驅(qū)動器軟件總體架構(gòu)

先來看整個機(jī)器人系統(tǒng)的整體架構(gòu)，不難看出，其實(shí)驅(qū)動器軟件的上下游是硬件外設(shè)和中間件軟件，那想要開發(fā)驅(qū)動器軟件就需要對上下游非常熟悉嗎？不一定，但是作為一個嵌入式工程師需要懂得如何和對應(yīng)開發(fā)者進(jìn)行交流。

首先對于硬件開發(fā)者，他們會給我們提供一份原理圖，以及一般性的我們需要知道芯片的使用手冊，這樣才能輔助我們?nèi)フ_的使用硬件的各個IO，避免如最低級的正負(fù)級接反等問題；對于中間件軟件，我們則需要和他們一起制定一個協(xié)議，這個協(xié)議約定了雙方如何進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)交互。 ? 說到這里，大家就很明確對于此處的嵌入式開發(fā)者而言需要做什么事情了。一方面要正確的使用板卡資源和外設(shè)資源，并對其數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理來做一些開發(fā)者企圖實(shí)現(xiàn)的功能。另一方面要將處理的數(shù)據(jù)與上游進(jìn)行交互從而達(dá)到更高效的數(shù)據(jù)利用，當(dāng)然了必要時也需要接收來自上游數(shù)據(jù)的指令。 ? 首先對于硬件開發(fā)者，他們會給我們提供一份原理圖，以及一般性的我們需要知道芯片的使用手冊，這樣才能輔助我們?nèi)フ_的使用硬件的各個IO，避免如最低級的正負(fù)級接反等問題；對于中間件軟件，我們則需要和他們一起制定一個協(xié)議，這個協(xié)議約定了雙方如何進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)交互。 ? 說到這里，大家就很明確對于此處的嵌入式開發(fā)者而言需要做什么事情了。一方面要正確的使用板卡資源和外設(shè)資源，并對其數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理來做一些開發(fā)者企圖實(shí)現(xiàn)的功能。另一方面要將處理的數(shù)據(jù)與上游進(jìn)行交互從而達(dá)到更高效的數(shù)據(jù)利用，當(dāng)然了必要時也需要接收來自上游數(shù)據(jù)的指令。 ? 此處舉一個例子來看

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FreeRTOS 快速上手

搭建軟件環(huán)境 以Keil為例

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https://www.keil.com/download/product

Stm32配置keil5編譯版本(https://j7h4nezmu0.feishu.cn/docx/UsbUdQdShoxhpLxFPTvceJsmnQb)

FreeRTOS使用

RTOS全稱為 Real Time Operation System，即實(shí)時操作系統(tǒng)。RTOS強(qiáng)調(diào)的是實(shí)時性，又分為硬實(shí)時和軟實(shí)時。硬實(shí)時要求在規(guī)定的時間內(nèi)必須完成操作，不允許超時；而軟實(shí)時里對處理過程超時的要求則沒有很嚴(yán)格。RTOS的核心就是任務(wù)調(diào)度。 ? FreeRTOS是RTOS的一種，尺寸非常小，可運(yùn)行于微控制器上。微控制器是尺寸小，資源受限的處理器，它在單個芯片上包含了處理器本身、用于保存要執(zhí)行的程序的只讀存儲器（ROM或Flash）、所執(zhí)行程序需要的隨機(jī)存取存儲器（RAM），一般情況下程序直接從只讀存儲器執(zhí)行。 ? https://j7h4nezmu0.feishu.cn/docx/PD6iduyKfo49Kux41vAcTURsnrJ#KZlsdtiUFoE3Khx0VfScpejknXA

任務(wù)創(chuàng)建 關(guān)于任務(wù)創(chuàng)建，F(xiàn)reeRTOS 提供了 API 給我們使用。格式如下

代碼實(shí)例

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//Task priority    //任務(wù)優(yōu)先級
#define START_TASK_PRIO        1


//Task stack size //任務(wù)堆棧大小        
#define START_STK_SIZE         256  


//Task handle     //任務(wù)句柄
TaskHandle_t StartTask_Handler;


