RT-Thread零基础快速入门第9讲——串口（UART/RS485）

前言

串口是单片机最常用的通讯方式之一，关于串口的介绍在RT-thread官网上已经有非常详细的介绍了，我这里就不多讲了，今天主要讲一讲官网上没有的东西，让你更加深入的了解RT-thread是如何配置和使用串口进行数据收发的。
RT-thread官网上关于UART的资料：https://www.rt-thread.org/document/site/#/rt-thread-version/rt-thread-standard/programming-manual/device/uart/uart_v1/uart

一、配置底层引脚

1、确定串口引脚

先从原理图查看自己需要使用的串口号及对应的引脚。
比如我要使用串口3，引脚是PB10和PB11（USART3除了这一组引脚还有PC10、PC11）

2、配置底层引脚

1）配置串口
打开keil工程，使用STM32CubeMX配置底层接口（路径一般在工程目录下\board\CubeMX_Config文件夹里面）
不懂的同学可以看下我之前的博客。
RT-Thread零基础快速入门第1讲——新建工程

先打开对应的串口（Mode选择Asynchronous即可），然后检查GPIO是否和原理图一致。

如果不一致的话可以在右边的芯片图上面找到正确的引脚，然点击引脚，修改该引脚为串口功能，最后再回到上一步，检查一下串口是否已经修改成正确的引脚了。


提示：使用STM32CubeMX配置串口只需要打开串口和配置引脚，其他的像波特率、NVIC这些都需要管，因为这些都是在RTT应用层初始化的时候配置的，即使在这里改了也是不起作用的。

2）生成新的工程
点击右上角的GENERATE CODE，生成新工程即可。
注：如果生成工程时提示你是否需要下载新版本的固件库，可以下载也可以继续使用旧的，一般都是没问题的。

二、编写应用层代码

1、打开串口使能

用env打开工程，进入menuconfig配置页面，打开串口使能。
提示：这里的使能和上面STM32CubeMX打开串口是不一样的，env配置使能之后实际上是打开一个宏定义，打开之后才能调用RTT串口相关的库函数，而STM32CubeMX使能则是把HAL库串口相关的函数加进来。

如果你不知道env怎么使用，可以在下面这个链接查看。
env使用方法：https://www.rt-thread.org/document/site/programming-manual/env/env/#bsp-menuconfig

配置好之后，退出保存即可。
注意：如果menuconfig里面没有你要使用的串口号怎么办，这个问题请跳到后面查看 “常见问题解答”。

2、重新生成工程

在env输入下面的命令，重新生成新的工程。
提示：会使用env的话应该都知道这个操作。

scons --target=mdk5

3、编写串口收发代码

串口收发的示例代码可以在RT-thread官网查看，有中断接收的示例，也有DMA接收的示例，都是写的很详细的了，拷贝过来改一下就可以用了。

你也可以在menuconfig里面打开串口接收的示例。

打开示例之后要重新生成工程，也就是上面第2步的操作。

建议：如果只是测试串口功能的话可以直接添加示例文件，但是实际应用中还是建议新建一个文件，然后编写串口的应用代码，再把这个文件加入到keil工程里面。

参考：RT-Thread零基础快速入门第2讲——添加新文件到工程

不管用哪种方法，示例代码添加进来之后还是要按照自己的需求修改配置，比如串口号，波特率，串口接收的数据处理等。
我这里简单的举个例子，具体怎么改还是要看你的功能需求。

以中断接收的demo为例：
1）修改串口号
直接修改SAMPLE_UART_NAME这个宏即可，比如我这里用的是串口3，就改成"uart3"

#define SAMPLE_UART_NAME       "uart3"      /* 串口设备名称 */

2）修改波特率
在查找串口(rt_device_find)之后，打开串口(rt_device_open)之前添加下面这段代码即可。

/* 修改串口配置参数 */
struct serial_configure config = RT_SERIAL_CONFIG_DEFAULT;  // 初始化配置参数
config.baud_rate = BAUD_RATE_9600;        //修改波特率为 9600
config.data_bits = DATA_BITS_8;           //数据位 8
config.stop_bits = STOP_BITS_1;           //停止位 1
config.bufsz     = 128;                   //修改缓冲区 buff size 为 128
config.parity    = PARITY_NONE;           //无奇偶校验位
/* 控制串口设备。通过控制接口传入命令控制字，与控制参数 */
rt_device_control(serial, RT_DEVICE_CTRL_CONFIG, &config);

