模塊化代碼的設(shè)計(jì)思路，開(kāi)發(fā)思想和獨(dú)立模塊開(kāi)發(fā)模型

嵌入式軟件這個(gè)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(wú)處不在。

在項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，使用調(diào)試工具是必不可少的。

串口簡(jiǎn)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(gè)名字叫uart。

說(shuō)到uart，相信很多工程師都熟透了，掌握一個(gè)uart，可以說(shuō)是已經(jīng)邁進(jìn)了嵌入式軟件的殿堂，所以u(píng)art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(lái)說(shuō)呢，帶著這樣的一個(gè)問(wèn)題，跟著我一起深入的了解我們的這個(gè)項(xiàng)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(kāi)發(fā)測(cè)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(chǎng)景下可能有線的串口不是很方便或者不能實(shí)現(xiàn)信息的輸出，比如調(diào)平衡車，有線串口對(duì)這種遠(yuǎn)距離的調(diào)試顯得有些力不足。有些場(chǎng)景或者我們根本不可以把數(shù)據(jù)直接讀出來(lái)，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(lái)診斷，即使整車有can數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，一些測(cè)試調(diào)試不一定能很方便的拿到，所以這個(gè)無(wú)線的數(shù)據(jù)采集儀就能派上用場(chǎng)，這就是我本次項(xiàng)目的主要意義。

本期內(nèi)容可以了解到以下幾個(gè)方面：

1、模塊化代碼的設(shè)計(jì)思路，開(kāi)發(fā)思想和獨(dú)立模塊開(kāi)發(fā)模型；

2、uart等串行板級(jí)通信的設(shè)計(jì)原理及其注意事項(xiàng)；

3、項(xiàng)目中常用的測(cè)試方法和測(cè)試手段；

4、通信協(xié)議的制定和協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)；

項(xiàng)目簡(jiǎn)介：項(xiàng)目采用雙mcu-STM32F030C8T6和RF24L01無(wú)線模塊實(shí)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(shí)現(xiàn)離線數(shù)據(jù)同步功能；

基礎(chǔ)功能：

實(shí)現(xiàn)雙mcu數(shù)據(jù)的上下行無(wú)線傳輸，波特率為115200；

實(shí)現(xiàn)主設(shè)備與pc機(jī)的通信，并實(shí)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(chǔ)功能；

開(kāi)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(kāi)發(fā)板2塊、RF20L01無(wú)線模塊2塊；開(kāi)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(kāi)發(fā)計(jì)劃節(jié)點(diǎn)1：完成技術(shù)指標(biāo)的確定，開(kāi)發(fā)板、硬件模塊及其調(diào)試器采購(gòu)到位，完成軟硬件的架構(gòu)設(shè)計(jì)；

節(jié)點(diǎn)2：調(diào)試接口與pc的交互程序的開(kāi)發(fā)；

初建工程，完成uart1調(diào)試接口程序的開(kāi)發(fā)；

完成uart2與pc機(jī)的交互程序的設(shè)計(jì)；

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

驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)與BSP的開(kāi)發(fā)；

協(xié)議的開(kāi)發(fā)；

節(jié)點(diǎn)4：整體調(diào)試、測(cè)試；

節(jié)點(diǎn)5：編寫(xiě)項(xiàng)目總結(jié)。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)

Part 01

項(xiàng)目概述及其環(huán)境的搭建

項(xiàng)目簡(jiǎn)介：

項(xiàng)目采用雙mcu-STM32F030C8T6和RF24L01無(wú)線模塊實(shí)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(shí)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(kāi)發(fā)板2塊和RF20L01無(wú)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(guò)24l01無(wú)線模塊發(fā)送到主板，主板通過(guò)uart與pc交互；硬件部分后續(xù)獨(dú)立部分說(shuō)明分享。

2、軟件方面是重點(diǎn)研究對(duì)象，軟件主要分為driver、hal、bsp、service、app五個(gè)部分。Driver層是和硬件直接相關(guān)，hal層是隔離層，bsp是驅(qū)動(dòng)相關(guān)芯片的板級(jí)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(chǔ)功能；