//Task function   //任務(wù)函數(shù)
void start_task(void *pvParameters);


//Main function //主函數(shù)
int main(void)
{ 
  systemInit(); //Hardware initialization //硬件初始化


        //Create the start task //創(chuàng)建開始任務(wù)
   xTaskCreate((TaskFunction_t )start_task,             //Task function   //任務(wù)函數(shù)
                (const char*    )"start_task",          //Task name       //任務(wù)名稱
                (uint16_t       )START_STK_SIZE,        //Task stack size //任務(wù)堆棧大小
                (void*          )NULL,                  //Arguments passed to the task function //傳遞給任務(wù)函數(shù)的參數(shù)
                (UBaseType_t    )START_TASK_PRIO,       //Task priority   //任務(wù)優(yōu)先級
                (TaskHandle_t*  )&StartTask_Handler);   //Task handle     //任務(wù)句柄                                            
   vTaskStartScheduler();  //Enables task scheduling //開啟任務(wù)調(diào)度        
}


//Start task task function //開始任務(wù)任務(wù)函數(shù)
void start_task(void *pvParameters)
{
    taskENTER_CRITICAL(); //Enter the critical area //進(jìn)入臨界區(qū)


    //Create the task //創(chuàng)建任務(wù)
    xTaskCreate(Balance_task,  "Balance_task",  BALANCE_STK_SIZE,  NULL, BALANCE_TASK_PRIO,  NULL);        //Vehicle motion control task //小車運(yùn)動控制任務(wù)
    xTaskCreate(MPU6050_task, "MPU6050_task", MPU6050_STK_SIZE, NULL, MPU6050_TASK_PRIO, NULL);            //IMU data read task //IMU數(shù)據(jù)讀取任務(wù) 
    xTaskCreate(show_task,     "show_task",     SHOW_STK_SIZE,     NULL, SHOW_TASK_PRIO,     NULL);        //The OLED display displays tasks //OLED顯示屏顯示任務(wù)
    xTaskCreate(led_task,      "led_task",      LED_STK_SIZE,      NULL, LED_TASK_PRIO,      NULL);        //LED light flashing task //LED燈閃爍任務(wù)
    xTaskCreate(pstwo_task,    "PSTWO_task",    PS2_STK_SIZE,      NULL, PS2_TASK_PRIO,      NULL);        //Read the PS2 controller task //讀取PS2手柄任務(wù)
    xTaskCreate(data_task,     "DATA_task",     DATA_STK_SIZE,     NULL, DATA_TASK_PRIO,     NULL);        //Usartx3, Usartx1 and CAN send data task //串口3、串口1、CAN發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)


    vTaskDelete(StartTask_Handler); //Delete the start task //刪除開始任務(wù)


    taskEXIT_CRITICAL();            //Exit the critical section//退出臨界區(qū)
}

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運(yùn)行狀態(tài)

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運(yùn)動控制與PID使用

PID 原理介紹

為了更好的控制機(jī)器人行走，電機(jī)控制算法通常使用PID算法，PID(proportion integration differentiation)其實(shí)就是指比例，積分，微分控制。當(dāng)我們得到系統(tǒng)的輸出后，將輸出經(jīng)過比例，積分，微分3種運(yùn)算方式，重新疊加到輸入中，從而控制系統(tǒng)的行為，讓它能精確的到達(dá)我們指定的狀態(tài)。基本形態(tài)如下圖所示：

? 比例環(huán)節(jié)是對偏差瞬間作出反應(yīng)，偏差只要產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用， 使控制量向減少偏差的方向變化。

