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实用STM32的串口控制平台的实现(建议收藏)

2023-02-13 15:34
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1. 前言

玩过Linux的朋友, 是不是对Linux无所不能的串口Shell命令控制台羡慕不已, 要是自己做的STM32F系列低档次的MCU也有这种控制交互能力, 会给调试/维护和配置省下多少麻烦事呀, 比如启动/关闭调试或自检模式, 打印调试信息, 配置系统参数, 传输文件等等, 也有相当多的朋友凭借自己出色的编程能力可以实现这些功能, 这里提出我的这个解决方案, 以作交流.

本平台(xc_shell)具备以下性能特点:

  1. 大量主要代码, 和具体硬件无关, 移植性强,代码文件少.

  2. 只有在处理用户的输入命令时, 才占用CPU资源, 且代码可裁剪到1KB SRAM和4KB Flash;

  3. 用户可以非常灵活的添加按模板编写的命令脚本文件, 自定义扩张能力强.

  4. 支持操作系统和非操作系统两种场景应用.

  5. 支持Ymodem文件传输协议

  6. 支持将Flash的扇区开辟为参数区, 可实现本地/远程升级。

  7. 实用Led灯信号管理, 可将65535虚拟信号灯选择输出到1个实体LED灯上, 调试时序和状态非常有用

  8. 拥有基础的LED管理, 调试模式设置, 命令帮助指令, 复位指令等基础功能

功能越多设计会越复杂, 为了解释清楚代码, 先向大家解释一下以上功能的基础实现原理, 并提供一个最小的的源码工程。

2. xc_shell平台介绍2.1 如何实现硬件无关

类比Linux会发现, 设备的硬件接口往往会被虚拟成一个文件(驱动), 而Linux内核完全与硬件系统无任何字节关联, 不同平台驱动不同而已, 故而本xc_shell的串口驱动也采用了相似的思路:

1) 串口驱动用一个结构体描述, 这样只需在xc_shell.c中用指针指向这个TTYx_HANDLE结构体对象就可以将串口(tty)硬件与内核联系在一起, 聪明的朋友可能会想到, 假如我将带网络的开发板按此结构体,虚拟一个TTY对象, 岂不是就可以实现一个网络远程控制台了!  这点确实是可以的!

2) 当然诸如多TTY串口实现接口互换等, 都是一个指针和step2中的注入回调处理交换的问题。

3)用户在使用api_TxdFrame或api_TxdByte时”bsp_ttyX.c“,会驱动具体MCU的串口将数据发送出去, 收到一帧数据后,若用户设置了inj_RcvFrame回调处理方法,则会在中断中执行用户的回调处理。

/*---------------------* 
*     指正函数定义
*----------------------*/
typedef void    (*pvFunDummy)(void);
 
//输入整行,输出逻辑
typedef void    (*pvFunVoid) (void);
typedef void    (*pvFunBool) (bool     bVal);
typedef void    (*pvFunChar) (uint8_t  cVal);
typedef void    (*pvFunShort)(uint16_t sVal);
typedef void    (*pvFunWord) (uint32_t wVal);
 
//输入整行,输出逻辑
typedef bool    (*pbFunVoid) (void);
typedef bool    (*pbFunBool) (bool     bVal);
typedef bool    (*pbFunChar) (uint8_t  cVal);
typedef bool    (*pbFunShort)(uint16_t sVal);
typedef bool    (*pbFunWord) (uint32_t wVal);
 
//输入整形指针,输出逻辑
typedef bool    (*pbFun_pVoid) (void * pVoid);
typedef bool    (*pbFun_pChar) (uint8_t  * pStr);
typedef bool    (*pbFun_pShort)(uint16_t * pShor);
typedef bool    (*pbFun_pWord) (uint32_t * pWord);
 