開(kāi)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(kāi)發(fā)板2塊、RF20L01無(wú)線模塊2塊；2、開(kāi)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(jì)-外設(shè)uart

導(dǎo)言u(píng)art外設(shè)是開(kāi)發(fā)調(diào)試的重要手段，也是板級(jí)通信常用的通信方式。

對(duì)于耳熟能詳?shù)膗art，你了解多少呢？

它的用法的注意事項(xiàng)和難點(diǎn)又有哪些呢？

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

內(nèi)容提要1、uart的基本概述和STM32中uart驅(qū)動(dòng)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(shí)戰(zhàn)1、外設(shè)與系統(tǒng)

與傳統(tǒng)寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序相比，STM32CubeMX代碼生成器讓驅(qū)動(dòng)變得更簡(jiǎn)單、快速，大大提高了開(kāi)發(fā)效率。

STM32CubeMX不僅支持外設(shè)配置，還支持freeRTOS，不過(guò)很可惜，考慮到片子的成本，8KRAM的片子僅能跑2個(gè)靜態(tài)的線程，而且從板有集成到項(xiàng)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(duì)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(gè)項(xiàng)目，printf的輸出是必不可少的！

實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)是數(shù)據(jù)通過(guò)printf函數(shù)收集到debug_pool后如何發(fā)送。

下面內(nèi)容圍繞這個(gè)問(wèn)題展開(kāi)討論。

無(wú)os的情況下，若是需要實(shí)時(shí)性要求較高的情況下，發(fā)送需要直接調(diào)用uart驅(qū)動(dòng)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(kāi)一片空間，當(dāng)數(shù)據(jù)收集滿后通過(guò)DMA送到uart硬件然后發(fā)出去。不過(guò)這種方式是需要一個(gè)Task，周期的拋數(shù)據(jù)。

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

比較復(fù)雜，這里不展開(kāi)討論。

對(duì)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(gè)字節(jié)中斷的方式；

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

3、校驗(yàn)通過(guò)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包。記住多線程的處理要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，防止tx_buf里的數(shù)據(jù)被刷寫(xiě)；

6、通過(guò)打包后的數(shù)據(jù)要CRC加碼校驗(yàn)，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(dú)提出來(lái)，與協(xié)議相關(guān)的內(nèi)容獨(dú)立出來(lái)，這樣協(xié)議層的變得不會(huì)引起程序大的改動(dòng)；

Part 03

軟件設(shè)計(jì)-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(kāi)發(fā)window上位機(jī)界軟件是成本上和時(shí)間上都不劃算；要是在Linux這種跨平臺(tái)下還得開(kāi)發(fā)一套軟件。所以做一個(gè)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(gè)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(shí)戰(zhàn)：mshell的設(shè)計(jì)原理和思路：mshell是設(shè)備開(kāi)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(duì)設(shè)備進(jìn)行配置和控制；

3）具有Linux的終端控制臺(tái)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(diǎn)：

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

2）窗口輸入一個(gè)字符，串口會(huì)下發(fā)一個(gè)字符，回車、退格和空格都是一個(gè)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(méi)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(diǎn)可知，實(shí)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(duì)收到的字符進(jìn)行存儲(chǔ)和解析，需要設(shè)計(jì)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(jì)包括一級(jí)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(lái)的字符實(shí)時(shí)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(gè)數(shù)，指令以及數(shù)據(jù)；

3）cmd_dispatch命令調(diào)度器是對(duì)注冊(cè)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(dòng)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(gè)數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)，1個(gè)停止位。

2）數(shù)據(jù)鏈路層是對(duì)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(yàn)；

3）傳輸層是實(shí)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(jì)數(shù)避免幀重復(fù)，對(duì)于協(xié)議的實(shí)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(wú)線通信模塊的協(xié)議