控制作用的強(qiáng)弱數(shù)值表示為誤差值與比例系數(shù)Kp的乘積，取決于比例系數(shù)Kp， 比例系數(shù)Kp越大，控制作用越強(qiáng)， 則過渡過程越快， 控制過程的靜態(tài)偏差也就越??；但Kp越大，也越容易產(chǎn)生振蕩， 就會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 ? 所以， 比例系數(shù)Kp選擇須恰當(dāng)， 以期達(dá)到過渡時間少、靜態(tài)偏差小而又穩(wěn)定的效果。 ? 積分部分的表達(dá)式為誤差積分值與比例系數(shù)Ki的乘積， 從式中可看出，只要存在偏差， 則它的控制作用就不斷的增加。只有在偏差e(t)＝0時， 它的積分才是一個常數(shù)，控制作用才是一個不會增加的常數(shù)?？梢?，積分部分可以消除系統(tǒng)的偏差。

積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會消除靜態(tài)誤差，但也會降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。積分常數(shù)Ti越大，積分的積累作用越弱，這時系統(tǒng)在過渡時不會產(chǎn)生振蕩；但是增大積分常數(shù)Ti會減慢靜態(tài)誤差的消除過程，消除偏差所需的時間也較長， 但可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 ? 實(shí)際的控制系統(tǒng)中除了消除靜態(tài)誤差外，還要求加快調(diào)節(jié)過程。在偏差出現(xiàn)的瞬間，或在偏差變化的瞬間， 不但要對偏差量做出立即響應(yīng)（比例環(huán)節(jié)的作用）， 而且要根據(jù)偏差的變化趨勢預(yù)先適當(dāng)?shù)募m正。為了實(shí)現(xiàn)這一功能作用，須在 PI 控制器的基礎(chǔ)上加入微分環(huán)節(jié)，形成 PID 控制器。 ?

? 微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化。它是根據(jù)偏差的變化趨勢（變化速度）進(jìn)行控制。偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變大之前進(jìn)行修正。微分作用的引入， 將有助于減小超調(diào)量， 克服振蕩， 使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定， 它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。 ?

大家可以通過以下案例更加直觀性的通過ROS的視角來看PID的原理和作用。 https://gitee.com/xiaobairisk/ros-pid-controller 參考鏈接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/406496635

工程實(shí)例

在電機(jī)控制中，我們一般性的會將輪速轉(zhuǎn)變?yōu)镻WM去計(jì)算，那么如何獲取PWM以及發(fā)布目標(biāo)PWM變成了一個更加直接的問題。 origincar_controller 中使用了PI運(yùn)算。通過獲取編碼器值（當(dāng)前PWM值），以及設(shè)定的目標(biāo)PWM值進(jìn)行PI調(diào)速。 首先需要解決當(dāng)前PWM值獲取。

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// 獲取當(dāng)前編碼器值
//編碼器原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為車輪速度，單位m/s
MOTOR_A.Encoder= Encoder_A_pr*CONTROL_FREQUENCY*Wheel_perimeter/Encoder_precision;  
MOTOR_B.Encoder= Encoder_B_pr*CONTROL_FREQUENCY*Wheel_perimeter/Encoder_precision;  
MOTOR_C.Encoder= Encoder_C_pr*CONTROL_FREQUENCY*Wheel_perimeter/Encoder_precision; 
MOTOR_D.Encoder= Encoder_D_pr*CONTROL_FREQUENCY*Wheel_perimeter/Encoder_precision;

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對于阿克曼結(jié)構(gòu)車輛而言，該如何獲取目標(biāo)位置呢？其中需要對目標(biāo)速度進(jìn)行輪速解算，也就是計(jì)算出最終需要達(dá)到的PWM值。

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// 結(jié)算目標(biāo)PWM值
{
    float R, Ratio=636.56, AngleR, Angle_Servo;


    //對于阿克曼小車Vz代表右前輪轉(zhuǎn)向角度
    AngleR=Vz;
    R=Axle_spacing/tan(AngleR)-0.5f*Wheel_spacing;


    //前輪轉(zhuǎn)向角度限幅(舵機(jī)控制前輪轉(zhuǎn)向角度)，單位：rad
    AngleR=target_limit_float(AngleR,-0.49f,0.32f);


