《基于構(gòu)件化的嵌入式系統(tǒng)設計》 課件 項目4 利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信

嵌入式系統(tǒng)設計

為了實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設計的可移植和可復用，嵌入式硬件和嵌入式軟件均采用構(gòu)件化的設計思想，即對嵌入式硬件和嵌入式軟件進行封裝，供系統(tǒng)設計者調(diào)用，并倡導嵌入式軟件分層設計的理念，以大幅度降低嵌入式技術(shù)學習難度和開發(fā)難度。

本書特色：項目任務驅(qū)動，突出學以致用，注重實踐創(chuàng)新。每個項目且均采用了“通用知識”→“嵌入式構(gòu)件設計”→“應用層程序設計”→“學以致用與創(chuàng)新”的學習流程。采用“搭積木”的思想，逐步提高嵌入式系統(tǒng)設計能力。

本書可作為高等學校電子信息類、計算機類、自動化類等專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)設計教材，也可作為嵌入式技術(shù)培訓教材，還可供從事嵌入式技術(shù)開發(fā)的工程技術(shù)人員參考。項目1：GPIO基礎應用—實現(xiàn)閃燈和開關狀態(tài)檢測與控制功能項目2：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈項目3：GPIO和定時器的綜合應用—實現(xiàn)數(shù)碼管顯示、鍵盤測控、測溫功能項目4：利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信項目5：利用

Timer

實現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能項目6：利用

ADC

設計簡易數(shù)字電壓表項目7：利用

SPI

實現(xiàn)多機串行通信項目8：利用

CAN

實現(xiàn)多機通信教

材

內(nèi)

容

項目4利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信【項目導讀】

為了實現(xiàn)上位機PC和下位機MCU之間的通信，可采用UART、USB、Ethernet等多種通信方式，其中UART是最簡單的一種通信方式，也是學習其他通信方式的基礎。【學習目標】（1）理解UART的通用知識，包括UART硬件、UART通信的數(shù)據(jù)幀格式、數(shù)據(jù)通信的波特率和串行通信的傳輸方式等。（2）熟悉MCU的UART主要特性和引腳，掌握MCU的UART底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法。（3）能夠利用MCU的UART底層驅(qū)動構(gòu)件頭文件進行PC和MCU的串口通信應用層程序設計與測試。（4）掌握通過UART實現(xiàn)利用格式化輸出函數(shù)（printf）向PC輸出數(shù)據(jù)的方法，為今后在嵌入式軟件設計中使用printf調(diào)試奠定基礎。*（5）熟悉MCU的UART底層驅(qū)動構(gòu)件源文件的設計方法。項目4利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信任務4.1理解UART的通用知識

UART（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，通用異步收發(fā)器）可實現(xiàn)異步串行通信功能。有時還將UART稱為SCI（SerialCommunicationInterface，串行通信接口），簡稱串口。1、UART硬件

MCU的UART通信一般只需3根線：發(fā)送線TxD、接收線RxD和地線GND。

MCU可通過TTL-USB轉(zhuǎn)換器連接到PC的USB接口，在PC上安裝相應的驅(qū)動軟件，就可實現(xiàn)MCU與PC之間的串口通信。2、UART通信的數(shù)據(jù)幀格式

UART通信的特點：數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位，按位的順序（如最低位優(yōu)先）從一條傳輸線上發(fā)送出去。

（1）發(fā)送1位起始位——邏輯“0”，用于通知接收方通信同步。

（2）依次發(fā)送8位數(shù)據(jù)D0～D7（低位在前、高位在后）。

（3）發(fā)送1位奇偶校驗位（可選），便于接收方檢測數(shù)據(jù)發(fā)送是否正確。

（4）發(fā)送1～2位停止位——邏輯“1”，用于通知接收方該幀數(shù)據(jù)已發(fā)送完成。

若發(fā)送方無數(shù)據(jù)發(fā)送，則通信線路上保持空閑狀態(tài)——邏輯“1”。若發(fā)送方發(fā)送下一個UART數(shù)據(jù)幀，則要重新發(fā)送起始位，然后發(fā)送一字節(jié)的新數(shù)據(jù)。任務4.1理解UART的通用知識3、數(shù)據(jù)通信的波特率

