E2 实验二 UART编程实操在线视频

各位同学大家好

我是清华大学工程物理系的曾鸣老师

欢迎大家继续回到我们

ARM微控制器与嵌入式的MOOC课堂

那么在这个单元里呢

我们进行我们实验2的内容

实验2的内容就是跟我们前面衔接

进行uart异步串行通讯的实验

那么uart异步串行通讯

是一个知识点非常多的章节

我们几乎用了两周的时间

用了五六段视频

从它的原理

到它的小游戏

从它的实现到它怎么做这个寄存器的编程

讲了很多很多

但是万变不离其宗

我们自己来写个程序

做一个实验把它真正run起来

那么我们就真正掌握了这个章节

从任何一个嵌入式系统

或者一个生疏的MCU大家上手来讲

我们一般会认为你能点个灯

同时能实现一个串行通讯

你基本上就把这个硬件跑通了

那么剩下的内容你心里就不用怕了

所以我们来把我们手上这个KL25

这个ARMMCU真真正正给跑通起来在这个实验里

那么从这个实验内容来讲

我们做异步串行通讯先看看我们涉及到的知识点

一个是第五章 第二单元

我给大家讲的外设通讯

特别是异步串行通讯这一个章节的知识内容

他所涉及到的所有寄存器

在我们MKL25这样一个芯片手册里

它分布在第11章 第12章 第40章和第10章

其中呢 第11章是我们整个这个Port的

相关的这些引脚的介绍

第12章呢

是我们系统集成模块里头

对于这些引脚的定义和分配这样一种介绍

而真正uart这些寄存器

都在第40章里大家都可以找到

那么我们进行这个实验任务的时候

先从实验任务0开始讲起

我们要做一个串行通讯的这样一个实验

首先最重要一件事情就是把我们的电路

完整的连接起来

通过实验0和实验1

大家已经非常熟悉了我们的调试用的计算机

通过我们的OPENSDA

或者是称为Jlink的调试器

怎么通过USB以及调试线与我们那板子相连

那么在做通讯的时候

我们需要另外一个电路

就右边这根线我们的板子通过串行线

串行通讯线

或者是虚拟成USB的串行通讯

再与我们的计算机相连

计算机上通过一个叫超级终端

或者是串口调试助手这样的软件

与我们板子建立一个通讯的链接

这样我们在调试当中给板子写程序

板子通过通讯接口能够与计算机完成通讯

从而进行这样一个实验

那么在硬件连接上我们OPENSDA或者Jlink

就像这张图所示

大家注意这个调试线连接的正确性

这大家都很熟悉了

而我们的USB的虚拟串口的通讯

是因为我们板子上之前讲过

有一个虚拟串行通讯接口

它是我们板子正面看到的

两个USB通讯口当中标识为uart的下面这一个

上面那个口只取电

没有通讯功能

我们做本单元所做的实验的时候

大家给这个实验板的USB线

注意插在下面这个USB口

那么如果这个口插对了

我们也正确的安装了我们USB虚拟串口的

这个驱动程序以后

那么就像第0次实验给大家所说的

上电以后我们在我们计算机的设备管理器里

应该成功看到认出一个CP210x的虚拟串口

这个串口如果我们单机右键点击属性

还可以更改它的串口号

也就是我们待会在超级终端

或者大家自己喜欢用串口助手里头

所要打开那个串口的序号

这个要注意统一

那么在我们实验0里头

给大家体验了第0个任务

就是把一个老师给的这个开发板的测试程序

给引入到CodeWarrior

并且把它编译build成功

下载烧写到我们板子里运行起来

那么这个细节我在这里不再展开详细讲

我们回忆一下它的过程

就是这个程序运行起来以后

在板子上我们可以验证

所有的按键和灯的显示

而对于我们这个单元的实验

最重要的一个功能是

这个测试程序也包括了对于串行通讯接口的

一个测试功能

那么它工作在波特率9600

每次通讯发送8个比特的字节

没有奇偶校验位 停止位一位

也就是9600 8N1这样一种通讯模式下

所以这个程序大家作为我们这个单元

实验的一个任务0可以再做一遍

然后将这个程序烧写到大家的板子里

那么熟悉嵌入式开发的同学呢

你当然可以使用自己的串口助手啊这样的工具

设计成9600 8N1的方式进行通讯

打开与这个USB虚拟串口的串口号

一致的串口

那么如果不熟悉的同学

那么如果大家是使用的是windows

你可以使用一个叫做超级终端的程序

这个程序在WinXP以下的windows里头

是系统自带的

那么WinXP以上的版本里头

不再带有这个程序我们提供了下载

大家可以把它免费的下载下来

直接运行使用

那么在这个程序里我们可以新建一个串行通讯

这个串行通讯就像这个图上所指示这个界面

大家打开与刚才在设备管理器里