//输入数据帧,输出逻辑
typedef bool    (*pbFun_Buffx)(void * pcBuff, uint16_t len );
typedef bool    (*pbFun_Bytex)(uint8_t * pcByte, uint16_t len );
/*---------------------* 
*    TTYx 句柄结构
*----------------------*/
typedef struct TTYx_HANDLE_STRUCT 
{
    const char  * const name;       //驱动器名
    const uint16_t      rxSize;     //接收大小
    const uint16_t      txSize;     //发送大小
    
    //------------------------------------------------------
    //step1: 用户可用API
    const pvFunWord     init;           //初始化.
    const pbFun_Bytex   api_TxdFrame;   //发送数据帧. (发送帧)
    const pbFunChar     api_TxdByte;    //发送数据字节
    
    //------------------------------------------------------
    //step2: 注入回调函数
    pbFun_Bytex         inj_RcvFrame;   //(ISR)接收数据帧. (接收帧)
    pvFunDummy          inj_TxdReady;   //(ISR)发送完毕回调
    
    //------------------------------------------------------
    //step3: 接收回调函数
    struct TTYx_HANDLE_STRUCT * pvNext; //连接到下一个指令 
}TTYx_HANDLE;

  1. 可注入的命令脚本(CLI)实现

命令CLI也是一个结构体对象:

/*---------------------* 
*       CLI指令
*----------------------*/
typedef struct
{
 const char * const  pcCmdStr;     //指令字符串(只能为小写字母)
 const char * const  pcHelpStr;     //指令描述,必须以:"\r\n结束". 比如:"help: Returns a list\r\n".
 const pFunHook      pxCmdHook;     //指向回调函数的指针,处理成功返回真否者返回0;
 uint8_t             ucExpParam;     //指令期望的参数个数
 const MEDIA_HANDLE *phStorage;      //指向存储介质,没有的话填充NULL  
}Cmd_Typedef_t;


各位朋友可能会使用到非常多的自定义CLI命令, 格式诸如这个网卡的命令:

const Cmd_Typedef_t CLI_WizMsg=
{
    //识别关键字
    .pcCmdStr   = "wiz",
    //帮助内容
    .pcHelpStr  =
    "[WIZ contorls]\r\n"
 " wiz help\r\n"
 " wiz rd info\r\n"
 " wiz reset\r\n"
 " wiz wr ip ...\r\n"
 " wiz wr mask ...\r\n"
 " wiz wr way ...\r\n"
 " wiz wr mac -----\r\n"
 " wiz wr port    \r\n"
 " wiz wr sip ... \r\n"
 " wiz wr cip ... \r\n"
 " wiz load default\r\n"
 "[WIZ Test mode]\r\n"
 " wiz loop open\r\n"
 " wiz loop close\r\n"
 "\r\n",
 
 //处理函数
 .pxCmdHook  = &Shell_WIZ_Service,        //见实体函数
 
 //附带数据
 .ucExpParam = 0,
 
  #ifdef SHELL_USE_YMODEM  
    //存储介质
    .phStorage  = NULL,
  #endif
};
/*---------------------* 
*       CLI 链表节
*----------------------*/
Cmd_List_t  WizList   = { &CLI_WizMsg,   NULL,}; //Shell指令的头

如配置IP地址输入“wiz wr ip 192.168.1.250\r\n”则可以了

3. 环境准备3.1 硬件开发环境

  • STM32F103系列开发板一块, 带USART1接口。

  • USB转串口线一根。

3.2 软件开发环境

  • MDK4.72或以上

  • SecureCRT串口超级终端

3.3 软件配置

在xc_shell使用“/r/n”作为命令的结束符, 而SecureCRT按下Enter不是输入“/r/n”故而需要按下图设置:此外在《终端》/仿真/高级中选取【本地回显】 

0dcbd8d57cf6bde2fd0e1083b2d931.png

4. 代码介绍4.1 目录结构□ XC_SHELL
├──┬── BSP_LIB    BSP库,硬件相关驱动代买
│  ├──── bsp_ledx.c   基础LED驱动      
│  └──── bsp_tty0.c   调试串口驱动

