项目方案介绍

功能介绍

本课程来自一个真实项目：多个气体传感器的管理。由于气体传感器比较昂贵，本课程里使用普通传感器来做实验。真实项目的使用场景如下图所示：

上位机操作界面：可以监测多个传感器
中控：图片暂时无法放出来，它的功能是向下通过 RS485 连接多个传感器，向上通过USB 口连接 PC。中控平时就要时刻采样传感器的数据，当上位机需要数据时通过 USB 口高效率地传输数据。
传感器：有多个机位，每个机位都有传感器

使用场景如下：

设置传感器 ID：拿到一个传感器后，要通过上位机设置它的 ID，然后把它放在某个机位
中控监测传感器的状态：在线/离线，上位机周期性地读取状态信息
中控读取传感器数据，上位机周期性地读取这些数据
上位机显示传感器状态、显示传感器数据
上位机可以读取中控、各个传感器的程序版本信息，升级固件

硬件方案

在工业控制场景中，上位机通过中控，去控制多个设备，硬件框图如下：

各部件的作用如下：

上位机：功能强大，方便操作，比如记录历史数据、图像化显示数据、升级硬件程序
中控：在上位机和传感器之间转发数据，当传感器很多时，不使用中控的话，上位机无法快速获得各个传感器的数据
传感器：采样数据、上报数据

软件方案

位机方案

上位机：

界面使用 LVGL 编写，界面和底层数据通过 JSON 进行隔离，方便更换 GUI
数据传输基于 libmodbus，可以使用 Modbus RTU 协议，也可以使用 Modbus TCP 协议
自定义协议，以实现：设备 ID 写入、设备状态检测、数据读写、程序升级等功能

中控方案

中控程序复杂，基于 FreeRTOS 编写。

中控上的程序分为 2 个：Bootloader（用于升级应用程序）、应用程序。中控的

Flash 如下划分：

中控上电后，首先运行 Bootloader，它根据配置信息决定是否启动 APP1 或 APP2，

还是保存运行 Bootloader 本身：

Bootloader：接收上位机下发的固件，升级 APP
APP1 或 APP2：平时运行的程序，收集传感器数据，等待上位机读取

上位机和中控 Bootloader 的程序框架如下：

上位机和中控 APP 的程序框架如下：

传感器方案

传感器上的程序也分为 2 个：Bootloader（用于升级应用程序）、应用程序。传感器的 Flash 如下划分：

传感器上电后，首先运行Bootloader，它根据配置信息决定是否启动APP1或APP2，还是保存运行Bootloader本身：

Bootloader：上位机给中控下发传感器的固件，中控再把它传给传感器的Bootloader，Bootloader升级APP
APP1或APP2：平时运行的程序，读取传感器数据，返回给中控

中控APP和传感器Bootloader的程序框架如下：

中控APP和传感器APP的程序框架如下：

技术难点

难点在于如何保证多个传感器数据上报以及上位机下发不丢包，因为它不仅仅是单块板了，还可以集联多个，所以它的拓展性很强。后期还可以非常方便地给传感器进行批量升级；另外在工厂场景下，会涉及到数据监控，产线情况监控等场景。项目涉及上位机开发、FreeRTOS程序开发、裸机程序开发、单片机的控制。也能掌握传感器数据通讯、传感器协议定义、程序升级等知识点。还可以学习良好的程序开发模式：一套代码如何适应不同的主控芯片、不同的操作系统（FreeRTOS和裸机）。最后，怎么写出稳定可靠、容

易扩展的程序，这个将会贯穿整个学习过程——这是产品，不是练手Demo。

配套硬件

开发板购买链接：工业控制专题课程购买链接

资料获取

百度网盘：https://pan.baidu.com/s/109e9Cr5nl-BWpct24Q6zOw?pwd=root 密码：root

资料汇总

章节目录

第0章项目方案介绍
- 0.1 功能介绍
- 0.2 硬件方案
- 0.3 软件方案
  - 0.3.1 上位机方案
  - 0.3.2 中控方案
  - 0.3.3 传感器方案
  - 0.3.4 技术难点
第一章搭建开发环境
- 1.1 开发套件硬件接口资源介绍
- 1.2 资料下载
- 1.3 安装keil MDK
  - 1.3.1 软件下载
  - 1.3.2 软件安装
  - 1.3.3 PACK安装
- 1.4 安装STM32CubeMX
- 1.5 安装STM32CubeProgrammer
- 1.6 安装ST-Link驱动
- 1.7 安装CH340驱动
第二章开发板的使用
- 2.1 硬件连接
- 2.2 运行测试程序
- 2.3 创建第1个程序
- 2.4 使用LCD打印信息
- 2.5 使用FreeRTOS
第3章 UART开发基础
- 3.1 同步传输于异步传输
  - 3.1.1 概念与示例
  - 3.1.2 差别
- 3.2 UART协议与操作方法
  - 3.2.1 UART协议
  - 3.2.2 STM32H5 UART硬件结构
  - 3.2.3 RS485协议
- 3.3 UART编程
  - 3.3.1 硬件连接
  - 3.3.2 三种编程方式
  - 3.3.3 查询方式
  - 3.3.4 中断方式
  - 3.3.5 DMA方式
- 3.4 效率最高的UART编程方法
  - 3.4.1 IDLE中断
  - 3.4.2 DMA发送/DMA+IDLE接收
- 3.5 在RTOS里使用UART
  - 3.5.1 程序框架
  - 3.5.2 编写程序
  - 3.5.3 面向对象封装UART
第4章 USB设备编程
- 4.1 USB学习指南
- 4.2 USB系统硬件框架和软件框架
- 4.3 软件工程师眼中的USB电气信号
- 4.4 USB协议层数据格式
- 4.5 USB描述符
- 4.6 USBX组件
- 4.7 移植USBX实现虚拟串口
- 4.8 虚拟串口源码分析与改造
第5章 Modbus通讯协议
- 5.1 学习Modbus的快速方法
- 5.2 初始Modbus
- 5.3 Modbus软件与使用
- 5.4 Modbus协议细节
- 5.5 Modbus功能码详解
第6章 libmodbus使用
- 6.1 libmodbus开发库
- 6.2 libmodbus源代码解析
- 6.3 libmodbus移植于使用
第7章低成本Modbus传感器的实现
- 7.1 硬件资源介绍与接线
- 7.2 开发环境搭建
- 7.3 创建与体验第1个工程
- 7.4 UART编程
- 7.5 libmodbus移植
- 7.6 传感器设计
- 7.7 访问多个传感器
- 7.8 程序改进
第8章程序升级
- 8.1 程序升级的概念
- 8.2 实现升级功能
第9章综合实现
- 9.1 产品框架
- 9.2 改造libmodbus实现文件传输
- 9.3 读写任意传感器
- 9.4 IAP升级
第10章调试心得
- 1. USB串口重复打开、关闭
- 1. USB串口数据丢失
- 1. STM32 DMA接收回调函数
- 1. C++创建线程使用局部变量
- 1. libmodbus使用DMA串口时超时时间的设置
- 1. F030改用DMA后栈溢出导致切换到timer任务时崩溃

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