设置的对应的正确的串口号

并且把通讯的模式设成9600 8N1

大家特别注意这个N奇偶校验位和流量控制

都应该设成没有

那么点确定

就建立起来一个

通过这个USB虚拟串口

与我们板子之间通讯的界面

那么在超级终端这个程序里

我们板子发给计算机的所有的16进制的数

都会转换成其对应的ASCII码在屏幕里显示出来

而我们在这个窗口激活的时候

键盘上敲击的任何一个字母和按键

都会将其对应的ASCII码的16进制数

通过计算机的串口发给我们的微控制器开发板

这样帮助我们去进行本单元的实验内容

那么相应的

我们测试程序运行起来是什么效果的

就是如界面里这个效果

我们板子会不停的读取板子上

三维的运动加速度传感器的值

并且把它发送给我们的超级终端

于是我们在超级终端里就会看到

这一串一行每次三个值在不停的刷新

所以如果大家看到了这个值

就说明这个串口的从中断到超级终端

到打开的串口的号以及配置是正确的

我们就可以进行下面的实验了

那么如果是正确大家可以摇摇你的板子

看一看这三个轴的加速度的值是否在发生改变

那么这就是实验2里头

我们用来测试我们的数据通讯电路

是否调通的任务0

那我们接下来再来看我们一个个的任务

任务1

请大家编写一个程序

把一个完整的ASCII码表通过我们的串行接口

由我们的微控制器发给我们的计算机端

从而在超级终端里

把一个完整的ASCII码表显示出来

那么多一点提示呢

就是大家为了让它看的很整齐

你是不是能把你的程序

写成每发送16个字符换一行

于是得到的效果是应该在超级终端里

看到像这样一张图

那么这张图可以看到从0、1、2、3、4

一直到大小写的ABCD显示了完整的ASCII码表

那么这个任务我给大家一点提示

大家再来做一点点做编程开发

我们都学习过ASCII码表

ASCII码表其实最早是7位的

一共有128个值

除掉前面不方便显示的控制字符

后面绝大多数是一个16进制数

对应 或者说7比特对应

大约一个字节少一个比特对吧

一个字节的16进制数对应一个字符

那我们要在超级终端里看到字母A

我们实际上是通过我们的微控制器

从串口发送了一个0X41对应的16进制数对不对

那么这个16进制数在C语言里头

又是character类型变量的单引号的A

所以我们学C语言都知道单引号的A就是41

所以我们要发送一个完整的ASCII码表

就是要把这128个字符依次从微控制器发送出去

而发送这128字符大家想一想

是不是就是把这个128个16进制数依次发送啊

所以这个任务就变得非常简单

也就是我们把这样递增的数顺序的

从我们的串行通讯接口给发送出去

那么任务明确了以后

我们就会发现

接下来的问题就是如何有序的

把这些数或者这些单字符给发送出去呢

那么回忆一下

我们上一个单元里给大家讲这个编程

从串口完成一次通讯有三个步骤对吧

串行通讯接口的模块时钟打开

引脚配置成当串口用

对串口的寄存器进行编程完成串口的初始化

和数据的收发

在上一个单元里

曾老师最后给出了接收一个字符

和发送一个字符的通讯函数对不对

分别是Getchar和Putchar

这样两个函数原形和代码

留下了一道思考题

这道思考题是什么呢

思考题是如果大家自己写一个

串行通讯接口uart1的init初始化函数

应该怎么写

其实怎么写在上一节课里给大家讲了

包括把这个transmitter和receiver的开关打开

包括配置好通讯的数据结构

配置好通讯串口的波特率对不对

就是这么几句话

所以呢 我在这里给个例子

写出来的串口的初始化函数

应该是由刚才我所说的这几个语句组成

所以这样一个uart1的init函数写好了以后

应该在我们main函数里调用一次

之后每当我们要向外发送一个字节的时候

我们直接调用我们所写的Putchar函数

往外输出一个字节就可以了

而Putchar函数的结构

是每次发送前查询发送的状态寄存器那一位

是不是置位了

是不是空的

空就说明前一次发送结束

我们就可以写入一个新的字节

是不是能够编成流程啊

那么有了这两个武器

我们的实验逐步走向深入

考验大家的内容是能不能

把我们刚才的任务发送一个ASCII码表

转换成要做的事情

再转换成代码的实现

所以我们的任务变成了

如何把从00到127这样的

128个值从串口发送出去

那这件事情所有有C语言基础的同学

都应该想到

我做一个简简单单的for循环就行对吧

那么这个for循环要想做的漂亮

就像我们刚才提示的我们还要注意

在每16个字符的时候打入一个换行符

比如\n \r