    //運(yùn)動學(xué)逆解
    if(AngleR!=0)
    {
        MOTOR_A.Target = Vx*(R-0.5f*Wheel_spacing)/R;
        MOTOR_B.Target = Vx*(R+0.5f*Wheel_spacing)/R;                        
    }
    else 
    {
        MOTOR_A.Target = Vx;
        MOTOR_B.Target = Vx;
    }
    //舵機(jī)PWM值，舵機(jī)控制前輪轉(zhuǎn)向角度
    Angle_Servo    =  -0.628f*pow(AngleR, 3) + 1.269f*pow(AngleR, 2) - 1.772f*AngleR + 1.573f;
    Servo=SERVO_INIT + (Angle_Servo - 1.572f)*Ratio;




    //車輪(電機(jī))目標(biāo)速度限幅
    MOTOR_A.Target=target_limit_float(MOTOR_A.Target,-amplitude,amplitude); 
    MOTOR_B.Target=target_limit_float(MOTOR_B.Target,-amplitude,amplitude); 
    MOTOR_C.Target=0;                         //沒有使用到
    MOTOR_D.Target=0;                         //沒有使用到
    Servo=target_limit_int(Servo,800,2200);   //舵機(jī)PWM值限幅
}

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PI計(jì)算

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int Incremental_PI (float Encoder,float Target)
{         
     static float Bias,Pwm,Last_bias;
     Bias=Target-Encoder;         //計(jì)算偏差
     Pwm+=Velocity_KP*(Bias-Last_bias)+Velocity_KI*Bias; 
     if(Pwm>16700)Pwm=16700;
     if(Pwm<-16700)Pwm=-16700;
     Last_bias=Bias;             //保存上一次偏差 
     return Pwm;    
}

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人機(jī)顯示屏交互

人機(jī)交互在驅(qū)動板中的體現(xiàn)很多，比如LED等、蜂鳴器、用戶按鍵、繼電器等，但是其中最為直觀的外設(shè)當(dāng)為OLED顯示屏。 首先介紹為什么要引入OLED顯示屏，從設(shè)計(jì)之初的考慮來看，最重要的一個原因是方便大家調(diào)試MCU代碼，如大家可以看到當(dāng)前狀態(tài)下關(guān)鍵傳感器信息，如陀螺儀等；此外也可以顯示一些控制器傳下來的信息，如WIFI0的IP地址。 接下來介紹一下OLED的主要優(yōu)點(diǎn)：

OLED 顯示屏具備主動發(fā)光的特點(diǎn)，幾乎沒有視角限制，視角一般可達(dá)到 170 度，具有較寬的視角，從側(cè)面也不會失真；

OLED 顯示屏低溫特性好，在零下 40 攝氏度都能正常顯示；

OLED 顯示屏的響應(yīng)時間很快，大約是幾微秒到幾十微秒；

SSD1306驅(qū)動芯片實(shí)例介紹 以O(shè)riginCar使用的0.96寸SSD1306 OLED顯示屏為例，以下為其原理圖

如何開發(fā)顯示屏

此處給出參考鏈接：SSD1306開發(fā)介紹(http://t.csdnimg.cn/h9lJl），更關(guān)鍵的一點(diǎn)是在目前的調(diào)試開發(fā)中，大家該如何做二次開發(fā)。 在origincar_controller工程中，已經(jīng)給大家封裝好了使用函數(shù)

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//oled.h
void OLED_WR_Byte(u8 dat,u8 cmd);            
void OLED_Display_On(void);
void OLED_Display_Off(void);
void OLED_Refresh_Gram(void);                                                                          
void OLED_Init(void);
void OLED_Clear(void);
void OLED_DrawPoint(u8 x,u8 y,u8 t);
void OLED_ShowChar(u8 x,u8 y,u8 chr,u8 size,u8 mode);
void OLED_ShowNumber(u8 x,u8 y,u32 num,u8 len,u8 size);
void OLED_ShowString(u8 x,u8 y,const u8 *p);

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接下來給出顯示實(shí)例

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// show.c
void oled_show(void)
{  


     ...
     //顯示屏第1行顯示內(nèi)容//
    OLED_ShowString(0,0,"Akm "); 


     //阿克曼、差速、四驅(qū)、履帶車顯示陀螺儀零點(diǎn)
     OLED_ShowString(55,0,"BIAS");
     if( Deviation_gyro[2]<0)  OLED_ShowString(90,0,"-"),OLED_ShowNumber(100,0,-Deviation_gyro[2],3,12);  //Zero-drift data of gyroscope Z axis
     else                      OLED_ShowString(90,0,"+"),OLED_ShowNumber(100,0, Deviation_gyro[2],3,12);        //陀螺儀z軸零點(diǎn)漂移數(shù)據(jù)        


     ...