如下图所示：

3）串口数据接收处理
如果数据不多处理不复杂，可以直接在接收数据的线程进行数据处理，如下图所示：

如果数据比较多或者处理比较复杂需要消耗的时间比较长的情况下，就不太建议在接收的线程进行数据处理了，因为在这里处理数据会影响后续的数据接收。
推荐几种常用的解决方法：
1：使用消息队列把接收到的数据传输到其他线程，在其他的线程做统一的数据处理。
2：如果接收是以中断的方式，可以考虑在接收的时候就做先做简单的处理，比如用一个switch语句，每接收一个数据就处理一次，这样就可以把每个字节接收的间隙时间利用起来。这个方法也可以用来判断数据帧是否完整接收完成，是否有错误的数据帧。
数据处理的方法有很多，各有优劣，具体用哪种方式则要看实际的情况，适合的方法才是最好的。

利用switch语句处理接收数据的示例代码：

switch(count)
{
    case 0:{
        if(ch == 0xFC){                  // 帧头
            uart_rx_buffer[i++] = ch;
            count ++;
        }
        else{
            i = 0;
            count = 0;
        }
        break;
    }
    case 1:{                             // 地址
        if(ch == 1 || ch == 2){
            uart_rx_buffer[i++] = ch;
            count ++;
        }
        else{
            i = 0;
            count = 0;
        }
        break; 
    } 
    case 2:{                             // 命令
            if(ch == 0xD4){
            uart_rx_buffer[i++] = ch;
            count ++;
        }
        else{
            i = 0;
            count = 0;
        }
        break;
    }
    case 3:{
            uart_rx_buffer[i++] = ch;     // 数据高位
            count ++;
        break;
    }
    case 4:{
            uart_rx_buffer[i++] = ch;     // 数据高位
            count ++;
        break;
    }
    case 5:{
            uart_rx_buffer[i++] = ch;     // 校验
            i = 0;
            count = 0; 
            if(verify_check(uart_rx_buffer, 5) == uart_rx_buffer[5]) // 检查校验
            {
                rt_sem_release(rs485_timeout_sem);
                uart_485_data_handle(uart_rx_buffer);
            }
        break; 
    }
    default: 
        i = 0;
        count = 0;
        break;
}

三、进阶学习

1、串口的硬件小知识

串口常用的电平有三种：TTL、RS232、RS485。

类型	说明
TTL	电压范围0V至+5V，高电平>2.4V，低电平<0.4V，一般MCU直接输出的串口就是TTL电平的
RS232	电压范围-15V至+15V，高电平为-3V至-15V，低电平为+3V至+15V
RS485	电压范围-7V至+12V，不同于TTL和RS232，RS485采用的差分信号负逻辑，高电平为两线间的电压差-2V至-6V，低电平为两线间的电压差+2V至+6V
USB	有单独的协议，与TTL、RS232和RS485都不同

三种电平之间不能直接通信，需要通过转换芯片转换成相同的电平。除了这三种电平以外，我们常常还用到USB，USB有自己的协议（2.0、3.0、3.1等），USB和TTL、RS232和RS485这些电平之间也是不能直接通信的，也需要转换。一般单片机或者其他MCU的串口电平都是TTL的，而PC端一般使用USB。

举个例子：
如果MCU的串口需要连接到PC端，那么就需要实现TTL和USB直接的转换，常用的方法如下：
1、通过一个USB转TTL的芯片转换，可以放在主板上，也可以用那种转换小板，这个大家应该比较熟悉了，某宝上面随处可见。
2、通过一个TTL转232的芯片转换，然后再接一根USB转232的连接线，这个线常用DB9接口。
3、通过一个TTL转485的芯片转换，然后再接一根USB转485的连接线。

TTL一般是板内模块间通讯用的比较多，因为串口线过长会有线损，影响通讯，因此，外接的传感器和MCU的通讯大多使用RS232和RS485这两种，像RS485，串口线即使长达一百米，也不影响正常通讯。

2、RS485的使用

上面简单介绍了三种电平硬件上的区别，那么在编程上又有什么区别呢？
对于TTL和RS232来说，编程都是一样的，只要配置好UART的收发即可，电平的转换都是通过转换芯片来完成的，与代码无关。RS485也是类似的，电平的转换也是通过转换芯片来完成，但不同的是RS232是可以同时收发的，而RS485在同一时间只能发送或者接收，因此，RS485的转换芯片多了一个使能引脚，这个使能脚是用来切换发送模式和接收模式的，一般是由MCU来控制。