使我们超级终端能够显示出一个完整的换行

那么做完了任务一

我希望大家是自己写出这个程序来加以实现

我再给大家布置任务二

那么任务二呢是说

那么我们每当在超级终端里

用键盘按下任何一个字符按键

那么由我们的微控制器

在收到计算机发来这个字符的ASCII码的时候

把ASCII码对应的这个字符串这个值

送回来在超级终端当中回显

我不知道这个意思大家听明白了

我给大家解构一下这个任务

让大家理解自己应该怎么做

比方说我们在键盘上

按下了一个小写的字母A

那么计算机向我们的微控制器发的是单字符A

也就是它对应的一个字节的16进制值0X61

而我们微控制器拿到这个0X61这个值以后

应该想办法回馈一个字符串

让我们的超级终端收到这么一个字符串

显示出来的是字符的0X6和1

大家明白这个任务没有

所以这个任务的执行效果

就如这张图所示每按一个字母后面一个杠

0X几几 它的ASCII码

有微控制器回答你

并且换行

然后等着你再输下一个字符

周而复始

所以这里头会有两个难点

一个是如何把一个收到的值变成字符串送回来

一个是如何实现这个任务所在这个机制

等人输入 显示 回车 换行

如果有良好C语言基础的同学

你会觉得这个任务非常简单

它只是把大家在计算机上做的程序的

输入输出函数改成了

我们微控制器的串行输入输出

大家仍然在main函数里编程

那么如果相应C语言基础差的同学

可以跟着我稍微看一看提示

那么我们正常情况下收到一个单字符的变量

单引号的M

这个单独引号的M实际上对应的

是它的一个ASCII码的值

这个ASCII码的值呢是0X6D

所以我们程序的任务就是要把这个0X6D

拆解成0X6和D这四个字符

送回给我们的计算机端

从微控制器的串行通讯口发送出去

那么核心任务0和X是固定的

就是如何得到6和D这个字符

大家说那我Putchar 6或者Putchar D不就可以了吗

那是人来做

我们要的是一个程序

是输入千变万化的字符

都能自动通过程序得到对应的

两个ASCII码的字符串对不对

就是要用程序来加以实现

那么我们想一想

我们拿到任何一个16进制的数

不管输入的值是多少

它反正就是两位16进制数

输出的字符是不是不外乎

0、1、2、3、4、5、6、7、8、9

和A、B、C、D、E、F这16个字符会出现

所以我们要解决的问题就是

如何把任意一个单位的0到15的值

对应成0到F这个字符

那么这个函数应该怎么写呢

我在这里直接给出了这个例子

那么因为这门课是一个微控制器的课

我就不花太多的时间去讲这里头

C语言的道理

只简单讲它的思想

就是我们判断我们现在拿到的这个

16进制这个数这两位

每一位单独拎出来处理对不对

低四位对应一个字符0到F

高四位对应一个字符0到F

所以一个8比特的这个字节拿到了以后

对应出来的是00到FF这样的组合

我们每次拿出一个字符来处理

它如果小于10或者小于等于9

也就是0到9之间的数

这个值加上单字符的0

就是字符的0到9对不对

那么如果它大于等于10它肯定不会大于16

也就是10到15

那么这个值减掉10剩下的差

加上单字符的字母A

就对应了字母A到F的字母

我们把得到的字母作为返回值

就把这个单位的数变成了一个字符

而如果我们对一个字节的

两位16进制数的高4位和低4位

分别做这样的编程

我们就顺利的得到了两个字符变量

那么剩下的程序如何形成一个流程

得到键盘输入的一个字符

这我们可以用之前老师给出的getchar函数

并且对它进行运算

正确的给出两个返回字符

然后我们让格式变得漂亮呢

我们应该前面加个杠

输出个0 输出个X

再输出这两个字符

再加一个换行符

所以考验大家事情是在main函数里头

把这些单元给用起来

让这个程序显得整洁和清晰

那么曾老师在这里给出了这个例程

但我更希望同学们现在先不仔细看这个例程

而是尝试在刚才提示下自己把它写出来

我们的拐棍会越来越少

后面的实验曾老师会逐渐不给例程

考验大家自己去完成

那我们看看任务三

任务三是本次实验最最有意思的一个任务

也是我们所有实验里

第一个开始特别好玩的任务

任务三是跟我们微控制器写一个程序

让我们能够跟我们微控制器

来进行一个猜数字的游戏

让我们微控制器我们MCU

每次自己生成一个0到9之间的随机数

然后将这个信息提示给我们的超级终端

通过串口发送出来

说guess my number

猜猜我的数

大家可以在键盘上

按从0到9当中的任何一个数

我们的微控制器可以返回Small or big

