模块化代码的设计思路，开发思想和独立模块开发模型

嵌入式软件这个行业涉及甚广，从我们身边的电视、冰箱、洗衣机，到我们的手机，再到交通、到医疗、军事无处不在。

在项目的开发过程中，使用调试工具是必不可少的。

串口简单灵活的特性常被工程师用作代码的调试工具，它的另一个名字叫uart。

说到uart，相信很多工程师都熟透了，掌握一个uart，可以说是已经迈进了嵌入式软件的殿堂，所以uart也常被用作嵌入式入门的必备功课。

那既然都熟了，那为什么还拿出来说呢，带着这样的一个问题，跟着我一起深入的了解我们的这个项目，一起探讨uart背后那些不为人知的故事。

目的意义在我们的开发测试中，uart通常扮演者信息输出，人机交互和下载程序的功能，有些场景下可能有线的串口不是很方便或者不能实现信息的输出，比如调平衡车，有线串口对这种远距离的调试显得有些力不足。有些场景或者我们根本不可以把数据直接读出来，比如车厂，整车的CAN数据是汽车的血液，一些ECU的出厂前身体状况，全靠采集can数据来诊断，即使整车有can数据的存储功能，一些测试调试不一定能很方便的拿到，所以这个无线的数据采集仪就能派上用场，这就是我本次项目的主要意义。

本期内容可以了解到以下几个方面：

1、模块化代码的设计思路，开发思想和独立模块开发模型；

2、uart等串行板级通信的设计原理及其注意事项；

3、项目中常用的测试方法和测试手段；

4、通信协议的制定和协议栈的开发；

项目简介：项目采用双mcu-STM32F030C8T6和RF24L01无线模块实现主从设备的上下行数据传输，在此基础上增加与pc的通信和数据记录功能，实现离线数据同步功能；

基础功能：

实现双mcu数据的上下行无线传输，波特率为115200；

实现主设备与pc机的通信，并实现uart调试功能；

扩展功能：1、can数据、spi 、iic的数据的采集传输；2、离线存储功能；

开发准备及其环境硬件环境：具备RF24L01模块接口的STM32开发板2块、RF20L01无线模块2块；开发工具：STM32J-link仿真器、串口TTL转换小板各1；软件环境 ：KIEL-MDK 、串口助手 ；

开发计划节点1：完成技术指标的确定，开发板、硬件模块及其调试器采购到位，完成软硬件的架构设计；

节点2：调试接口与pc的交互程序的开发；

初建工程，完成uart1调试接口程序的开发；

完成uart2与pc机的交互程序的设计；

节点3：定制NRF24L01的传输协议，并完成开发

驱动的开发与BSP的开发；

协议的开发；

节点4：整体调试、测试；

节点5：编写项目总结。

项目设计

Part 01

项目概述及其环境的搭建

项目简介：

项目采用双mcu-STM32F030C8T6和RF24L01无线模块实现主从设备的上下行数据传输，在此基础上增加与pc的通信和数据记录功能，实现离线数据同步功能；功能指标

基础功能：

1、为了尽快上手软件，硬件系统采用现成模块， RF24L01模块接口的STM32开发板2块和RF20L01无线模块2块，STM32系统板2块分为主板和从板，从板信息通过24l01无线模块发送到主板，主板通过uart与pc交互；硬件部分后续独立部分说明分享。

2、软件方面是重点研究对象，软件主要分为driver、hal、bsp、service、app五个部分。Driver层是和硬件直接相关，hal层是隔离层，bsp是驱动相关芯片的板级支持层、服务层主要是一些任务相关，App为应用层。

扩展功能：1、can数据、spi 、iic的数据的采集传输；2、离线存储功能；

开发准备及其环境：1、硬件环境 ：具备RF24L01模块接口的STM32开发板2块、RF20L01无线模块2块；2、开发工具 ：STM32J-link仿真器、串口TTL转换小板各1；3、软件环境 KIEL-MDK 、串口助手 ；

Part 02

软件设计-外设uart

导言uart外设是开发调试的重要手段，也是板级通信常用的通信方式。

对于耳熟能详的uart，你了解多少呢？

它的用法的注意事项和难点又有哪些呢？

本期内容让我带着大家重点探讨一下uart的软件设计。

内容提要1、uart的基本概述和STM32中uart驱动HAL层的配置；2、调试打印中，uart的数据发送策略；3、通信中，uart的策略与架构。

软件实战1、外设与系统

与传统写驱动程序相比，STM32CubeMX代码生成器让驱动变得更简单、快速，大大提高了开发效率。

STM32CubeMX不仅支持外设配置，还支持freeRTOS，不过很可惜，考虑到片子的成本，8KRAM的片子仅能跑2个静态的线程，而且从板有集成到项目中的需求，所以从设备不使用freeRTOS。

