《基于构件化的嵌入式系统设计》 课件 项目4 利用UART实现上位机和下位机的通信

嵌入式系统设计

为了实现嵌入式系统设计的可移植和可复用，嵌入式硬件和嵌入式软件均采用构件化的设计思想，即对嵌入式硬件和嵌入式软件进行封装，供系统设计者调用，并倡导嵌入式软件分层设计的理念，以大幅度降低嵌入式技术学习难度和开发难度。

本书特色：项目任务驱动，突出学以致用，注重实践创新。每个项目且均采用了“通用知识”→“嵌入式构件设计”→“应用层程序设计”→“学以致用与创新”的学习流程。采用“搭积木”的思想，逐步提高嵌入式系统设计能力。

本书可作为高等学校电子信息类、计算机类、自动化类等专业的嵌入式系统设计教材，也可作为嵌入式技术培训教材，还可供从事嵌入式技术开发的工程技术人员参考。项目1：GPIO基础应用—实现闪灯和开关状态检测与控制功能项目2：利用定时中断实现频闪灯项目3：GPIO和定时器的综合应用—实现数码管显示、键盘测控、测温功能项目4：利用UART实现上位机和下位机的通信项目5：利用

Timer

实现PWM和输入捕获功能项目6：利用

ADC

设计简易数字电压表项目7：利用

SPI

实现多机串行通信项目8：利用

CAN

实现多机通信教

材

内

容

项目4利用UART实现上位机和下位机的通信【项目导读】

为了实现上位机PC和下位机MCU之间的通信，可采用UART、USB、Ethernet等多种通信方式，其中UART是最简单的一种通信方式，也是学习其他通信方式的基础。【学习目标】（1）理解UART的通用知识，包括UART硬件、UART通信的数据帧格式、数据通信的波特率和串行通信的传输方式等。（2）熟悉MCU的UART主要特性和引脚，掌握MCU的UART底层驱动构件的使用方法。（3）能够利用MCU的UART底层驱动构件头文件进行PC和MCU的串口通信应用层程序设计与测试。（4）掌握通过UART实现利用格式化输出函数（printf）向PC输出数据的方法，为今后在嵌入式软件设计中使用printf调试奠定基础。*（5）熟悉MCU的UART底层驱动构件源文件的设计方法。项目4利用UART实现上位机和下位机的通信任务4.1理解UART的通用知识

UART（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，通用异步收发器）可实现异步串行通信功能。有时还将UART称为SCI（SerialCommunicationInterface，串行通信接口），简称串口。1、UART硬件

MCU的UART通信一般只需3根线：发送线TxD、接收线RxD和地线GND。

MCU可通过TTL-USB转换器连接到PC的USB接口，在PC上安装相应的驱动软件，就可实现MCU与PC之间的串口通信。2、UART通信的数据帧格式

UART通信的特点：数据以字节为单位，按位的顺序（如最低位优先）从一条传输线上发送出去。

（1）发送1位起始位——逻辑“0”，用于通知接收方通信同步。

（2）依次发送8位数据D0～D7（低位在前、高位在后）。

（3）发送1位奇偶校验位（可选），便于接收方检测数据发送是否正确。

（4）发送1～2位停止位——逻辑“1”，用于通知接收方该帧数据已发送完成。

若发送方无数据发送，则通信线路上保持空闲状态——逻辑“1”。若发送方发送下一个UART数据帧，则要重新发送起始位，然后发送一字节的新数据。任务4.1理解UART的通用知识3、数据通信的波特率

波特率：每秒钟传输二进制数码的位数，单位是bit/s。波特率越高，数据传输的速度就越快。只有通信双方的波特率相同时才可以正常通信。

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

（3）半双工通信：通信双方双向传输信息，但在任何时刻，只能由一方发送数据，另一方接收数据，不能同时收发。如，对讲机通信。

（2）全双工通信：通信双方双向传输信息，且可以同时发送和接收。如，手机通信。一般情况下，MCU的UART通信接口均是全双工的。

（1）单工通信：通信的发送方与接收方，单向传输信息。如，无线电广播、有线电视广播。

任务4.1理解UART的通用知识5、MCU的UART内部结构及编程模型将8位串行数据转换为1字节的并行数据用于存放接收的数据将1字节的并行数据转换为8位串行数据用于存放待发送的数据用于判断是否接收到数据、数据是否发送完成等用于设置数据帧格式（8位或9位数据）、是否校验、是否允许中断等用于设置UART通信波特率任务4.1理解UART的通用知识【知识巩固】