我们在写代码的时候只要把RS485这个使能脚的控制加进去就可以了。

1）先定义485的使能引脚，以及加入GPIO配置要用到的头文件。

#include <rtdevice.h>
#include <board.h>
#define RS485_RE  GET_PIN(G, 8)

提示：引脚号用宏定义，这样的话如果以后要修改引脚，就不需要把每个函数都改一遍。

2）在串口初始化的时候把485使能引脚的初始化也加进去，默认设置为接收模式。

rt_pin_mode(RS485_RE, PIN_MODE_OUTPUT);   // 配置RS485使能引脚为输出
rt_pin_write(RS485_RE, PIN_LOW);          // 配置RS485为接收模式（一般低电平是接收模式，高电平是发送模式，当然，也有相反的，主要还是看485用什么芯片）

3）在串口发送数据前切换485为发送模式，发送完成后再切回接收模式。

rt_pin_write(RS485_RE, PIN_HIGH);         // 发送模式 
rt_device_write(serial, 0, &ch, 1);       // 发送数据
rt_pin_write(RS485_RE, PIN_LOW);          // 接收模式

四、常见问题解答

1、ENV配置里面没有我要用的串口号

问题分析：这是因为你这个工程menuconfig页面的配置文件并没有把所有串口和配置都添加进来。
解决办法：在工程目录下board文件夹里面有一个Kconfig文件，这个就是menuconfig页面的配置文件，在里面找到串口的配置，可以把原有的配置修改成你想要的串口号，也可以照猫画虎的抄一遍原有的配置，然后再修改成你想要的串口号。修改完之后重新打开menuconfig即可，如果报错打不开了，说明的改的有问题，有语法错误。

还有一个办法就是直接在工程文件里面的rtconfig.h添加串口使能的宏定义，实际上使用env配置修改的也是这个文件的宏，但是这样做有一个问题就是每次你使用env配置好参数之后，你都要再手动添加一遍串口使能的宏，因为每次使用env配置参数的时候都会按照Kconfig文件覆盖一遍，而Kconfig又没有你手动添加的这个宏，所以，最好还是用上面的方法，在根本上解决问题。

2、ENV配置的串口配置没有DMA模式

问题分析：这个问题和上面那个问题其实是一样的，修改Kconfig即可

3、ENV配置没错，硬件电路也是对的，但是串口就是收不到数据

问题分析：假如你ENV的配置是没错的，硬件电路也确认过是正常的，使用list_device也能查找到uart设备，但是就是收不到数据，有可能是底层串口没有配置好，比如底层的引脚号配置的不对或者串口根本就没有打开，这种情况在修改了电路图或者工程的时候很容易出现，也很容易忽视，因为这个问题编译的时候并不会报错，你不仔细核对原理图是发现不了的。
解决办法：使用STM32CubeMX配置好串口的参数，具体的操作上面已经介绍过，就不多说了。

4、STM32CubeMX、ENV及串口初始化等软件部分都确认是对的，但就是没有数据

问题分析：这种情况就要结合硬件一起排查了，最快的排查方法就是直接上示波器或者逻辑分析仪，可以单独写一个测试线程，让单片机定时发数据（发什么数据不重要），然后用示波器查看MCU串口的TX引脚的波形，正常的波形是很规律的，每一帧的数据间隔也会跟你定时的时间一致，并且数据帧的波形都是比较漂亮的方波。如果没有波形，排除MCU损坏的情况的话，肯定还是软件没有配置好。接收的测试也是一样的，可以通过PC端的串口助手定时发送数据，然后测试MCU串口的RX引脚，看看波形是否正常，如果波形正常，但是单片机就是没有收到数据，那肯定还是软件没有配置好。

5、串口每次都只能通过输入命令启动吗

命令行输入只是为了方便我们测试，实际使用的话可以使用INIT_APP_EXPORT自动加载函数，或者在其他函数、线程里面调用。
例如：

INIT_APP_EXPORT(uart_sample);

五、结束语

串口的使用其实非常简单，但是实际使用的时候往往会因为一些小问题折腾了半天，这个时候一定要冷静的分析问题，先检查一遍硬件电路，再按流程检查一遍配置和代码，最后实在没办法了就上示波器吧。
好了，关于RT-thread串口的介绍就到这里，如果还有什么问题，欢迎在评论区留言。如果这篇文章能够帮到你，就给我点个赞吧，如果想了解更多RT-thread和单片机的内容，可以关注一下博主，后续我还会继续分享更多的经验给大家。

RT-thread相关教程汇总：https://blog.csdn.net/ShenZhen_zixian/article/details/120563891