从设备主频48MHZ，uart外设需要对GPIO/NVIC/DMA/UART进行配置，主设备还需要配置freeRTOS。

2、调试神器-uart不管哪个项目，printf的输出是必不可少的！

实现的关键点是数据通过printf函数收集到debug_pool后如何发送。

下面内容围绕这个问题展开讨论。

无os的情况下，若是需要实时性要求较高的情况下，发送需要直接调用uart驱动发送接口抛出，这种方式，效率低，cpu占用高。

一般情况下是要开一片空间，当数据收集满后通过DMA送到uart硬件然后发出去。不过这种方式是需要一个Task，周期的抛数据。

有os的系统，这里需要加消息队列或者内存池，还需要一个独立的线程进行处理。

比较复杂，这里不展开讨论。

对上图思想进行解释：1、接收部分首先考虑如何接收数据，是采用run_buf的形式还是一个字节中断的方式；

2、数据接收后，要思考帧识别，确定一帧数据后进入CRC校验；

3、校验通过后再进行协议的解析和处理；

5、数据发送部分先对数据进行打包。记住多线程的处理要对数据进行保护，防止tx_buf里的数据被刷写；

6、通过打包后的数据要CRC加码校验，然后再发出去；

值得注意的是：要将这些公共的CRC和收发任务单独提出来，与协议相关的内容独立出来，这样协议层的变得不会引起程序大的改动；

Part 03

软件设计-外设uart

引言：相信很多工程师们都晓得：调试串口不仅扮演打印信息的角色，还得有配置设备、设备参数输入等功能。如果开发window上位机界软件是成本上和时间上都不划算；要是在Linux这种跨平台下还得开发一套软件。所以做一个类似Linux命令这样的串口软件就显得很有必要！

直接用像SecureCRT这类软件连接串口即可调试，与设备进行交互，把这个软件命名为mshel。

另外，直接与pc进行这样的数据流存在乱码和丢数据的现象，这里使用了为二者制定的私有协议。

本期内容：1、mshell的原理与结构；2、pc交互的通信协议；

软件实战：mshell的设计原理和思路：mshell是设备开发人员与设备进行配置管理的交互接口，主要功能如下：1）设备log打印显示功能；

2）可对设备进行配置和控制；

3）具有Linux的终端控制台类似的功能，可以显示功能菜单和参数输入等功能，给出功能菜单示例；

SecureCRT软件的串口数据交互特点：

1）对与窗口输入的字母和数字，是以ASCII的形式通过串口下发到设备；

2）窗口输入一个字符，串口会下发一个字符，回车、退格和空格都是一个字节，左右上下键是2字节；

3）软件接收到字符后回显到窗口，回车0x0D回显没有反应， 行跳转；

4）给出用到的一些双字节按键：

KEY_UP = 0x5B410000，

KEY_DOWN = 0x5B420000，

KEY_LEFT = 0x5B440000，

KEY_RIGHT = 0x5B430000，

根据以上特点可知，实现mshell进行需要回显功能，就是收到啥发啥，提示程序员设备收到所下发的字符。

需要对收到的字符进行存储和解析，需要设计命令解析器。

命令解析器处理完指令及其数据后，交给执行单元。

执行单元的设计包括一级指令执行，即选择功能模块，比如uart相关指令，之后进入到子模块处理程序。

核心模块的功能如下：

1）echo回显模块是将pc发来的字符实时的发回到pc的终端，提示输入有效；

2）cmd_analysis命令解析器是将收到的字符进行处理，要知道输入参数的个数，指令以及数据；

3）cmd_dispatch命令调度器是对注册的命令块进行回调处理；

1）物理层主要是硬件线路数据，软件驱动的收发；采用标准3线制 Uart 物理接口、波特率待定、 8个数据位，无校验，1个停止位。

2）数据链路层是对接收一包数据的完整性已经正确的保证，这里使用crc校验；

3）传输层是实现数据包的顺序传输，和稳定性，具体的协议帧定义如下：

应答帧在应用层payload中进行，counter计数避免帧重复，对于协议的实现，仅mcu部分，上位机部分使用Linux，将数据存到文件中即可。

本次更新内容如下：

Part 04

无线通信模块的协议

引言： 前面的uart相关的开发主要的功能是连接采集设备和上位机的接口功能，设备想要实现无线数据传输，离不开NRF24L01，这个模块的传输方式是半双工模式，也就是同一时刻仅能单侧传输数据，所以如何准确的实现数据双向的收发，本期的通信协议就非常关键了。