├──┬──MDK-ARM     工程文件
│  └──── Project.uvproj

├──┬──SHELL_CFG   SHELL配置头文件
│  └──── user_eval.h

├──┬──SHELL_CORE  SHELL内核文件
│  ├──── xc_shell.c   SHELL内核文件
│  ├──── xc_ymodem.c  Ymodem传输协议(默认关闭,在xc_shell.h中启动)
│  ├──── xc_iap.c     Flash的IAP操作,需要bsp_flash.c驱动支持
│  └──── shell_iap.c  shell的用户脚本模板

├──┬──SHELL_INC   SHELL头文件
│  ├──── bsp_type.h   驱动结构定义
│  ├──── xc_shell.h   SHELL头文件
│  └──── xconfig.h    硬件无关配置文件

├──┬──STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0  STM32的标准外设库
│  └──── ......

└──┬──USER        用户文件    
   ├─ .....       
   └──── main.c        main文件
4.2 工程设置要点

1) 设置使用微库:

b2520ae45fef0f778c14788cf19edf.png

2)配置包含和路径,注意使用了“--c99”标准,如图

ba6045e90054e79b30fb6dc555bde7.png

3) 编译工程,无错误警告后烧写程序到开发板运行。

4.3 最终效果

按图输入一下指令,SHELL平台会回复相关信息。其中输入“led set 0=1”会将信号1分配到物理LED0上;输入“led set 0=2”会将信号2分配到物理LED0上。这样用户编写程序代码时相当于拥有了超级多的LED信号可用,调试时序非常有用。 

bf9b2490d849ec962973f797c94c09.png

5. 添加自己的指令脚本5.1 源代码示例

假设我要编写一个自己的指令脚本, 来读取MCU的关键信息,关键字为mcu, 文件命名为shell_mcu.c;当输入“mcu rd 0”时显示MCU的FLASH大小,输入“mcu rd 1”时读取MCU的唯一ID信息。shell_mcu.c源代码:

/*********************************Copyright (c)*********************************
**                               
**                                 FIVE工作组
**
**---------------------------------File Info------------------------------------
** File Name:               shell_mcu.c
** Last modified Date:      2017/9/17 15:13:57
** Last Version:            V1.0
** Description:             shell测试
**
**------------------------------------------------------------------------------
** Created By:              wanxuncpx
** Created date:            2017/9/17 15:14:08
** Version:                 V1.0
** Descriptions:            none
**------------------------------------------------------------------------------
** HW_CMU:                  STM32F103
** Libraries:               STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0
** version                  V3.5
*******************************************************************************/
 
/******************************************************************************
更新说明:
******************************************************************************/
 
/******************************************************************************
*********************************  编 译 控 制 ********************************
******************************************************************************/
#define MCU_SHELL               //注释掉时屏蔽iap shell功能
 
#include "xc_shell.h"       //Shell支持文件,含bool,uint8_t..以及串口数据收发操作
/******************************************************************************
********************************* 文件引用部分 ********************************
******************************************************************************/
/*---------------------* 
*     模块驱动引用
*----------------------*/
//#include "net_w5500.h"
 
#ifdef MCU_SHELL
/******************************************************************************
********************************** Shell实例 **********************************
******************************************************************************/
/*---------------------* 
*      CLI指令服务
*----------------------*/
extern bool Shell_MCU_Service(void * pcBuff, uint16_t len );
 
/*---------------------* 
*       CLI 结构
*----------------------*/
const Cmd_Typedef_t CLI_McuMsg=
{
    //识别关键字
    "mcu",
    
    //帮助内容
 "[mcu contorls]\r\n"
 " mcu rd \t\t- Read FLASH information.\r\n"
 "\r\n",
 
 //处理函数
 &Shell_MCU_Service,
 
 //附带数据
 0,
  #ifdef SHELL_USE_YMODEM  
    //存储介质
    NULL,
  #endif
};
 