告诉你猜大了还是猜小了

然后经过若干轮次的猜测

直到我们自己输的数就是微控制器

等着你猜的那个随机数

它就会提示bingo

并且告诉你

你一共猜测了几次获得成功

就这么一个小游戏

那么类似的任务

可能大家在PC机在计算机上已经写过

那么难度就会低很多

我来给大家一点点提示

这样一个程序要实现

比我们刚才做的前两个任务又难了一点点

要注意什么呢

第一个难点

就是我们如何发送

一个字符串的提示信息对不对

比如是我们要发送一个字符串

叫guess my number

我们可以声明一个没有长度的字符串变量

这在C语言里头经常会使用

比如说unsigned char strHello

这样一个变量

那么它是双引号的hello感叹号

那么我们如何写一个sendstring的函数

用我们串行通讯的uart把它给发送出去呢

我给大家一点提示

在C语言里头字符串变量

最后一定有一个额外的看不见的字节

它的值是0X00对吧

所以我们可以从字符串的第一个值开始

用一个指针累加 逐一putchar每一个字符

直到读到一个值是00就停下来

所以这个函数写出来就是这样

它可以通用于各种字符串变量的输出

那么它的参数就是一个指向字符的指针

也就是字符串的名字

所以我们把函数声明成这样一个类型以后

我们就可以如下面这样

UART1_SendString括号一个字符串的名称

或者UART1_SendString直接双引号一个字符串

都可以灵活使用来在串口

输入任何我们要的信息

第二个难点我们如何产生一个随机数呢

那么很多同学学过计算机的编程都会说

我们include一个stdlib的头文件

我就可以用一个函数

这个函数叫rand

那么用这个rand函数呢

我就可以产生一个随机数

当然有的同学会说我会用Srand

带一个种子来产生随机数

为什么呢

因为技术好的同学就会说我用rand产生随机数

是一个固定序列

所以这个游戏每次玩的时候

第一次就猜这个值

第二次猜那个值

第三次就猜这个值

这个序列是固定的

所以我们已经学过我们要有一个Srand

要带个seed 带个种子

那大家回忆一下这个种子是什么

这个种子如果在计算机上

大家经常会取一个当前的时钟值

作为一个随机量

也就说这个随机数

它得根据一个真正的别的随机数来产生

这在我们微控制器上是不灵的

因为我们没有操作系统

没有那个获取时钟的函数对不对

那我们能怎么做

其实我们有一个非常简单的方法

我把代码在这里给出来

那么有兴趣的同学可以读一下这段代码

然后看一看我们在微控制器上

如何得到一个真随机数

那么这个做法比较巧

也就是说当我们给了提示信息的时候

我们实际上在for循环里

自己free running了一个累加的计数器

而当我们第一次猜测的时候这个计数器叫停

因为getchar函数得到了一个值

这个时候我们第一次猜测的时候

会使这个计数器当前的值是一个真随机数

它除以十的余数是我们真正要猜的值

而我们通过寄存器的检查

知道我们做了一个输入

并不影响我们后面用getchar函数

把这次输入的值仍然读出来

那么这样一个思想是比较巧妙的

那么建议大家仔细的去想一想

还有没有别的更好的方法

得到一个真随机数

我给一些提示

比如说我们板子上是有温度传感器的

我们板子上是有光线传感器的

这些传感器都是有噪声的

它的噪声最后一位都可以是随机的

那么最后一个难点

就我们程序的结构是什么样的

刚才提到这个随机数

我在这里给出了一个程序结构的伪代码

我们慢慢要锻炼一种能力

是在一个main函数里的框架里

老师给了很多函数

对这个硬件做了封装初始化

输出或者读取字符

我们如何自己能够慢慢锻炼编程能力

写出一个完整清晰的程序框架

再把它用C语言的方式加以实现

那么比如说我这里给了一个框架的例子

我们如何让这个程序周而复始

什么时候产生一个随机数

什么时候给提示

怎么得到人的输入信息

怎么反馈判断是大了是小了

给出不同的反馈乃至猜对了

那么这个框架大家要有

然后再用代码填进去把它写出来

所以本次实验的这个内容

我在这里建议大家停一下

根据框架或者你自己想出更好更清晰的框架

把代码自己写出来

然后再往下翻

看看老师给的例程跟你想的一不一样

你有没有更好的实现

那么老师给的例程我在这里也给出来

就是后面这个程序

那么大家可以自己想一想

你有没有更好的实现

如果你有更好更棒的方法

来完整的实现这么一个趣味的小游戏

那我们这次实验的目的就达到了

大家就真的把串口异步串行通讯给玩起来了