Kurs STM32 F1 HAL – #5 – komunikacja z komputerem, UART

Kurs STM32 F1 HAL – #5 – komunikacja z komputerem, UART

W poprzedniej części kursu STM32 nauczyliśmy się używać linii I/O do komunikacji z otoczeniem. Nadszedł czas na poznanie pierwszego interfejsu, który pozwoli na większą interakcję ze światem.

UART posłuży nam do przesyłania komunikatów między STM32, a komputerem PC.

RS-232, UART, USART - odrobina teorii

Kiedyś właściwie wszystkie komputery PC były wyposażone w interfejs RS-232. Obecnie USB prawie zupełnie wyparło starszy standard. Złącze szeregowe miało jedną ogromną zaletę – było proste w obsłudze (szczególnie porównując z USB).

USB vs. RS-232

Wtyczki USB vs. RS-232

Dlatego w przypadku mikrokontrolerów port szeregowy jest nadal popularny, chociaż coraz częściej w nieco innej postaci. RS-232 działał na dość nietypowych napięciach ±11V (właściwie tolerował od 3V do 15V), dlatego do jego obsługi potrzebny był dodatkowy układ konwertera napięcia np. MAX232.

W typowych mikrokontrolerach stosuje się uproszczoną wersję interfejsu, działającą na napięciach 0V i 3.3V (zamiast wspomnianych wcześniej). Moduł odpowiedzialny za obsługę takiej komunikacji nazywany jest UART (ang. Universal Asynchronous Receiver and Transmitter).

Przykładowy przebieg UART

Przykładowa ramka UART

Transmisja rozpoczyna się od bitu startu, zaznaczonego na rysunku jako BS. Zawsze jest to bit będący logicznym zerem. Następnie, zależnie od konfiguracji, następuje po sobie 7, 8 lub 9 bitów danych (tutaj zaznaczone jako B0-B7), które są wysyłaną informacją. Bit stopu (zaznaczony tutaj jako bit BK) to bit będący logiczną jedynką - mówi o końcu transmisji.

Płytka Nucleo wyposażona jest w konwerter z UART na USB. Nie mamy więc po drodze RS-232, a po podłączeniu do PC, przejściówka będzie widziana jako port COM, czyli nasz port szeregowy.

Różnice między UART, a USART

W przypadku komputerów PC za obsługę portu szeregowego odpowiedzialny był układ UART, czyli: Universal Asynchronous Receiver and Transmitter.

Nasz STM32 posiada moduł, który może pracować zarówno synchronicznie, jak i asynchronicznie, więc nazwa stała się jeszcze bardziej skomplikowana - USART, Universal Synchronus and Asynchronous Receiver and Transmitter. Używamy jednak tylko komunikacji asynchronicznej, więc obie nazwy możemy traktować jako synonimy. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o UART oraz jego zastosowaniach przeczytaj również artykuł:

Port szeregowy i interfejs USART, czyli komunikacja z PC
Port szeregowy i interfejs USART, czyli komunikacja z PC

Zauważyłem, że problem komunikacji z komputerem za pomocą portu szeregowego… Czytaj dalej »

Możliwość przesyłania danych jest nieoceniona podczas uruchamiania i testowania układów. Można w tym celu wykorzystywać debugger, np. przez interfejs SWD, jednak komunikaty testowe często są niezastąpioną metodą wyszukiwania błędów.

W kolejnych częściach kursu jeszcze wielokrotnie wykorzystamy komunikację przez UART, np. do testowania przetwornika ADC. Dodatkowym plusem komunikacji szeregowej jest możliwość łatwego zastąpienia przejściówki UART - USB modułem radiowym i przesyłanie informacji np. za pomocą Bluetooth lub WiFi.

Zestaw elementów do kursu

Gwarancja pomocy na forum Błyskawiczna wysyłka

Zestaw ponad 120 elementów do przeprowadzenia wszystkich ćwiczeń z kursu można nabyć u naszych dystrybutorów! Dostępne są wersje z płytką Nucleo lub bez niej!

Kup w Botland.com.pl

Do obserwowania efektów pracy programów z tej części kursu konieczny jest dodatkowy program, terminal, przykładowo może to być darmowy: Tera Term lub Realterm.

Konfiguracja UART na STM32

Jak zwykle pierwszy krok to konfiguracja zegara. STM32 posiada kilka modułów USART, my wykorzystamy USART2, ponieważ jest on podłączony do przejściówki, która znajduje się na płytce.