     OLED_Refresh_Gram();
}

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實(shí)際開發(fā)中大家需要在類似本例中oled_show中使用OLED_ShowString/OLED_ShowNumber即可，注意在最后需要刷新一次OLED內(nèi)容OLED_Refresh_Gram;

串口通信

串口通訊(Serial Communication)是一種設(shè)備間非常常用的串行通訊方式，因?yàn)樗唵伪憬?，因此大部?a target="_blank">電子設(shè)備都支持該通訊方式，其通訊協(xié)議可分層為協(xié)議層和物理層。物理層規(guī)定通信協(xié)議中具有機(jī)械、電子功能的特性，從而確保原始數(shù)據(jù)在物理媒體的傳播；協(xié)議層主要規(guī)定通訊邏輯，統(tǒng)一雙方的數(shù)據(jù)打包、解包標(biāo)準(zhǔn)。 ? 物理層 RS232是一種串行數(shù)據(jù)傳輸形式，稱其為串行連接，最經(jīng)典的標(biāo)志就是 9 針孔的 DB9 電纜RS232電壓表示邏輯 1 ，0的范圍大極大的增強(qiáng)了容錯率，主要用于工業(yè)設(shè)備直接通信。 ? 兩個通訊設(shè)備的“DB9 接口”之間通過串口信號線建立起連接，串口信號線中使用“RS-232 標(biāo)準(zhǔn)”傳輸數(shù)據(jù)信號。由于 RS-232 電平標(biāo)準(zhǔn)的信號不能直接被控制器直接識別，所以這些信號會經(jīng)過一個“電平轉(zhuǎn)換芯片”轉(zhuǎn)換成控制器能識別的“TTL 標(biāo)準(zhǔn)”的電平信號，才能實(shí)現(xiàn)通訊。

USB轉(zhuǎn)串口：主要用于設(shè)備(如STM32)與其他設(shè)備通信。 ? 電平轉(zhuǎn)換芯片一般有CH340、PL2303、CP2102、FT232，使用的時候電腦要按照電平轉(zhuǎn)換芯片的驅(qū)動(虛擬出一個串口)

? ? ? ? 協(xié)議層 串口通訊的協(xié)議層中，規(guī)定了數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，它由啟始位、主體數(shù)據(jù)、校驗(yàn)位以及停止位組成，通訊雙方的數(shù)據(jù)包格式要約定一致（一樣的起始位 數(shù)據(jù) 校驗(yàn)位 停止位）才能正常收發(fā)數(shù)據(jù)

通訊的起始和停止信號

串口通訊的一個數(shù)據(jù)包從起始信號開始，直到停止信號結(jié)束。數(shù)據(jù)包的起始信號由一個邏輯 0 的數(shù)據(jù)位表示，而數(shù)據(jù)包的停止信號可由 1 或 2 個邏輯 1 的數(shù)據(jù)位表示 1個停止位：停止位位數(shù)的默認(rèn)值。 2個停止位：可用于常規(guī)USART模式、單線模式以及調(diào)制解調(diào)器模式。

有效數(shù)據(jù)

在數(shù)據(jù)包的起始位之后緊接著的就是要傳輸?shù)闹黧w數(shù)據(jù)內(nèi)容，也稱為有效數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)的長度常被約定為 5、6、7 或 8 位長

數(shù)據(jù)校驗(yàn)