本期内容：

1、NRF24L01模块的重要理解；

2、数据收发原理；

项目实战：

一、模块的重要理解

1、关于频率：

2.4GWiFi频段和和nrf24l01有很大一块重叠，如果出现严重的丢包，很有可能受到了WiFi的的干扰，将nrf2401的频段设置为高于2490MHz可以显著降低丢包率。nrf2401做了3种固定的波特率，分别是 250Kbps/1Mbps/2Mbps，在使用时指定一个即可。需要注意的是，当nrf2401正处于接收数据或发送数据的工作状态时，不要修改波特率，否则会数据包会出错。

2、关于功耗：

掉电模式，nrf2401消耗的电流为900nA，比全火力状态低了4个数量级，所以为了省电，大多数情况下是可以让模块处于此模式，当有数据收发的时候再开机。就这样让模块关机也有个缺点，就是当对数据实时性要求很高的情况下，nrf24l01启动时要一次开启各个关闭的模块，相对来说有点耗时，容易丢数或者延迟发送。

热待机模式（Standby），相对掉电模式相比，热待机模式下仅仅是将射频相关电路停掉来达到省电的目的，这样的话，这个模块即达到节点的目的又加快的启动时间，但它的功耗交完全掉电相比还是要高，大约在30-300uA这个范围，但是也算很省电了。

射频功耗控制，全火力模式下（也就是模块处于正常收发数据的状态下），模块也有对射频功耗控制的手段，达到省电的目的。nrf2401模块的射频功耗被划分为4个档次，分别为0/1/2/3，分别对应的-18/-12/-6/0dBm。其他方面同等条件下，功率越小传输距离越小，可以根据实际情况自行选择使用什么功率配置。值得注意的是，射频功率控制只能控制对外发送数据，接收数据的功率是没办法控制的。

nfr24l01的通信类型属于半双工，就是说再同一时刻，一个模块仅能收数或者发数，无法做到同时收发。为了保证数据的准确稳定的传输，双方做了一个约定，即通信流程。

二、数据收发原理

1、设备地址：

与mac地址一样，每一个nrf2401设备有一个唯一的地址（可理解为设备ID）来充当设备的身份证，地址长度可以设3/4/5的任选一。设备发送时，先发对端的设备地址，然后再发数据。若配置了硬件ack应答，则每次收到数据后，会像对端回复ack应答。

Nrf2401有6个地址通道，也就是说模块有6个数据通道，同时可和6个设备进行交互也可以是6个通道的多路数据转发等设计。6个通道的地址宽度配置是要保持一致，不支持6个同通道下的不同地址宽度的配置。

* channel0和channel1地址宽带可随意配置，最大宽度为5，低字节兼容3/4宽度的地址；

* channel2-channel5，最低字节可随意配置其他字节与channel共享；

* 向同一设备发送数据，即使信道（地址）不同，也会存在干扰可能接收数据失败；

2、数据校验：

nrf2401支持CRC8/CRC16，通过配置寄存器的方式，二选一。发送设备将要发送的数据（包括地址）进行CRC计算后，添加到发送包中发出去。接收设备收到数据将数据计数后，和数据中的CRC值进行校验，如果不匹配就丢弃；

3、长帧数据：

模块发送最大长度为32字节，要想发送长帧，就需要分包发送，发送的数据除了周期的数据还有事件数据。周期数据一般采用单包数据，比如心跳信号。长帧数据的用来做事件发送，而且需要一包数据发送的单帧计数器来防止数据发乱发错。设备本身替我们做了CRC校验和地址自动匹配，如果需要一对多的收发，可以在设备的数据域再加一个地址，把硬件地址当作信道使用。

说明：

*短帧的数据可以直接使用，最大长度32byte，可以周期，也可以事件；

*长帧数据不建议周期发送，一般用作事件发送类型使用；

帧格式解析：

*长帧数据为了提高数据的安全性，需要对长帧数据再次进行CRC校验；

*count计数器是避免数据包不丢失；

*flag标识

bit 0 ，0=非ACK帧， 1=ACK帧， 若是接收帧，则是表示ACK数据或者正常数据；

bit 1， 0=非ACK帧， 1=ACK帧， 若是发送帧，这位表示告诉接收方是否需要回复ACK应答，

bit 2， 0=短帧， 1=长帧， 标识是否为长帧或者单帧;

bit3-bit4，0=第一帧，1=流控帧，2=结束帧；

4、单帧的数据

单帧比较简单，没有再次CRC校验和count计数，帧格式如下：

*flag标识

bit 0 ，0=非ACK帧， 1=ACK帧， 若是接收帧，则是表示ACK数据或者正常数据；

bit 1， 0=非ACK帧， 1=ACK帧， 若是发送帧，这位表示告诉接收方是否需要回复ACK应答，

bit 2， 0=短帧， 1=长帧， 标识是否为长帧或者单帧;

责任编辑：lq