Pierwsza instrukcja uruchamia zegar linii I/O portu A, druga uruchamia USART2.

Zanim uruchomimy UART, zmienimy konfigurację linii RX oraz TX. Linia wyjściowa (TX) jest obecna na wyprowadzeniu PA2, a wejście (RX) na PA3. Wyjście skonfigurujemy jako funkcję alternatywną w trybie push-pull, natomiast dla wejścia wystarczy ustawić pracę w trybie funkcji alternatywnej:

Gdy mamy już skonfigurowane linie, czas przygotować moduł USART2:

Prędkość transmisji 115200 jest jedną ze standardowych wartości. Jeśli pojawiałyby się błędy podczas komunikacji, można wykorzystać niższe, np.: 9600 lub 38400.

UART na STM32 - wysyłanie danych

Do wysyłania danych służy funkcja HAL_UART_Transmit. Przyjmuje ona cztery parametry: wykorzystywany interfejs (USART2), adres i wielkość bufora danych do wysłania oraz timeout.

Funkcja HAL_UART_Transmit pozwala na wysyłanie dowolnych danych, np. w formacie binarnym. My jednak będziemy chcieli wysyłać głównie napisy, możemy więc przygotować funkcję pomocniczą, która sama ustali długość napisu oraz dokona niezbędnych konwersji typów:

Parametr 1000 to timeout w milisekundach. Oczywiście nie powinniśmy na sztywno kodować tzw. "magicznych liczb", ale to kod przykładowy, a akurat ten parametr nie jest nam w tej chwili potrzebny.

Teraz możemy napisać program, który będzie wysyłał przez UART cały napis:

Znak końca wiersza to nieustający problem w przypadku różnych systemów operacyjnych. System Windows używa dwóch znaków, CR LF (czyli \r\n) natomiast Linux tylko jednego LF (\n). Ponieważ przykłady uruchamiamy na komputerze z systemem Windows, wysyłamy dwa znaki.

Cały kod realizujący wysyłanie napisu wygląda w sposób następujący:

Rezultat powinien wyglądać tak:

UART_01

STM32 - wysyłanie danych przez UART.

UART na STM32 - odbieranie danych

Potrafimy już wysyłać dane. Teraz czas odebrać transmisję z PC - np.: instrukcje sterujące robotem lub innym urządzeniem. Do odbioru bajtu wykorzystamy funkcję HAL_UART_Receive.

Parametry funkcji odbierającej dane są bardzo podobne do omówionej wcześniej funkcji HAL_UART_Transmit. Jedyna różnica to znaczenie bufora - tym razem znajdą się w nim dane, które odbierzemy przez port szeregowy.

Aby ułatwić sobie życie i przygotować czytelne przykłady będziemy odczytywać dane po bajcie. Wystarczy więc tylko ustawić kiedy w buforze odbiorczym jest już bajt do odebrania. Wykorzystamy do tego makro __HAL_UART_GET_FLAG. Fragment odbierający dane wygląda następująco:

Oczywiście w tym momencie powinniśmy do czegoś wykorzystać zawartość zmiennej value – np. zapisać ją w buforze. Jeśli wystarczy nam bardzo proste sterowanie, po odebraniu znaku możemy wykonać czynność, przykładowo skręcić robotem, włączyć diodę, albo wysłać komunikat.

Prosty przykład wyglądałby następująco:

Działanie programu w praktyce widoczne jest na poniższym zrzucie ekranu:

UART_02

STM32 - odbieranie danych przez UART.

Zadanie domowe 5.1

Napisz program do sterowania diodami led, np. "A" włącza diodę 1, "a" wyłącza, "B" włącza diodę 2, itd. Diody podłącz do pinów, które wybierzesz samodzielnie.

Zadanie domowe 5.2

Napisz program, który odbiera kilka znaków, np. 3, zapisuje w buforze, a następnie wykonuje odebrane polecenie, np. "on1" włącza diodę 1, "of2" wyłącza diodę 2.

Zadanie domowe 5.3

Napisz program odbierający znaki, aż do znaku końca linii (\n), a następnie wykonaj polecenie zależne od odebranego ciągu, np. "on 1", "off 2".

Przekierowanie printf

Wykorzystując własną funkcję send_string możemy przygotować całkiem sprawną komunikację z PC lub innym mikrokontrolerem. Jednak o wiele wygodniej byłoby wykorzystać standardową instrukcję printf do wypisywania komunikatów na złącze szeregowe.

