STM32單片機(jī)多串口通信仿真測試技術(shù)研究

郭 勇，何 軍

(南京北方信息控制集團(tuán)有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，江蘇南京211153)

0 引言

STM32單片機(jī)是基于高性能Cortex-M3內(nèi)核的32位單片機(jī)，外設(shè)功能強(qiáng)大，最大工作頻率72MHz。本文選用的STM32103VET6芯片，有多達(dá)5個USART、3個SPI口和2個I2C口，便于產(chǎn)品與上位機(jī)的通信。采用基于庫函數(shù)的編程方法，能很快地進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。目前公開的文獻(xiàn)沒有提及無硬件平臺情況下對STM32進(jìn)行多串口調(diào)試的方法，部分文獻(xiàn)有介紹用虛擬串口仿真51單片機(jī)，但沒有提及怎樣仿真串口接收通信的情況［1－3］。本文采用基于RealView MDK、VSPD(虛擬串口)和串口調(diào)試軟件的聯(lián)合仿真調(diào)試技術(shù)，可以在沒有硬件平臺的情況下，完成多串口收發(fā)通信軟件的開發(fā)和測試。

1 多串口通信的軟件設(shè)計原理

軟件流程圖如圖1所示。

圖1 軟件流程

本文使用的STM32芯片有多達(dá)5個USART，使用其中的3個USART(USART1～USART3)。在不進(jìn)行管腳重映射的情況下，USART1_Tx管腳為PA9，USART1_Rx管腳為 PA10，USART2_Tx管腳為PA2，USART2_Rx管腳為 PA3，USART3_Tx管腳為PB10，USART3_Rx管腳為PB11。軟件的設(shè)計采用模塊化，包括RCC時鐘配置模塊，NVIC中斷向量配置模塊，USART1～USART3管腳配置模塊、USART1～USART3初始化模塊，USART1～USART3通信模塊等。

1.1 RCC時鐘設(shè)置模塊

采用8 MHz外部晶振作為PLL時鐘，再倍頻到72 MHz。該時鐘作為系統(tǒng)時鐘，待系統(tǒng)時鐘穩(wěn)定后，再進(jìn)行各模塊時鐘的分配［4］。時鐘初始化模塊部分代碼如下:

/*使能串口1時鐘，及管腳GPIOA的時鐘*/

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA，ENABLE);

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2，ENABLE);∥使能串口2時鐘

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB，ENABLE);/* 使能串口3引腳GPIOB的時鐘*/

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART3，ENABLE);∥使能串口3時鐘

1.2 UASRT通信管腳配置模塊

STM32單片機(jī)功能管腳由GPIO管腳進(jìn)行映射，這里僅給出USART1_Tx和USART1_Rx管腳配置的軟件代碼，USART2和 USART3的管腳配置類似［5］。

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_9;

∥IO口的第九腳

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

∥IO口的速度

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;

∥IO口復(fù)用推挽輸出

GPIO_Init(GPIOA，＆GPIO_InitStructure);

∥初始化USART1的TX口

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10;

∥IO口的第十腳

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=

GPIO_Mode_IN_FLOATING;∥IO口懸空輸入

GPIO_Init(GPIOA，＆GPIO_InitStructure);

∥初始化USART1的RX口

1.3 NVIC中斷向量模塊的配置

NVIC是中斷向量控制器，用來控制多個中斷向量的優(yōu)先級，在NVIC中設(shè)置USART1中斷為最高優(yōu)先級，USART2次之，USART3中斷優(yōu)先級最低。本文設(shè)置發(fā)送為順序發(fā)送，接收為中斷響應(yīng)接收［6］。代碼如下:

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

NVIC_DeInit();

NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH，0x0);

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);

∥使能USART1中斷

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=

USART1_IRQChannel;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;

NVIC_Init(＆NVIC_InitStructure);

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=USART2_IRQChannel;∥使能USART2中斷

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=1;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=USART3_IRQChannel;∥使能USART3中斷

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=2;