波特率：每秒鐘傳輸二進制數(shù)碼的位數(shù)，單位是bit/s。波特率越高，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣染驮娇?。只有通信雙方的波特率相同時才可以正常通信。

串口通信常用的波特率：1200、1800、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200等（bit/s）。4、串行通信的傳輸方式

（3）半雙工通信：通信雙方雙向傳輸信息，但在任何時刻，只能由一方發(fā)送數(shù)據(jù)，另一方接收數(shù)據(jù)，不能同時收發(fā)。如，對講機通信。

（2）全雙工通信：通信雙方雙向傳輸信息，且可以同時發(fā)送和接收。如，手機通信。一般情況下，MCU的UART通信接口均是全雙工的。

（1）單工通信：通信的發(fā)送方與接收方，單向傳輸信息。如，無線電廣播、有線電視廣播。

任務4.1理解UART的通用知識5、MCU的UART內(nèi)部結(jié)構(gòu)及編程模型將8位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為1字節(jié)的并行數(shù)據(jù)用于存放接收的數(shù)據(jù)將1字節(jié)的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位串行數(shù)據(jù)用于存放待發(fā)送的數(shù)據(jù)用于判斷是否接收到數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)是否發(fā)送完成等用于設置數(shù)據(jù)幀格式（8位或9位數(shù)據(jù)）、是否校驗、是否允許中斷等用于設置UART通信波特率任務4.1理解UART的通用知識【知識鞏固】

（1）MCU的UART通信一般需要幾根線？分別是什么？

（2）畫出UART通信的數(shù)據(jù)幀格式示意圖。

（3）串行通信速率是否越高越好？

（4）串行通信有哪些傳輸方式？任務4.2掌握MCU的UART底層驅(qū)動構(gòu)件使用方法4.2.1MCU的UART主要特性和引腳

STM32F103C8T6中有

3個

USART模塊：USART1、USART2和USART3。既支持全雙工通信，也支持同步單向通信和半雙工單線通信。利用分數(shù)波特率發(fā)生器提供寬范圍的波特率選擇，波特率最高可達4.5Mbit/s。

UART發(fā)送數(shù)據(jù)引腳為UART_TX，接收數(shù)據(jù)引腳為UART_RX。UART1使用的引腳，見

uart.h中的宏定義任務4.2掌握MCU的UART底層驅(qū)動構(gòu)件使用方法4.2.2MCU的UART底層驅(qū)動構(gòu)件的組成及使用方法

UART具有初始化、發(fā)送和接收三種基本操作。其中，UART發(fā)送是主動任務，不必采用中斷方式；而UART接收是被動任務，為了確保及時接收到對方發(fā)送來的每幀數(shù)據(jù)，一般采用中斷方式。

UART底層驅(qū)動構(gòu)件由uart.h頭文件和uart.c源文件組成，若要使用UART底層驅(qū)動構(gòu)件，只需將這兩個文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底層驅(qū)動構(gòu)件）文件夾中，即可實現(xiàn)對UART的操作。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx

其中，uart.h頭文件主要包括相關頭文件的包含、一些必要的宏定義、對外接口函數(shù)的聲明，而uart.c源文件則是對外接口函數(shù)的具體實現(xiàn)，初學者不必深究。

用戶只要熟悉uart.h頭文件的內(nèi)容，即可使用UART底層驅(qū)動構(gòu)件進行編程。任務4.2掌握MCU的UART底層驅(qū)動構(gòu)件使用方法4.2.2MCU的UART底層驅(qū)動構(gòu)件的組成及使用方法【學以致用】