（1）MCU的UART通信一般需要几根线？分别是什么？

（2）画出UART通信的数据帧格式示意图。

（3）串行通信速率是否越高越好？

（4）串行通信有哪些传输方式？任务4.2掌握MCU的UART底层驱动构件使用方法4.2.1MCU的UART主要特性和引脚

STM32F103C8T6中有

3个

USART模块：USART1、USART2和USART3。既支持全双工通信，也支持同步单向通信和半双工单线通信。利用分数波特率发生器提供宽范围的波特率选择，波特率最高可达4.5Mbit/s。

UART发送数据引脚为UART_TX，接收数据引脚为UART_RX。UART1使用的引脚，见

uart.h中的宏定义任务4.2掌握MCU的UART底层驱动构件使用方法4.2.2MCU的UART底层驱动构件的组成及使用方法

UART具有初始化、发送和接收三种基本操作。其中，UART发送是主动任务，不必采用中断方式；而UART接收是被动任务，为了确保及时接收到对方发送来的每帧数据，一般采用中断方式。

UART底层驱动构件由uart.h头文件和uart.c源文件组成，若要使用UART底层驱动构件，只需将这两个文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底层驱动构件）文件夹中，即可实现对UART的操作。见工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx

其中，uart.h头文件主要包括相关头文件的包含、一些必要的宏定义、对外接口函数的声明，而uart.c源文件则是对外接口函数的具体实现，初学者不必深究。

用户只要熟悉uart.h头文件的内容，即可使用UART底层驱动构件进行编程。任务4.2掌握MCU的UART底层驱动构件使用方法4.2.2MCU的UART底层驱动构件的组成及使用方法【学以致用】

根据uart.h头文件，写出实现下列功能的函数调用语句。

（1）初始化UART1，波特率为9600bit/s。

（2）通过UART1发送1个字符'A'。

（3）通过UART1发送保存在数组str中的字符串"ABCDEFG"。

（4）使能UART1接收中断。

（5）通过UART1接收1个字符，将其保存至变量re_data中，并将接收标志保存至变量re_flag中。任务4.3UART通信应用层程序设计与功能测试4.3.1UART通信的应用层程序设计

在嵌入式软件最小系统框架下，设计07_Source（应用层软件构件）的文件，以实现：上位机PC

与

下位机MCU之间的串口通信。1）工程总头文件includes.h：包含04、05、06文件夹中的头文件2）主程序源文件main.c：

定义字符数组（存放待发送的字符型数据）；

初始化；使能UART接收中断；

在主循环中，MCU通过UART使用发送函数向PC发送数据在工程文件中分析代码并编程：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx【思路总结】请画出上述程序的设计和执行流程图。3）中断服务程序源文件isr.c：在UART接收中断服务程序中，MCU使用UART接收函数

接收PC发来的数据，并向PC回送接收到的字符任务4.3UART通信应用层程序设计与功能测试4.3.2UART通信的测试方法

（1）将USB-TTL转换器TTL端的RX、TX、GND端子分别与MCU的TX、RX、GND引脚（参照uart.h中的引脚宏定义）相连接，将USB-TTL转换器的USB端与PC的USB接口连接；

（2）打开PC串口调试软件，打开串口，并且设置与MCU的UART相同的波特率；

（3）运行MCU程序，通过PC串口调试窗口查看MCU发送给PC的信息；

（4）在PC串口调试窗口中写入字符或字符串并发送给MCU，在串口调试窗口中查看是否有MCU回送到PC的信息；

（5）调试结束后，先在PC串口调试软件中关闭串口，然后将USB-TTL转换器从PC的USB接口断开。任务4.3UART通信应用层程序设计与功能测试【学以致用与创新】

当通过PC串口调试窗口向MCU发送不同的字符时，可改变项目1中不同小灯的状态。任务4.3UART通信应用层程序设计与功能测试4.3.3使用printf函数输出数据1、通过UART使用

printf

函数的方法

使用printf函数时，需要将printf软件构件对应的printf.h头文件和printf.c源文件添加到所建工程的06_Soft（通用软件构件）文件夹中。

在printf.h头文件中，添加了以下两条预处理命令：

2、printf函数的调用形式：printf(格式控制字符串,输出列表)（1）格式控制字符串：由双撇号括起来的一个字符串，它包含两种信息。

①由%开头的格式符，用于指定数据的输出格式。例如，%d：以十进制形式输出带符号整数；%c：输出单个字符；%x：以十六进制形式输出无符号整数；%s：输出字符串；%f：以小数形式输出实数；%e：以指数形式输出实数。②原样输出的字符，在显示中起提示作用。（2）输出列表：是需要输出的一些数据，可以是常量、变量或表达式。

多个数据之间要用逗号隔开。

任务4.3UART通信应用层程序设计与功能测试4.3.3使用printf函数输出数据3、通过UART使用printf函数输出数据的应用层程序设计1）工程总头文件includes.h：包含04、05、06文件夹中的头文件2）主程序源文件main.c：

定义局部变量（存放待发送的数据）；

初始化；MCU通过UART使用printf函