USART1～USART3的搶占優(yōu)先級相同，USART1的從優(yōu)先級值最小，所以USART1的優(yōu)先級別最高。

1.4 USART的通信配置模塊

采用全雙工通信，對USART1進(jìn)行配置，USART1的波特率115 200 bit/s，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無校驗位，無流量控制，接收、發(fā)送使能，采用接收中斷方式，USART2和USART3的配置類似。

USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

“互聯(lián)網(wǎng)＋”與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的協(xié)同融合是通過運(yùn)用移動互聯(lián)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)對農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)業(yè)等產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)進(jìn)行滲透和嵌入，通過提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平，創(chuàng)造新業(yè)態(tài)、新商業(yè)流程、新商業(yè)模式，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的垂直合作或行業(yè)間的橫向整合。同時，產(chǎn)業(yè)協(xié)同融合過程中還能夠創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)價值鏈模式，創(chuàng)新后的價值鏈接節(jié)點(diǎn)融合了互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)價值，與原產(chǎn)業(yè)相比，融合產(chǎn)業(yè)帶來了更高的附加值以及更大的利潤空間。總體來說，憑借“互聯(lián)網(wǎng)＋”信息技術(shù)進(jìn)行的產(chǎn)業(yè)融合，能夠提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平以及產(chǎn)業(yè)附加值，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級目標(biāo)，核心內(nèi)涵見圖1。

USART_InitStructure.USART_BaudRate=115200;

∥設(shè)定傳輸速率

USART_InitStructure.USART_WordLength=USART_WordLength_8b;∥設(shè)定8位數(shù)據(jù)位

USART_InitStructure.USART_StopBits=USART_StopBits_1;∥設(shè)定1個停止位

USART_InitStructure.USART_Parity=USART_Parity_No;∥無校驗位

USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None;

USART_InitStructure.USART_Mode=USART_Mode_Rx|USART_Mode_Tx;∥使用發(fā)送和接收功能

∥初始化USART1

USART_ITConfig(USART1，USART_IT_RXNE，ENABLE);∥使能USART1接收中斷

USART_Cmd(USART1，ENABLE);∥使能 USART1

1.5 USART的中斷接收模塊

在該中斷響應(yīng)函數(shù)中，當(dāng)USART1接收事件完成時，產(chǎn)生中斷信號，通知微處理器進(jìn)行串口通信的接收處理［7，8］。

void USART1_IRQHandler(void)

{

static unsigned char rx1_num;

unsigned char temp_rx;

if(USART_GetITStatus(USART1，USART_IT_RXNE)==SET)∥如果是接收中斷

{

uart1_rx［rx1_num］=temp_rx;

}

rx1_num++;∥靜態(tài)變量，記錄USART1接收數(shù)據(jù)的個數(shù)

}

當(dāng)USART2和USART3產(chǎn)生接收中斷時，進(jìn)入相應(yīng)的中斷函數(shù)進(jìn)行處理。

2 虛擬串口和仿真串口的綁定

傳統(tǒng)的USART調(diào)試必須有相應(yīng)的開發(fā)板，連接開發(fā)板的串口和上位機(jī)的串口，開發(fā)軟件RealView MDK在調(diào)試時，有3個串口的仿真輸出窗口UART#1，UART#2，UART#3，但這3個窗口只能仿真串口輸出，不能仿真串口的接收通信。采用虛擬串口軟件VSPD(Virtual Serial Port Driver)，可以虛擬出多對串口，如圖2所示。分別把每一對虛擬串口中的一個與STM32單片機(jī)的每個串口進(jìn)行綁定，就可以進(jìn)行串口的通信仿真測試。

圖2 產(chǎn)生的3對虛擬串口

本文用 VSPD軟件虛擬了3對串口，分別是COM4和 COM5、COM6和 COM7、COM8 和 COM9。COM4發(fā)送數(shù)據(jù)時，COM5接收數(shù)據(jù)，反之亦然。為了仿真 STM32單片機(jī)3個串口的收發(fā)通信，把UART1和COM4綁定在一起，把 UART2和 COM6綁定在一起，把UART3和COM8綁定在一起。因為虛擬串口COM4和COM5互相通信，所以用COM5發(fā)數(shù)據(jù)，可以模擬串口COM4的中斷接收數(shù)據(jù)。配置文件為COM4_OUT.txt，把后綴名改為.ini。內(nèi)容如下［9，10］:

MODE COM4 115200，0，8，1

ASSIGN COM4＜S1IN＞ S1OUT

MODE COM6 115200，0，8，1

ASSIGN COM6＜S2IN＞ S2OUT

MODE COM8 115200，0，8，1

ASSIGN COM8＜S3IN＞ S3OUT

ASSIGN

文件的作用是配置COM4的波特率為115 200 bit/s，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無校驗位，把COM4和STM32的第1個串口綁定在一起，配置COM6的波特率與COM4一樣，綁定COM6和STM32的第2個串口在一起，依次類推。把COM4_OUT.ini文件放在工程文件中，編譯后，就可以利用 RealView MDK軟件和串口調(diào)試軟件進(jìn)行串口的通信仿真測試。

3 USART通信發(fā)送、接收數(shù)據(jù)測試

3.1 發(fā)送數(shù)據(jù)測試

設(shè)置 3個發(fā)送數(shù)組，uart1_tx［64］、uart2_tx［64］、uart3_tx［64］，因為 COM4 和 COM5 相連接，當(dāng)COM4發(fā)送數(shù)據(jù)時，COM5接收數(shù)據(jù)，由圖3可知，當(dāng) COM4發(fā)送數(shù)組 uart1_tx［64］的數(shù)據(jù)時，COM5的接收區(qū)正確顯示數(shù)組uart1_tx［64］的數(shù)據(jù)。COM8和COM9相連，由圖4可知，COM9的接收區(qū)正確顯示數(shù)組 uart3_tx［64］的數(shù)據(jù)［11］。

uart1_tx［64］={0x11，0x1a，0x1b，0x1c，0x1d，0x1e，0x1f，0x1f，0x3a，0x5b，0x2c，0x2d，0x3e，0x4f，0x4c，0x2d……

0xaa，0xab，0xac，0xad，0xae，0xaf，0xaf，0xaf};

uart3_tx［64］={0x31，0x3a，0x3b，0x3c，0x3d，0x3e，0x3f，0x3f，……

0x8a，0x8b，0x6c，0x6d，0xe7，0xf7，0xa3，0xb5，

0xca，0xcb，0xcc，0xcd，0xce，0xcf，0xcf，0xcf};

圖3 COM5接收數(shù)據(jù)測試

圖4 COM9接收數(shù)據(jù)測試

3.2 接收數(shù)據(jù)測試

用 uart1_rx［64］、uart2_rx［64］和 uart3_rx［64］分別模擬COM4、COM6和COM8中斷接收數(shù)據(jù)，這時COM5、COM7和COM9分別發(fā)出數(shù)據(jù)。該實驗用于測試多串口中斷接收通信的準(zhǔn)確率［12］。

圖5 uart1_rx接收前后對比

圖7 COM5發(fā)送數(shù)據(jù)

對比圖5和圖7可知，uart1_rx［64］正確接收到COM5發(fā)出的64個數(shù)據(jù)，表明COM4中斷接收通信正確。對比圖6和圖8可知，uart2_rx［64］正確接收到COM7發(fā)送的64個數(shù)據(jù)，表明COM6中斷接收通信正確。

圖8 COM7發(fā)送數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

針對目前廣泛使用的STM32單片機(jī)，介紹一種使用VSPD(虛擬串口)結(jié)合串口調(diào)試軟件進(jìn)行多串口收發(fā)通信的仿真測試方法。論述了虛擬串口和仿真串口的綁定方法，并給出了相應(yīng)模塊的軟件代碼。仿真實驗結(jié)果表明，該方法可以在沒有硬件平臺的條件下，精確地進(jìn)行多個串口發(fā)送和接收通信的測試，并能得到很好的結(jié)果。

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