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HNU-电子测试平台与工具2-串口实验5次_湖南大学学习通电子测试平台

作者：Monodyee | 2024-04-12 20:53:40

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湖南大学学习通电子测试平台

计算机串口使用与测量

【实验属于电子测试平台与工具】

湖南大学信息科学与工程学院

计科 210X wolf （学号 202108010XXX）
在这里插入图片描述

0.环境搭建

在实验开始之前，安装好Ubuntu 20.04操作系统。（这个没有难度）

但要提醒的是，这个ubuntu是xubuntu，而且虚拟硬盘只有10GB的大小，

如果想沿用到操作系统OS的Lab实验中要注意了，可能会出现存储不够的现象。

（1）安装VirtualBox虚拟化软件以及该虚拟化软件的扩展包

（2）安装Linux(Xubuntu发行版)虚拟机

请安装ubuntu-20.04.4，就是串口部分第一次课上老师给的优盘里拷贝的那个版本的ubuntu，各位同学请互相拷贝安装。

1.linux操作系统平台

（1）安装firstrun.deb包

​ 使用指令sudo dpkg -i firstrun.deb 进行安装

在这里插入图片描述

（2）运行根目录下的/gettips

在这里插入图片描述

（3）切换到root权限进入目录

运行指令切换到2中提供的目录，切换到root用户（直接进入权限不够），进入该目录

在这里插入图片描述

（4）使用ls打开文件

ls查看并使用vim打开文件.puzzle.txt

在这里插入图片描述

发现结果如下

在这里插入图片描述

（5）使用curl提交结果

使用如下命令提交

curl “132.232.98.70:6363/check?id=202108010206&v=3318888711”

提交后返回OK，重复提交返回DUP

在这里插入图片描述

转换为16进制为C5D23907

2.Linux平台串口数据接收

（1）下载程序

按照指导书步骤，向STC单片计算机板下载程序。

【注意 ：按下载按键之后，一定要在板子上按“restart”按键，否则无法下载】

如下所示，显示“操作成功”表示已经成功向板子发送程序。

在这里插入图片描述

（2）连接

按照指导书步骤，将STC单片机与示波器相连如下（注意接口）

【请特别注意探针的倍率！！！一定要置于×1而不是×10！！！】

【血的教训，捣腾了半节课才发现】

在这里插入图片描述

这是连接之后的整体照片。

在这里插入图片描述

（3）预设值示波器

按照指导书要求，对示波器进行预先设置如下。

在这里插入图片描述

（4）显示单次示结果

待大致能看到一次的发送数据条纹后，按下“single”键，显示一次示波结果。

在这里插入图片描述

（5）放大示波结果

放大，直到一次波形大约能占到一格，如下。

在这里插入图片描述

（6）调节光标并读出差值

调节光标，较为准确地测出下降沿与上升沿的相差

在这里插入图片描述

（7）计算波特率

根据波特率的定义，即1s内发送的位数，计算波特率。

1÷8.6μs=116279，符合指导书中提供参考数据的115200。可以看出其实很接近。

【这里千万要注意，我们的测量存在误差，要取接近的，不然后面读取会失败】

【指导书中指出：常用的波特率有1200、1800, 2400, 4800, 9600,19200, 38400, 57600, 115200等。*这次实验*所用的波特率都是*常用波特率*。】

【另外：不同同学得出的波特率不一定一样，所以没必要自己觉得自己错了，只要操作规范，结果合理，符合常用波特率即可】

（9）编写c代码

根据单片机串口波特率，编写C语言程序从虚拟机的串口读取信息。

这里我直接套用了指导书中提供的文件，但注意改动波特率为自己测得的波特率相近的参考值，否则无法读取。

只需要改动com.c文件的这个位置即可，而且必须是之前给出参考波特率中的一个。

在这里插入图片描述

（10）设置虚拟机

设置，使虚拟机可以连接板子。

在这里插入图片描述

（11）使用curl提交结果

改动之后，读取信号并提交服务器

在这里插入图片描述

如上，下面解释读取到的信息的含义

根据指导书：

【STC单片机计算串口发出来的内容格式为：

0xAA 0x55 序列号

以上内容为二进制数据表示，共13个字节。例如：

0xAA 0x55 0x11 0x22 0x33 0x44 0x55 0x66 0x77 0x88 0x99 0xAA 0xBB 。

其中0x11 0x22 0x33 0x44 0x55 0x66 0x77 0x88 0x99 0xAA 0xBB 就是该单片机的序列号。请用程序读出所领单片机的序列号。】