根據(jù)uart.h頭文件，寫出實現(xiàn)下列功能的函數(shù)調(diào)用語句。

（1）初始化UART1，波特率為9600bit/s。

（2）通過UART1發(fā)送1個字符'A'。

（3）通過UART1發(fā)送保存在數(shù)組str中的字符串"ABCDEFG"。

（4）使能UART1接收中斷。

（5）通過UART1接收1個字符，將其保存至變量re_data中，并將接收標志保存至變量re_flag中。任務4.3UART通信應用層程序設計與功能測試4.3.1UART通信的應用層程序設計

在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設計07_Source（應用層軟件構(gòu)件）的文件，以實現(xiàn)：上位機PC

與

下位機MCU之間的串口通信。1）工程總頭文件includes.h：包含04、05、06文件夾中的頭文件2）主程序源文件main.c：

定義字符數(shù)組（存放待發(fā)送的字符型數(shù)據(jù)）；

初始化；使能UART接收中斷；

在主循環(huán)中，MCU通過UART使用發(fā)送函數(shù)向PC發(fā)送數(shù)據(jù)在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx【思路總結(jié)】請畫出上述程序的設計和執(zhí)行流程圖。3）中斷服務程序源文件isr.c：在UART接收中斷服務程序中，MCU使用UART接收函數(shù)

接收PC發(fā)來的數(shù)據(jù)，并向PC回送接收到的字符任務4.3UART通信應用層程序設計與功能測試4.3.2UART通信的測試方法

（1）將USB-TTL轉(zhuǎn)換器TTL端的RX、TX、GND端子分別與MCU的TX、RX、GND引腳（參照uart.h中的引腳宏定義）相連接，將USB-TTL轉(zhuǎn)換器的USB端與PC的USB接口連接；

（2）打開PC串口調(diào)試軟件，打開串口，并且設置與MCU的UART相同的波特率；

（3）運行MCU程序，通過PC串口調(diào)試窗口查看MCU發(fā)送給PC的信息；

（4）在PC串口調(diào)試窗口中寫入字符或字符串并發(fā)送給MCU，在串口調(diào)試窗口中查看是否有MCU回送到PC的信息；

（5）調(diào)試結(jié)束后，先在PC串口調(diào)試軟件中關閉串口，然后將USB-TTL轉(zhuǎn)換器從PC的USB接口斷開。任務4.3UART通信應用層程序設計與功能測試【學以致用與創(chuàng)新】

當通過PC串口調(diào)試窗口向MCU發(fā)送不同的字符時，可改變項目1中不同小燈的狀態(tài)。任務4.3UART通信應用層程序設計與功能測試4.3.3使用printf函數(shù)輸出數(shù)據(jù)1、通過UART使用

printf

函數(shù)的方法

使用printf函數(shù)時，需要將printf軟件構(gòu)件對應的printf.h頭文件和printf.c源文件添加到所建工程的06_Soft（通用軟件構(gòu)件）文件夾中。

在printf.h頭文件中，添加了以下兩條預處理命令：

2、printf函數(shù)的調(diào)用形式：printf(格式控制字符串,輸出列表)（1）格式控制字符串：由雙撇號括起來的一個字符串，它包含兩種信息。

①由%開頭的格式符，用于指定數(shù)據(jù)的輸出格式。例如，%d：以十進制形式輸出帶符號整數(shù)；%c：輸出單個字符；%x：以十六進制形式輸出無符號整數(shù)；%s：輸出字符串；%f：以小數(shù)形式輸出實數(shù)；%e：以指數(shù)形式輸出實數(shù)。②原樣輸出的字符，在顯示中起提示作用。（2）輸出列表：是需要輸出的一些數(shù)據(jù)，可以是常量、變量或表達式。

多個數(shù)據(jù)之間要用逗號隔開。

任務4.3UART通信應用層程序設計與功能測試4.3.3使用printf函數(shù)輸出數(shù)據(jù)3、通過UART使用printf函數(shù)輸出數(shù)據(jù)的應用層程序設計1）工程總頭文件includes.h：包含04、05、06文件夾中的頭文件2）主程序源文件main.c：

定義局部變量（存放待發(fā)送的數(shù)據(jù)）；

初始化；MCU通過UART使用printf函