引言： 前面的uart相關(guān)的開(kāi)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(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，離不開(kāi)NRF24L01，這個(gè)模塊的傳輸方式是半雙工模式，也就是同一時(shí)刻僅能單側(cè)傳輸數(shù)據(jù)，所以如何準(zhǔn)確的實(shí)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(xiàng)目實(shí)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(shí)指定一個(gè)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(shí)，不要修改波特率，否則會(huì)數(shù)據(jù)包會(huì)出錯(cuò)。

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(gè)數(shù)量級(jí)，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(shí)候再開(kāi)機(jī)。就這樣讓模塊關(guān)機(jī)也有個(gè)缺點(diǎn)，就是當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求很高的情況下，nrf24l01啟動(dòng)時(shí)要一次開(kāi)啟各個(gè)關(guān)閉的模塊，相對(duì)來(lái)說(shuō)有點(diǎn)耗時(shí)，容易丟數(shù)或者延遲發(fā)送。

熱待機(jī)模式（Standby），相對(duì)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(lái)達(dá)到省電的目的，這樣的話，這個(gè)模塊即達(dá)到節(jié)點(diǎn)的目的又加快的啟動(dòng)時(shí)間，但它的功耗交完全掉電相比還是要高，大約在30-300uA這個(gè)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(duì)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(gè)檔次，分別為0/1/2/3，分別對(duì)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(shí)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(duì)外發(fā)送數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)的功率是沒(méi)辦法控制的。

nfr24l01的通信類型屬于半雙工，就是說(shuō)再同一時(shí)刻，一個(gè)模塊僅能收數(shù)或者發(fā)數(shù)，無(wú)法做到同時(shí)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(gè)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(gè)nrf2401設(shè)備有一個(gè)唯一的地址（可理解為設(shè)備ID）來(lái)充當(dāng)設(shè)備的身份證，地址長(zhǎng)度可以設(shè)3/4/5的任選一。設(shè)備發(fā)送時(shí)，先發(fā)對(duì)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(huì)像對(duì)端回復(fù)ack應(yīng)答。

Nrf2401有6個(gè)地址通道，也就是說(shuō)模塊有6個(gè)數(shù)據(jù)通道，同時(shí)可和6個(gè)設(shè)備進(jìn)行交互也可以是6個(gè)通道的多路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等設(shè)計(jì)。6個(gè)通道的地址寬度配置是要保持一致，不支持6個(gè)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(huì)存在干擾可能接收數(shù)據(jù)失??；

2、數(shù)據(jù)校驗(yàn)：

nrf2401支持CRC8/CRC16，通過(guò)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(jì)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(jì)數(shù)后，和數(shù)據(jù)中的CRC值進(jìn)行校驗(yàn)，如果不匹配就丟棄；

3、長(zhǎng)幀數(shù)據(jù)：

模塊發(fā)送最大長(zhǎng)度為32字節(jié)，要想發(fā)送長(zhǎng)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(hào)。長(zhǎng)幀數(shù)據(jù)的用來(lái)做事件發(fā)送，而且需要一包數(shù)據(jù)發(fā)送的單幀計(jì)數(shù)器來(lái)防止數(shù)據(jù)發(fā)亂發(fā)錯(cuò)。設(shè)備本身替我們做了CRC校驗(yàn)和地址自動(dòng)匹配，如果需要一對(duì)多的收發(fā)，可以在設(shè)備的數(shù)據(jù)域再加一個(gè)地址，把硬件地址當(dāng)作信道使用。

說(shuō)明：

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

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

*count計(jì)數(shù)器是避免數(shù)據(jù)包不丟失；

*flag標(biāo)識(shí)

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(zhǎng)幀， 標(biāo)識(shí)是否為長(zhǎng)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(jiǎn)單，沒(méi)有再次CRC校驗(yàn)和count計(jì)數(shù)，幀格式如下：

*flag標(biāo)識(shí)

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(zhǎng)幀， 標(biāo)識(shí)是否為長(zhǎng)幀或者單幀;

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