可知，这里aa 55是开始的序列号，而后面的 a0 1d 56 5c 74 71 b6 69 2d e0 fc即为传输的11位数据。

这里要注意，提交答案的时候不要把aa,55放入，否则是错误的。

提交成功显示“ok”，失败则为“error”。

（12）python任务

(选做任务)熟悉Python语言的同学，也可以使用pyserial模块操作串口读取序列号。下面是不完整的示例代码。

import serial #导入pyserial模块

ser=serial.Serial(“/dev/ttyUSB0”,9600,timeout=0.5) #导入pyserial模块

reading = self.serial.read_all() #读取串口数据

for i in range(0,len(reading)): #循环处理串口收到的数据

​ data = (int(binascii.hexlify(reading[i]),16))

​ print(data)

这一部分暂不完成，在下一个实验中会有完整版的。

3.Linux下的设备文件操作

一、实验目的

1、熟练使用Linux下io函数read、write和epoll等

2、熟练处理流式通信数据

二、实验过程

（1）向STC单片机下载下面的程序

下载程序后，单片机将使用1200波特率发送自身序列号，格式同上一节课（4.3节内容）相同。请记录下该序列号。

在一个循环节内，可记录机器序列号为

AA 55 A0 1D 55 17 75 64 66 4D 6B 42 9C

（机器序列号为AA55后面的部分）

在这里插入图片描述

（2）向串口写入自己的学号

向串口写入自己的学号，格式为0xAA 0x55 十二位学号数字。

例如学号20220110203，应该通过串口发送以下数据

AA 55 02 00 02 02 00 01 01 01 00 02 00 03

这里我们使用这个工具自带的串口助手来完成这个步骤

在这里插入图片描述

可以读出第一个密码序列为

AA 55 0A FF FF FF FF FF FF 0C 27 6B 69

（3）解析密码并发回串口

STC单片机接收到学号后会发送第一串密码，密码长度为4字节。请将解析出该串密码并原样发回给串口。STC单品机收到返回后会继续发送下一串密码，请继续解析出该串密码并原样发回给串口。以此往复，将收到的最后一串密码记录下来。

例如，收到以下密码串

AA 55 0A 00 00 00 00 00 00 C9 34 3F 5D

其中AA 55为前导串，0A表示起始字节是第10字节。请将密码原样发回给串口。

AA 55 C9 34 3F 5D

在这里插入图片描述

可读出新密码为

AA 55 0A FB FB FB FB FB FB 44 27 87 4A

（4）使用curl提交结果

将学号、序列号、最后一串密码发送到课程后台。上送命令语法为

curl “132.232.98.70:6363/checkSecret?id=学号&v=序列号&s=密码”

例如，序列号是A01D564D744A42C9363F5E，学号是202201110203，最后一串密码为51ED8D3A，那么上报结果命令为：

curl “132.232.98.70:6363/checkSecret?id=202201110203&v=A01D564D744A42C9363F5E&s=51ED8D3A”

在这里插入图片描述

（5）(选做)python编程完成

在Linux系统下使用C++或者Python代码完成上面第三步动作，并将取到的最后一组密码发送到课程后台中。

这里出了点问题，我的ubuntu没有装pyserial，所以我先安装了一个pip，然后再安装serial，若出现“网络不可达”，则注意使用镜像源安装，我们使用的是华科大的镜像源。

在这里插入图片描述

程序如下：

import serial.tools.list_ports
# 字符串转字符串
def b2s(data):
    return ''.join([f'{ch:0>2x}' for ch in data]).upper()
# 连接设备
ser = serial.Serial(list(serial.tools.list_ports.comports()[0])[0], 1200)
# 判断是否连接到设备
assert (ser != None)
# 输入学号
studentID = input("学号:")
# 判断学号是否正确
assert (studentID.isdigit() and len(studentID) == 12)
# 读入序列号
number = b2s(ser.read(13))
# 断言魔数为AA55
assert (number[:4] == "AA55")
# 取出序列号
number = number[4:]
assert (len(number) == 11 * 2)
print(f'序列号:{number}')
# 使用学号构造即将发送的字节数据
startData = b'\xaa\x55' + bytes([ord(ch) - ord('0') for ch in studentID])
# 写入设备
ser.write(startData)
password = b''  # 读到的密码
i = 1  # 循环次数
# 开启永真循环，直到ctrl+c被按下
while True:
    # 读1位，探测魔数
    t = b2s(ser.read(1))
    # 第一个魔数应该是AA
    if t != "AA":
        continue
    # 再读一位
    t = b2s(ser.read(1))
    # 第二个魔数应该是55
    if t != "55":
        continue
    # 判断魔数后可以放心读取数据
    # 读入密码开始位置的索引
    index = list(ser.read(1))[0]
    # 若索引大于4，则表明中间有无关字节，吸收掉无关字节
    if index - 4 > 0:
        ser.read(index - 4)
    # 读入四字节的密码
    password = ser.read(4)
    print(f'[{i}]密码:{b2s(password)}')
    # 使用这次读到的密码构造数据，发送给设备以读取下一次的密码
    ser.write(b'\xaa\x55' + password)
    i += 1