/*---------------------* 
*     CLI链表节(输出)
*----------------------*/
Cmd_List_t  McuList  = {&CLI_McuMsg      ,NULL}; //IAP指令链表
 
/******************************************************************************
********************************* 函 数 声 明 *********************************
******************************************************************************/
/******************************************************************************
/ 函数功能:STM32F103控制函数
/ 修改日期:2015/7/14 20:22:02
/ 输入参数:none
/ 输出参数:none
/ 使用说明:需要执行约10s
******************************************************************************/
static bool FLASH_ioctl(uint8_t cmd,void * param)
{
    #define UID_ADDR            0x1FFFF7E0  //闪存容量寄存器,值对应KB单位
    #define MAC_ADDR            0x1FFFF7E8  //MCU的唯一ID号,共12个字节
    #define UID_SIZE            2           //UID的字节数
    #define MAC_SIZE            12          //MAC的字节数
 
    //step1: 检查参数
    if(!param)return false;
        
    //step2: 处理数据
    switch(cmd){
      case 0 : {       //获取FLASH的的UID
        uint16_t * ptDst = (uint16_t *)((uint32_t)param+1);
        
        *ptDst = *(uint16_t *)UID_ADDR;
        *(uint8_t  *)param =  UID_SIZE;
        return true;
      }
      case 1 : {       //获取芯片的MAC地址
        uint32_t * ptDst = (uint32_t *)((uint32_t)param+1);
        uint32_t * ptSrc = (uint32_t *)MAC_ADDR;
    
        *ptDst++ = *ptSrc++;
        *ptDst++ = *ptSrc++;
        *ptDst++ = *ptSrc++;
        *(uint8_t  *)param = MAC_SIZE;
        return true;
      }
      default:return false;
    }
}
 
/******************************************************************************
/ 函数功能:文件系统Shel指令处理
/ 修改日期:2013/9/10 19:04:15
/ 输入参数:输入当前的程序版本
/ 输出参数:none
/ 使用说明:none
******************************************************************************/
bool Shell_MCU_Service(void * pcBuff, uint16_t len )
{
    uint8_t    *ptRxd;          //用于接收指令处理
    int         i;
    uint16_t    retval;
    uint8_t     buff[32];
    
    //处理指令
    //--------------------------------------------------------------------------
    ptRxd = (uint8_t *)pcBuff;
    
    if(StrComp(ptRxd,"rd ")) //读取FLASH信息
    {
        int wval;
        
        if(1 != sscanf((void *)ptRxd,"%*s%d",&wval) )return false;
        if( wval>2 )return false;
        if(0==wval) {
            FLASH_ioctl(0,buff);
            retval = *(uint16_t *)(buff+1) ;
            printf("->Flash:\t%dKB\r\n",retval);
            return true;
        }
        else if(1==wval) {
            FLASH_ioctl(1,buff);
            printf("->MAC:\t ");
            for(i=0; i

0]-1; i++){printf("%02X-",buff[i+1]);}
            printf("%02X\r\n",buff[i+1]);
            return true;
        }
        else return false;
    }
    else if(StrComp(ptRxd,"help\r\n"))      //指令帮助
    {
        shell_SendStr((void *)CLI_McuMsg.pcHelpStr);
        return true;
    }
    else return false;
}
 
/******************************************************************************
***********************************   END  ************************************
******************************************************************************/
#endif
5.2 实现步骤

1) 将该文件添加到工程下。

2) 在main.c中用extern 引用McuList,源代码为:

/*---------------------* 
*     Shell指令链表
*----------------------*/
extern Cmd_List_t  McuList;

3)在main.c初始化时添加:

//----------------------------------------------------------
//step1: shell初始化
shell_Init(115200,ledx_cfg);        //初始化shell接口
CLI_AddCmd(&McuList);     //添加模块指令到链表

4)编译工程文件。

5)下载到开发板运行即可在终端下看到新支持的CLI指令:

f1a73e9682de7424e84234bf8568ae.png

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