULL,
??#endif
};
/*---------------------*?
*???????CLI?鏈表節
*----------------------*/
Cmd_List_t??WizList???=?{?&CLI_WizMsg,???NULL,};?//Shell指令的頭

如配置IP地址輸入“wiz wr ip 192.168.1.250 ”則可以了

3. 環境準備

3.1 硬件開發環境

STM32F103系列開發板一塊，帶USART1接口。

USB轉串口線一根。

3.2 軟件開發環境

MDK4.72或以上

SecureCRT串口超級終端

3.3 軟件配置

在xc_shell使用“/r/n”作為命令的結束符，而SecureCRT按下Enter不是輸入“/r/n”故而需要按下圖設置：此外在《終端》/仿真/高級中選取【本地回顯】?

4. 代碼介紹

4.1 目錄結構

□?XC_SHELL
├──┬──?BSP_LIB????BSP庫，硬件相關驅動代買
│??├────?bsp_ledx.c???基礎LED驅動??????
│??└────?bsp_tty0.c???調試串口驅動
│
├──┬──MDK-ARM?????工程文件
│??└────?Project.uvproj
│
├──┬──SHELL_CFG???SHELL配置頭文件
│??└────?user_eval.h
│
├──┬──SHELL_CORE??SHELL內核文件
│??├────?xc_shell.c???SHELL內核文件
│??├────?xc_ymodem.c??Ymodem傳輸協議（默認關閉，在xc_shell.h中啟動）
│??├────?xc_iap.c?????Flash的IAP操作，需要bsp_flash.c驅動支持
│??└────?shell_iap.c??shell的用戶腳本模板
│
├──┬──SHELL_INC???SHELL頭文件
│??├────?bsp_type.h???驅動結構定義
│??├────?xc_shell.h???SHELL頭文件
│??└────?xconfig.h????硬件無關配置文件
│
├──┬──STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0??STM32的標準外設庫
│??└────?......
│
└──┬──USER????????用戶文件????
???├─?.....???????
???└────?main.c????????main文件

4.2 工程設置要點

1）設置使用微庫：

2）配置包含和路徑，注意使用了“--c99”標準，如圖

3）編譯工程，無錯誤警告后燒寫程序到開發板運行。

4.3 最終效果

按圖輸入一下指令，SHELL平臺會回復相關信息。其中輸入“led set 0=1”會將信號1分配到物理LED0上；輸入“led set 0=2”會將信號2分配到物理LED0上。這樣用戶編寫程序代碼時相當于擁有了超級多的LED信號可用，調試時序非常有用。?

5. 添加自己的指令腳本

5.1 源代碼示例

假設我要編寫一個自己的指令腳本，來讀取MCU的關鍵信息，關鍵字為mcu，文件命名為shell_mcu.c；當輸入“mcu rd 0”時顯示MCU的FLASH大小，輸入“mcu rd 1”時讀取MCU的唯一ID信息。shell_mcu.c源代碼：

/*********************************Copyright?(c)*********************************
**???????????????????????????????
**?????????????????????????????????FIVE工作組
**
**---------------------------------File?Info------------------------------------
**?File?Name:???????????????shell_mcu.c
**?Last?modified?Date:??????2017/9/17?1557
**?Last?Version:????????????V1.0
**?Description:?????????????shell測試
**
**------------------------------------------------------------------------------
**?Created?By:??????????????wanxuncpx
**?Created?date:????????????2017/9/17?1508
**?Version:?????????????????V1.0
**?Descriptions:????????????none
**------------------------------------------------------------------------------
**?HW_CMU:??????????????????STM32F103
**?Libraries:???????????????STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0
**?version??????????????????V3.5
*******************************************************************************/
?
/******************************************************************************
更新說明:
******************************************************************************/
?
/******************************************************************************
*********************************??編?譯?控?制?********************************
******************************************************************************/
#define?MCU_SHELL???????????????//注釋掉時屏蔽iap?shell功能
?
#include?"xc_shell.h"???????//Shell支持文件,含bool,uint8_t..以及串口數據收發操作
/******************************************************************************
*********************************?文件引用部分?********************************
******************************************************************************/
/*---------------------*?
*?????模塊驅動引用
*----------------------*/
//#include?"net_w5500.h"
?
#ifdef?MCU_SHELL
/******************************************************************************
**********************************?Shell實例?**********************************
******************************************************************************/
/*---------------------*?
*??????CLI指令服務
*----------------------*/
extern?bool?Shell_MCU_Service(void?*?pcBuff,?uint16_t?len?);
?
/*---------------------*?
*???????CLI?結構
*----------------------*/
const?Cmd_Typedef_t?CLI_McuMsg=
{
????//識別關鍵字
????"mcu",
????
????//幫助內容
?"[mcu?contorls]
"
?"?mcu?rd?		-?Read?FLASH?information.
"
?"
",
?
?//處理函數
?&Shell_MCU_Service,
?
?//附帶數據
?0,
??#ifdef?SHELL_USE_YMODEM??
????//存儲介質
????NULL,
??#endif
};
?
/*---------------------*?
*?????CLI鏈表節(輸出)
*----------------------*/
Cmd_List_t??McuList??=?{&CLI_McuMsg??????,NULL};?//IAP指令鏈表
?
/******************************************************************************
*********************************?函?數?聲?明?*********************************
******************************************************************************/
/******************************************************************************
/?函數功能:STM32F103控制函數
/?修改日期:2015/7/14?2002
/?輸入參數:none
/?輸出參數:none
/?使用說明:需要執行約10s
******************************************************************************/
static?bool?FLASH_ioctl(uint8_t?cmd,void?*?param)
{
????#define?UID_ADDR????????????0x1FFFF7E0??//閃存容量寄存器,值對應KB單位
????#define?MAC_ADDR????????????0x1FFFF7E8??//MCU的唯一ID號,共12個字節
????#define?UID_SIZE????????????2???????????//UID的字節數
????#define?MAC_SIZE????????????12??????????//MAC的字節數
?
????//step1:?檢查參數
????if(!param)return?false;
????????
????//step2:?處理數據
????switch(cmd){
??????case?0?:?{???????//獲取FLASH的的UID
????????uint16_t?*?ptDst?=?(uint16_t?*)((uint32_t)param+1);
????????
????????*ptDst?=?*(uint16_t?*)UID_ADDR;
????????*(uint8_t??*)param?=??UID_SIZE;
????????return?true;
??????}
??????case?1?:?{???????//獲取芯片的MAC地址
????????uint32_t?*?ptDst?=?(uint32_t?*)((uint32_t)param+1);
????????uint32_t?*?ptSrc?=?(uint32_t?*)MAC_ADDR;
????
????????*ptDst++?=?*ptSrc++;
????????*ptDst++?=?*ptSrc++;
????????*ptDst++?=?*ptSrc++;
????????*(uint8_t??*)param?=?MAC_SIZE;
????????return?true;
??????}
??????default:return?false;
????}
}
?
/******************************************************************************
/?函數功能:文件系統Shel指令處理
/?修改日期:2013/9/10?1915
/?輸入參數:輸入當前的程序版本
/?輸出參數:none
/?使用說明:none
******************************************************************************/
bool?Shell_MCU_Service(void?*?pcBuff,?uint16_t?len?)
{
????uint8_t????*ptRxd;??????????//用于接收指令處理
????int?????????i;
????uint16_t????retval;
????uint8_t?????buff[32];
????
????//處理指令
????//--------------------------------------------------------------------------
????ptRxd?=?(uint8_t?*)pcBuff;
????
????if(StrComp(ptRxd,"rd?"))?//讀取FLASH信息
????{
????????int?wval;
????????
????????if(1?!=?sscanf((void?*)ptRxd,"%*s%d",&wval)?)return?false;
????????if(?wval>2?)return?false;
????????if(0==wval)?{
????????????FLASH_ioctl(0,buff);
????????????retval?=?*(uint16_t?*)(buff+1)?;
????????????printf("->Flash:	%dKB
",retval);
????????????return?true;
????????}
????????else?if(1==wval)?{
????????????FLASH_ioctl(1,buff);
????????????printf("->MAC:	?");
????????????for(i=0;?i

	?

	?

	5.2 實現步驟

	1） 將該文件添加到工程下。

	2） 在main.c中用extern 引用McuList，源代碼為：

	?

	?
/*---------------------*?
*?????Shell指令鏈表
*----------------------*/
extern?Cmd_List_t??McuList;


	?

	?

	3）在main.c初始化時添加：

	?

	?
//----------------------------------------------------------
//step1:?shell初始化
shell_Init(115200,ledx_cfg);????????//初始化shell接口
CLI_AddCmd(&McuList);?????//添加模塊指令到鏈表


	?

	?

	4）編譯工程文件。

	5）下載到開發板運行即可在終端下看到新支持的CLI指令：

	

	審核編輯：黃飛