Funkcja send_string jest bardzo prosta i potrafi jedynie wysyłać ciągi znaków. Funkcja printf daje natomiast możliwość formatowania napisów oraz wyświetlania liczb zarówno całkowitych jak i zmiennopozycyjnych. Dzięki przekierowaniu wyjścia, będziemy mogli używać printf, a wynik działania pojawi się w oknie terminala portu szeregowego. 

Dzięki temu będziemy mogli przetestować nieśmiertelny przykład:

Okazuje się, że gdy wywołujemy printf, biblioteka wykonuje za nas mnóstwo pracy związanej z formatowaniem i przetwarzaniem parametrów, a na koniec wywołuje funkcję __io_putchar dla każdego wysyłanego bajtu. Wystarczy więc że napiszemy tę funkcję i printf będzie wysyłał dane na nasz port szeregowy:

Funkcja send_char to nieco okrojona wersja wcześniej napisanej funkcji send_string. Zamiast napisu wysyła ona po prostu pojedynczy znak:

Cały kod będzie więc wyglądał jak poniższy:

Teraz już możemy uruchomić nasz przykład!

W przypadku Windows możemy zaobserwować dziwne zachowanie na końcu wiersza. W zależności od wykorzystywanego programu do komunikacji, zamiast napisów w kolejnych wierszach możemy zobaczyć schodki. Wynika to z innego sposobu kodowania końców linii w systemach Windows oraz Unix, o którym była mowa wcześniej.

UART_03e

STM32 - błąd wyświetlania danych.

Możemy zmienić komunikat dodając \r\n na końcu (tak jak robiliśmy poprzednio), albo udoskonalić procedurę wysyłającą dane:

Teraz komunikaty powinny pojawić się prawidłowo.

UART_03

STM32 - poprawne wyświetlanie danych przez UART.

Poprawiony kod programu:

Formatowanie tekstu z printf

Osoby, które nie spotkały się wcześniej z printf mogą nie widzieć jej zalet. Możliwości tej pozornie prostej funkcji są całkiem spore. Po więcej informacji warto zajrzeć np.: do manuala. Na zachętę przeprowadźmy szybkie doświadczenie.

Załóżmy, że naszym celem będzie pomiar napięcia przez ADC (o czym w kolejnym odcinku), wynik zaokrąglamy do części całkowitych i wyświetlamy w formie napisu:

Odczytana wartosc to X V!

Oczywiście, za X podstawiamy otrzymaną liczbę. Normalnie musielibyśmy konwertować liczbę, łączyć ją z tekstem lub wysyłać całość w trzech osobnych krokach (napis, wartość i jednostka). Korzystając z właściwości printf możemy zrobić to w jednej linii:

Funkcja ta zamieni wystąpienie %d na cyfrę 2, która została podana jako argument funkcji. Printf pozwala na znacznie więcej operacji, zainteresowanych jeszcze raz odsyłamy do manuala.

Wynik powyższego eksperymentu z printf.

Wynik powyższego eksperymentu z printf.

Zadanie domowe 5.4

Wykorzystaj właściwości funkcji printf do wyświetlania na ekranie komputera napisu, w którego treści podstawiane są dwie liczby całkowite:

To jest XX cz. kursu STM32, a to jest mój X dzien nauki!

Zadanie domowe 5.5

Wykorzystaj właściwości funkcji printf do wyświetlania na ekranie komputera napisu, w którego treści podstawiana jest liczba zmiennoprzecinkowa oraz całkowita:

To zadanie domowe nr XX, a ten napis wyswietlono juz X razy

Podsumowanie

Poznaliśmy postawy komunikacji za pomocą portu szeregowego. Potrafimy wysyłać oraz odbierać komunikaty. W kolejnych częściach kursu wykorzystamy nabyte umiejętności do przesyłania wyników pomiarów, np. wartości odczytanych z przetwornika analogowo-cyfrowego.

Nawigacja kursu

Następna część naszego kursu STM32 będzie omawiała wykorzystanie przetwornika ADC. Jeśli nie chcesz przeoczyć kolejnego odcinka, to skorzystaj z poniższego formularza i zapisz się na powiadomienia o nowych publikacjach!

Autor kursu: Piotr Bugalski
Testy: Piotr Adamczyk

Redakcja: Damian Szymański

komunikacja, kursSTM32F1HAL, Nucleo, stm32, uart

Komentarze

Trwa przerwa techniczna - komentarze do tego wpisu są dostępne na forum: