圆梦小车2_和小车“交流”

圆梦小车 StepbyStep 之二 www.embedream.com 第 1 页 共 20 页 圆梦小车 Step by Step 之二 —— 和小车“交流” 信息时代，交流乃第一需求，人如此，机器也不例外，它们也需要有交流的通道、交流 的方式，以使它们的功能发挥到极致，同时也让它们对人更加友善。 传统设计中，小车与人的交流无一例外的选用了 LCD、LED显示器，但我仔细后发 现，使用这些显示器有许多缺憾，其一是显示内容有限，无法满足人的需要，也无法适应小 车进化新增信息的显示；其二是小车是移动的，装在车上的显示器在需要观察信息时反而看 不见了，因为它“逃出了”你的视野。 所以，圆梦小车的设计放弃了显示器，取而代之的是设计了一个 USB 转 UART 接口和一 个无线接口，将需要显示的信息传递出来，借用已随处可见的 PC 机显示，无疑这样内容将 会丰富、生动许多。还提供了无线接口，使小车在运动时也可将其需要达的告诉你，使你 随时知道它在干什么？是否有什么“不爽”的事发生？ 由于通讯是双向的，所以还可以取代原来小车上的控制按键，圆梦小车上除了一个电源 开关外，无一按键。通讯实现的控制远比按键灵活，将会给你无穷的发挥空间。 一、 交流的基础 1.1 硬件 首先，交流需要一定的硬件支持，就像人必须有“嘴”和“耳”一样。 串口是伴随计算机而生、资格最老的通讯接口，而且也是最成熟的，由于其简单易用性 在单片机中广为采用。但是 PC 机发展到今天，已基本将其淘汰，特别是笔记本电脑上已难 觅其踪影，取而代之的是 USB 接口。 圆梦小车 StepbyStep 之二 www.embedream.com 第 2 页 共 20 页 所幸，器件厂家为了兼顾不同领域的需求，推出了 USB 转串口芯片，用 USB 口实现串 口的功能，其仿真度还相当不错，在 PC 机上编程时，完全可以当成一个的串口使用， 唯一的麻烦就是需要安装一个驱动程序。 所以，在圆梦小车设计时，将 USB 转串口作为基本配置，使小车可以直接和 PC相连。 USB 连接在初期调试时问不大，小车是要运动的，此时它就成了拖后腿的“尾巴”了。 所以设计一个无线接口是我期盼已久的！可无奈对于学习目的而言，性价比合适的无线模块 难找啊！ 一个巧合发现了这款无线收发模块，20 多元的价位基本符合要求，经过一番试用，觉得 性能还不错，就是控制它对于初学者而言略有难度，所以单独使用了一个 MCU 控制，将串 口收到的数据交给无线模块转发出去，同时将无线模块收到的信息从串口送走。对于小车或 其它串口设备而言，和有线通讯没有差别，也就是常说的“透明”方式。这个无线接口作为 选件提供给大家。 圆梦小车 StepbyStep 之二 www.embedream.com 第 3 页 共 20 页 如需使用所提供的套件实现 PC机与小车的无线通讯，建议按如下配置： 基本配置 + 2 套无线套件 + 1 块扩展 PCB 在基本配置中的扩展 PCB上只焊无线接口部分，而在追加的扩展 PCB上焊上 USB 转串 口以及无线接口部分，见下图： 这样就等于给 PC机增加了一个无线适配器，可以和小车无线通讯了。 1.2 通讯协议 人交流需要约定语言、语法、词义，机器之间也是同样，只是被称之为“通讯协议”。 ¾ 首先约定“语言”—— 字节格式，此处为： 标准 UART 格式 —— 19200 8 N 1 ( 波特率 19200 8 位数据位，无奇偶校验位 1 位停止位) ¾ 其次约定“语法”—— 数据帧格式，此处为： 帧头（2字节） 接收方地址（1字节） 发送方地址（1字节） 帧长（1字节） 命令（1字节） 数据域（N字节） 校验和（1字节） 帧头 —— 由 2 个特殊的字节 0x55 0xAA 构成；人说话前要“哎”一声，提醒听者注 圆梦小车 StepbyStep 之二 www.embedream.com 第 4 页 共 20 页 意，机器也是一样，需要一组特殊的信息提示接收方：“后面是有用的了”。 接收方地址 —— 通讯对象的“名字”，在有线通讯时也许多余，但无线时就需要了。 发送方地址 —— 告诉接收方，是谁和你“说话”，便于接收方回答。 帧长 —— 告知接收方，有多少字节信息，好让接收方知道什么时候“完”；也有采用 特殊的字符作为结束通知的，但那样会限制发送的内容，同时也让接收方“心里没底”。所以 此处采用了提前告知的方式，接收方可以根据长度确定自己是否能收下来？如果内存不够， 可否采用变通的方式处理，如：边收边解析，或者只存有用的部分。 因为单片机内存有限，所以帧长使用 1 字节就够了。 命令 —— 是协议的核心，所有传递的内容由命令决定，它是表达“意思”的，下面在 “词义”部分讨论它的细节。因为内容有限，所以只用了一个字节，可以表达 255 种意思。 数据域 —— 与命令配合，表达一个完整的含义。 校验和 —— 因为是串行通讯，在一连串数据中出现错误的可能较大，所以设置了检验 和，将数据帧中从命令开始到数据域结束所有字节的算术和，取最低字节的反码。 可靠性要求高一些的场合一般使用 2 字节 CRC 校验码，但对于单片机来说运算有些 困难，且不利于初学，所以没有采用。有兴趣者可以自己尝试。 ¾ 最后定义“词义”—— 命令定义： 命令的定义完全根据需求，通常是逐渐增加、完善。 因为还没有涉及任何外设，所以先定义两个与内存相关的命令 —— 读、写内存。 — 命令一 ：读内存，实现读指定地址开始的 N 个字节，地址用两字节表示。 命令字 —— 0x01 数据域 —— 低地址（1字节） 高地址（1字节） 读字节数（1字节） 圆梦小车 StepbyStep 之二 www.embedream.com 第 5 页 共 20 页 地址与硬件的对应关系： 0x0000 — 0x00FF —— 对应 STC12LE5412 的 256 字节内部 RAM（idata）； 0x0100 — 0x01FF —— 对应 STC12LE5412 的 256 字节外部 RAM（xdata）； 0x0200 — 0x7FFF —— 保留，为大 RAM的单片机预留； 0x7F80 — 0x7FFF —— 对应 STC12LE5412 的 128 字节 SFR； 0x8000 — 0xAFFF —— 对应 STC12LE5412 的 12K FlashROM（Code）； 0xB000 — 0xFFFF —— 保留，为大 ROM的单片机预留； 例：要读地址 0x56 起始的 3字节内部 RAM数据，命令帧如下： 0x55 0xAA XX XX 0x04 0x01 0x56 0x00 0x03 0xA5 返回数据帧为: 帧头 发送方地址 自己的地址 帧长 命令 低地址 高地址 读字节数 N 字节数据 校验和 返回帧中将命令及附属信息（地址、读字节数 ）包含在内，虽然有些冗余，但保证了 信息的完备性，不需要接收时还要查找原来读的是什么？为通讯需求日渐复杂提供方便。 — 命令二：写内存，实现写指定地址开始的 N 个字节，地址用两字节表示。 命令字 —— 0x02 数据域 —— 低地址（1字节） 高地址（1字节） 写字节数（1字节）数据（N字节） 其地址与硬件的关系与读命令相同。 返回数据帧为： 帧头 发送方地址 自己的地址 帧长 命令 低地址 高地址 写成功字节数 校验和 通过“写成功字节数”来告之发送方是否写成功，如果为“0”，表示写操作失败。 命令暂且定义到此，后面根据需要逐渐扩充之。 圆梦小车 StepbyStep 之二 www.embedream.com 第 6 页 共 20 页 二、 交流的实现 虽然通讯不一定局限于 PC机与小车之间，也可以是小车和小车之间，但开始的需求多 以 PC机与小车的通讯为主，所以此处讨论的是 PC机与小车的通讯。 2．1 小车侧的通讯实现 有了硬件基础，也有了协议，下面就要构思收、发的算法，编写通讯程序了。 STC12LE5412AD 是 51 系列单片机，其 UART 与标准 51 相同，而且只能使用 T0 或 T1 作为波特率发生器，这点有些落后于一些新的 51 单片机，它们多有独立的波特率发生器，可 以腾出一个定时器留作它用；好在此MCU增加了 4路 PCA（可编程计数器阵列）弥补了这 个不足。 不过还是有一点改进，因为 STC12LE5412AD 的定时器可以选择用 12 分频计时还是 1 分频计时，所以使用同样晶振时其波特率可高于标准 51 单片机 12 倍。 对于通讯处理程序，难在“接收”而非“发送”，因为“发送”是主动行为，按需构建 好数据帧后，放入发送缓冲区，由发送程序一个个送出去即可。 可“接收”是被动行为，不知道何时会来？也不知道什么时候算是有效信息？什么时候 是“噪声”？什么时候算是说完了？听错没有？这一切都需要通过程序来甄别，所以畅通、 可靠的交流主要取决于接收程序的好坏！ 先易后难，将发送处理构建好再说！ 发送需要以下几个变量： ga_ucTxdBuf[MaxTxdByte_C] —— 发送缓冲区，存放将要发送的数据帧； gi_ucTxdPtr —— 发送指针，发送缓冲数组的下标，指向将要发送的字节； gc_ucTxdCnt —— 发送字节计数，构建发送帧后赋初值，之后减计数到“0”完成。 圆梦小车 StepbyStep 之二 www.embedream.com 第 7 页 共 20 页 由上面三个变量即可看出发送的操作了： 先按需要将发送帧组织到发送缓冲区，将发送指针指向第一个字节，发送字节数为帧长 加 10，将第一字节送入 SBUF，即启动了发送；之后在串口的发送中断处理中先检测发送字 节计数，不为零则发送字节减计数，发送指针加 1，取数送 SBUF。 详细看所附程序。 现在来解决难题 —— 接收处理！ 由于各种原因，一个接收器往往能不断收到讯息，如：处于通讯总线上或无线网络中， 即使是点对点有线传输，也不排除由干扰造成的无效信息。所以接收程序必须具备：在信息 序列中摘出有效的部分，而不能奢望收到的第一个字节为有效数据。设置帧头的目的就在于 此 —— 让接收程序便于找到有效的信息。 因为接收方无法知道何时开始是有效的数据，那只有不断的接收，缓冲区是有限的，如 何才能实现连续不断的接收呢？ 环形缓冲区是一个很好的解决办法，将接收缓冲区构建为一个头尾相连的数据环，则将 有限的缓冲区等效为无限了，只要有效数据帧长度小于环形缓冲区，则该数据帧就不会丢失。 处理程序需要的变量有： ga_ucRcvBuf[MaxRcvByte_C] —— 接收缓冲区； gi_ucSavePtr —— 将收到的数据存放到接收缓冲区的指针，即数组下标； gi_ucGetPtr —— 从接收缓冲区中取出数据的指针； gi_ucStartPtr —— 收到有效帧头、帧长、接收方地址后，记下的命令字所处的位置； gi_ucEndPtr —— 根据帧长计算出的帧结束位置。 从上述变量还不能看出环形缓冲区的概念，关键是缓冲区大小的设置及指针加减的处 圆梦小车 StepbyStep 之二 www.embedream.com 第 8 页 共 20 页 理。 接收缓冲区的大小 MaxRcvByte_C 要设置为 2 的倍数，即 16、32、64、128，因为 16 以下太小，而 128 以上对于单片机来说有些不实际。 存数指针在处理时，每收到一个字节加 1，但是加后做一个“与”运算，即： gi_ucSavePtr = (gi_ucSavePtr +1) & (MaxRcvByte_C -1) 读者可以自己分析一下这样处理的 gi_ucSavePtr 数值范围是什么？ 同样，对于取数指针 gi_ucGetPtr 也是如此处理，只是取数指针还存在减运算，即： gi_ucGetPtr = (gi_ucGetPtr +1) & (MaxRcvByte_C -1); gi_ucGetPtr = (gi_ucGetPtr -1) & (MaxRcvByte_C -1); 通过这样的处理，接收缓冲区就成了一个没头没尾的环！这是接收处理的关键。其它细 节请看程序。 至此，小车已经可以正确的发送或接收一个数据帧了。接下来的任务是对收到的数据帧 解析，得到命令字，并根据命令字取出相应的参数，做相应的处理，这一切就不用文字叙述 了，读者可在程序中看到。 2．2 PC 机侧的通讯实现 我一直是搞单片机的，以前有条件让别人为我做一些 PC机上的辅助测试程序，就没有 自己去尝试编写，但那时就觉得 PC机真是一个很好的“帮手”。 现在没人可以随意差遣了，只好自己动手。通过一番广泛求助，总算能够借助VC编写 最基本的程序了，我的定位很明确 —— 能够用 PC 机编写辅助单片机调试的工具程序，对 PC机程序本身不做深入研究，力求用最简单的方式实现。我觉得，所有搞单片机的都应该掌 握到此程度，因为 PC机能给你带来太多的方便。 从我接触的朋友看，能做到此的不多，大多数人都是由于“畏惧”心态而放弃的。我自 己入门的感受也是如此，开始觉得用 VC 编写一个在 Windows 下运行的程序很难，无从入 圆梦小车 StepbyStep 之二 www.embedream.com 第 9 页 共 20 页 手，后来在一个高手指点下，很快上手，之后在各种应用中学会了不少新的内容，对 VC 也 从“恐惧”、“排斥”变为喜爱了。 在此，我想尝试一下，用简单的、不正规的方式描述一下如何快速上手，期望对有此愿 望的读者有所帮助，只需要你有基本的C语言编程基础。 由于我对 API 不了解，所以直接就用 MFC 了，反正都不知道，用号称包装的更好的 MFC也许容易一些。 以编写一个与小车通讯的程序为例，实现对指定地址一个字节的读、写。 安装 VC++程序，运行后，第一步 —— 新建一个MFC应用程序： 第二步 —— 选择应用程序类型，我只会“基本对话”，也觉得够用了。直接选择“完 成”，如果你比较“牛”，可以用“下一步”定制自己所需的内容。 圆梦小车 StepbyStep 之二 www.embedream.com 第 10 页 共 20 页 之后会显示如下窗口，告知你所建立的工程信息，有用的只是目录，否则找不到了。 确定后即进入真正的编程阶段，下面显示的是VC编程环境的主界面，左侧一栏可切换 类（即源程序）和资源（显示界面等）查看，右侧为内容显示窗口，右下角一小块区域非常 重要，是构建程序功能和显示的主要素材来源（资源）。 圆梦小车 StepbyStep 之二 www.embedream.com 第 11 页 共 20 页 因为我们的程序需要使用串口通讯，所以先要进行如下操作，给它添加一个素材： 点击“Components and Controls⋯”后显示： 圆梦小车 StepbyStep 之二 www.embedream.com 第 12 页 共 20 页 双击上面的选择，显示： 按字母顺序找到“Microsoft Communications Control,V6.0”选择，并按“Insert”： 按“OK”后回到上一个界面，按“结束”即完成了通讯用控件的添加，注意添加后的 素材区域增加了什么？ 圆梦小车 StepbyStep 之二 www.embedream.com 第 13 页 共 20 页 VC 编程与以前的概念有所不同，是先根据需要构建程序的显示界面，然后再将界面中 的各个元素定义好，如按钮、显示内容栏等，在这个过程中 VC 帮你自动生成了对应的程序 框架，并在框架中提示出添加处理功能的位置。 根据约定的功能：在小车内存中指定地址，读、写一字节。 首先要能选择串口，然后要能输入地址，显示读回的数据，还要能输入待写入的数据， 此外，需要两个操作按钮，一个启动“读”，一个启动“写”。 按此构思设计的界面如下： 使用了如下四个素材：Static Text 、Combo Box、Edit Box、Button： 使用鼠标左键点住所需素材拖入对话框即可插入，可用鼠标右键激活“属性”，修改其 名称及一些属性，如显示位置、只读、按钮名称等，注意 ID 的命名，建议保留原有的 IDC_， 将后面改为可以表达对应功能的名称。 因为需要和小车通讯，所以必须将添加的通讯控件插入对话框中，插入方法一样，放在 什么地方无所谓，它运行时不会显示出来： 圆梦小车 StepbyStep 之二 www.embedream.com 第 14 页 共 20 页 将所有插入的素材利用“属性”功能修改为合适的名字，开始实质性编程 —— 定义成 员变量，相当于以往编程的变量定义，因为在面向对象概念中，类等同于变量，包含了原来 概念中的变量和函数，所以此处按钮、通讯处理均先作为变量处理，与原来的结构定义类似， 只是结构的成员不只是数据，还有方法（即函数）。 将鼠标停留在对话框内，用右键进入“建立类向导”，显示： 双击要定义的变量即跳出右侧小窗口，根据需要设定逐一设定，几个按钮不需要设定， 但是通讯控件 IDC_MSCOMM1 需要定义。全部定义后如下： 圆梦小车 StepbyStep 之二 www.embedream.com 第 15 页 共 20 页 此时，变量已定义完成，可以在“ClassView”中的“CTalkToCarDlg”类中看见这些 定义好的变量，以及 VC 自动为这个类生成的基本函数，详细内容读者可自行尝试、发掘其 奥妙，在此不再赘述。 下面开始根据需要添加一些为实现功能而用的函数，仍按上述方式进入“建立类向导”， 进入后选择“Message Maps” 页面： 上图中的操作完成了“选择串口”功能的函数框架建立。Windows 程序是消息驱动的， 圆梦小车 StepbyStep 之二 www.embedream.com 第 16 页 共 20 页 上图所注释的“确定操作类型”是俗称，准确的表述应该是“消息”，图中所选择的是“Combo Box 中选择改变”消息。 按“Edit Code”即可自动转到源程序编写界面，可以看到如下代码： void CTalkToCarDlg::OnSelCommPort() { // TODO: Add your control notification handler code here （在此处添加相应的处理程序） } 按此方式可以将所有功能对应的函数框架构建好。主要有：读、写数据按钮，确定、取 消按钮暂无用处，不去管它。 但是有一个函数比较特别，就是通讯接收处理，选择“ObjectID”窗口中的 IDC_MSCOMM1，在“Message”中只有一个选项“OnComm”，添加这个函数，这实际 上和单片机中的中断处理类似，它由串口操作的消息所激励，如收到一个字节、发送完等， 详细地消息定义请看VC的帮助文件。 此时，基本程序框架已完成，可以在函数框架中加入自己的处理程序，和以往的C语言 编程没有太大的差别，有些细节可以看程序中的注释。注意，所有初始化变量的功能添加在 “CTalkToCarDlg::OnInitDialog()”中，在提示： // TODO: Add extra initialization here 后插入。 更详细的串口通讯说明可以参阅参考资料 1的第二章。 此程序的全部源代码见附件，作为入门，自我感觉应该选用最简单的例子，否则过多的 内容会扰乱思路，反而无法理解了。读者可以在此基础上修改、完善，添加一些功能，如结 合第一篇中的例子，通过 PC机灵活改变用莫尔斯电码发送的字符串。 程序主要内容在“CTalkToCarDlg.CPP”及对应的头文件中。 圆梦小车 StepbyStep 之二 www.embedream.com 第 17 页 共 20 页 三、 交流的用途 之所以花如此精力去讨论如何实现与小车交流，是为了让后面做事时能有一个好用的工 具，“工欲善其事，必先利其器”，这两篇所描述的内容都是为了进一步控制小车所准备的。 第一篇实际上是为小车提供了一个直接的人机界面，不丰富但简单，而这一篇借用 PC 机提供了一个可以任意驾驭、丰富多彩的人机界面，而且是“双向”的，只是略显复杂。 搞单片机的都知道，需要用仿真机调试，但一方面“钱”是个障碍，同时仿真机的使用 学习及资源占用也是问题，而且每搞一种单片机都要配置仿真机就更不经济，所以学会自己 在程序中嵌入“Debug”功能，借助 PC机实现基本的调试是十分有用的。 再者，很少有仿真能够通过无线实现的，不管是 JTAG 还是 BDM，用仿真头的就更不 可能了。 读、写内存是最常用的调试功能之一，可以帮助你监测程序运行的状态和结果，修改相 应的变量以改变程序的运行状态。 我看过多次大学生机器人赛，在轨迹赛中常看见选手一次次的修改参数去试，如果能够 检测到运行遇到问题时相应的变量如何，那他们修改参数将会大大减少盲目性。 借助于交流功能，还可以让小车在运行中连续输出主要的参数，如轨迹赛时的光感检测 值、电机控制值等，以便随时掌握小车状态，为优化对策提供极大的帮助。 四、 结语 本篇不仅为初学者提供了编写串口程序的示范，还期望帮助学单片机的读者也学会基本 的 PC机编程。 可以比较一下两侧的程序，可以发现其处理核心程序是多么相似？差别只在于程序的框 架，在 PC机上，VC帮你完成了，而单片机需要自己构建。 圆梦小车 StepbyStep 之二 www.embedream.com 第 18 页 共 20 页 但是，这一切要建立在使用C语言编程上，仔细阅读提供的单片机程序，你将发现它与 使用什么单片机关系并不大，在处理部分更是如此，如果将变量名统一，单片机上的接收处 理程序都可以直接拷贝到 PC上。 这就是我想表达的：学习单片机不必过于关注单片机是什么，控制的逻辑和算法才是主 要的。汇编可以帮助你理解单片机的工作原理，但尽量不要用其编程。 学会用适当的方式（如：宏定义）化解硬件的困扰，使得程序尽量不依附硬件，这样一 方面可以提高程序的可读性、可靠性，另一方面使得你的程序可以移植到任何单片机上，使 你的成果可以作为日后的基础，不至于成为海滩上的“砂雕”！ 不知读者注意没有，两次程序中用了大量的符号化常量，并且变量名也很长，我看过一 些初学者的程序，变量命名十分随意，而且程序中直接使用常数，这都不是好习惯。常量问 题会带来日后程序修改的难度，而变量名不程序难读，不易发现问题。 附件一是我根据《代码大全》一书约定的一个命名规则，供大家参考。 记住自己做此事的目的 —— 学习，不要过于关注结果，要注重实现结果的过程和手段， 培养良好的编程习惯。我强烈建议读者购买此书，经常查阅。 基本工具已准备好，之三开始涉入正题：让小车动起来！ 附： 1、PC机上的通讯示例程序 TalkToCar （压缩包，包含该工程目录下的全部内容） 2、单片机上的通讯示例程序，压缩包，包含两个程序： YM_Prog - 2.C —— 在 YM_Prog - 1B.C 基础上添加通讯功能； YM_Prog – 2A.C —— 在 YM_Prog - 2.C 上增加用主控指示灯 DEBUG的示范。 圆梦小车 StepbyStep 之二 www.embedream.com 第 19 页 共 20 页 附件一： C51 程序变量命名规则： 常量: 大写字母 变量: 由两部分组成，用“_”分开，前半部分说明作用域和功能，后半部分用小写字母说 明类型，之后是一个大写字母开头的变量名称，如下： （作用域）（功能）_ （数据类型）（大写字母开始的名称） 作用域： 1、全局变量: g 2、模块变量(在一个模块中公用的变量): m 局部变量无此信息。 功能： 1、数祖: a 2、数组下标: i 3、指针: p 4、计数器： c 5、枚举: e 数据类型： 1、字符： ch 2、无符号字符 uc 3、整型： i 4、无符号整型： ui 5、长整型： l 圆梦小车 StepbyStep 之二 www.embedream.com 第 20 页 共 20 页 6、无符号长整型： ul 7、浮点数： f 8、无符号浮点数： uf 9、位变量： b 10、自定义类型变量: s 参考资料： 1、《Visual C++ 串口通信工程开发实例导航》 ISBN7-115-10949-4 2、《代码大全》第二版 ISBN 7 – 121 – 02298 – 2（第一版好像网上有）