偶校驗(yàn)：校驗(yàn)位使得一幀中的7或8個LSB數(shù)據(jù)以及校驗(yàn)位中1的個數(shù)為偶數(shù)。 例如：數(shù)據(jù)=00110101，有4個1，如果選擇偶校驗(yàn)(在USART_CR1中的PS＝0)，校驗(yàn)位將是0，最后數(shù)據(jù)檢驗(yàn)如果數(shù)據(jù)有偶數(shù)個1則數(shù)據(jù)傳輸沒有出錯(但不是絕對的，如果同時兩個數(shù)據(jù)為發(fā)送錯誤(0變成1)則還是偶數(shù)個1) 奇校驗(yàn)：此校驗(yàn)位使得一幀中的7或8個LSB數(shù)據(jù)以及校驗(yàn)位中1的個數(shù)為奇數(shù)。例如：數(shù)據(jù)=00110101，有4個1，如果選擇奇校驗(yàn)(在USART_CR1中的PS＝1)，校驗(yàn)位將是1，最后數(shù)據(jù)檢驗(yàn)如果數(shù)據(jù)有奇數(shù)個1則數(shù)據(jù)傳輸沒有出錯，但同樣不是絕對的(同時兩個1變成0) 實(shí)例說明 以origincar_controller為例，使用USB轉(zhuǎn)串口的方式，將OriginCar主板與電腦PC連接，并在電腦端打開串口助手，即可接收到來自O(shè)riginCar主板的如下數(shù)據(jù)，關(guān)于數(shù)據(jù)解析待下節(jié)分享。

此處大家應(yīng)該思考一個問題，數(shù)據(jù)是如何發(fā)出來的？

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void data_task(void *pvParameters)
{
   u32 lastWakeTime = getSysTickCnt();


   while(1) {        
        vTaskDelayUntil(&lastWakeTime, F2T(RATE_20_HZ));
        data_transition(); 
        USART1_SEND(); //串口1發(fā)送數(shù)據(jù)
        USART3_SEND(); //串口3(ROS)發(fā)送數(shù)據(jù)
        USART5_SEND(); //串口5發(fā)送數(shù)據(jù)
        CAN_SEND();    //CAN發(fā)送數(shù)據(jù)        
    }
}

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首先如上所示，OriginCar主板基于 FreeRTOS進(jìn)行周期性的數(shù)據(jù)發(fā)送，即data_task 函數(shù)，接下來以USART3_SEND為例看數(shù)據(jù)如何發(fā)送。

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void USART3_SEND(void)
{
    unsigned char i = 0;        
    for(i=0; i<24; i++) {
        usart3_send(Send_Data.buffer[i]);
    }         
}

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如上，此處只是將Send_Data的數(shù)據(jù)給了usart3_send函數(shù)，那么Send_Data數(shù)據(jù)是什么呢？其實(shí)就是協(xié)議層封裝數(shù)據(jù)啦。再看usart3_send

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void usart3_send(u8 data)
{
    USART3->DR = data;
    while((USART3->SR&0x40)==0);        
}

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到此處，大家直接思考的問題就變成了USART3是什么？USART3->DR、USART3->SR是什么？ 此處其實(shí)使用到了STM32固件庫編程方式，大家可以通過查看固件庫手冊來對寄存器進(jìn)行操作。

狀態(tài)寄存器：USARTX->SR 其用于描述USART的工作狀態(tài)，為編程者提供一個串口的實(shí)時狀態(tài)，一般而言，發(fā)送時需要判斷上一幀有沒有發(fā)送完畢；接收時需要判斷一幀數(shù)據(jù)有沒有接收完畢，二者需要一個標(biāo)志位進(jìn)行狀態(tài)表示，這其中的標(biāo)志就在此寄存器中。 數(shù)據(jù)寄存器：USARTX->DR 發(fā)送和接收雖然是兩個動作，但是在單片機(jī)內(nèi)部是一個數(shù)據(jù)寄存器，這兩個操作的唯一區(qū)別方法就是，執(zhí)行寫操作就是發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器(TDR)，執(zhí)行讀操作的時候就是接受數(shù)據(jù)寄存器（RDR）。這也就解釋了為什么上面的代碼中，讀和寫都是使用的DR寄存器。 ?

審核編輯：黃飛

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