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一定要在sudo权限下运行main.py，输入自己的学号，得到结果

在这里插入图片描述

（可以发现我们上面读出的两段密码也在这个序列中，只是分值较小）

程序会逐行读取每一个密码，达到256时密码不再变化，此时的密码就是最终的答案。

在这里插入图片描述

使用curl "132.232.98.70:6363/checkSecret?id=202108010206&v=A01D55177564664D6B429C&s=4B6B409C"提交即可。

在这里插入图片描述

返回256，表示已经拿到最高分，实验结束。

4.RS485信号的测量

【特别注意序列号随着下载程序改变而改变，不可再用之前的方法得出序列号或者沿用之前的序列号！】

（1）为A板下载新的hex文件。

然后按下K3按键，电路板将通过RS485向外发出一组序列号信息。该信号序列格式为：

0xAA 0x55 4字节序列号

【这里可以直接通过示波器读出，但是有点难看，我选择的是让其返回至电脑直接读出。】在后面完成。

请在板上RS485接口插上杜邦线，然后示波器观察该序列信息的内容和波特率并做好记录。

下图是A板的示波器显示，使用1÷424μs，其波特率为2400

在这里插入图片描述

（2）下载B板文件

使用同学的STC电路板(后面称为B板)，下载B板Hex文件：

B板会将计算机通过USB 串口发送的数据，转发到RS485接口上。同时将RS485接口收到的数据，通过USB 串口转发到计算机上。我们接下来使用这个B板与自己的A板进行通信，读取A板的密码。

B板每次上下拨动摇杆，其串口和RS485总线上波特率会发生变化，同时会在RS485接口上输出一个0x55。请插上杜邦线后，使用示波器观察其波特率。

请通过上下拨动B板摇杆调节B板波特率，使之与A板输出的RS485波特率相匹配。

这里我们上下拨动B板摇杆，直至差不多能等于上面的424μs为止，完成时结果如下。

在这里插入图片描述

（3）补充完成获取A板序列号

之前为了更加清晰，选择在此完成读取序列号

在A板、B板的波特率相同后，按下A板K3键，返回序列号（请一定注意是4字节）如下：

7B 22 4B E6

在这里插入图片描述

（4）向串口写入读密码指令

调用write函数接口向串口发送读密码命令。

读密码命令格式为：0xAA 0x55 A板序列号 12字节学号

我发送的读取密码命令如下

AA 55 7B 22 4B E6 02 00 02 01 00 08 00 01 00 02 00 06

注意，发送时所使用的波特率应该与A板通信波特率一致。命令通过B板转换为RS485信号发送到A板。

A板会回应密码，回应格式为：

0xAA 0x55 4字节密码

回应密码会经过B板转发到计算机上。请调用read函数接口从串口读取该密码。

返回答案（请一定注意是6字节）：

91 99 35 AD 09 71

在这里插入图片描述

（5）使用curl提交结果

将A板序列号、学号和密码通过curl命令发送到课程后台系统。

上送命令语法为

curl “132.232.98.70:6363/check485?id=学号&v=序列号&s=密码”

回应OK表示正确，其它表示错误。

例如，序列号是D9 01 49 8A ，学号是202201030303，回应的密码为 01 8A D9 49，那么上报结果命令为：

curl “132.232.98.70:6363/check485?id=202201030303&v=D901498A&s=018AD949”

其中NOK表示失败，DUP表示这个板子已经被其他同学使用过了，需要更换板子继续。

我发送的提交命令如下

curl “132.232.98.70:6363/check485?id=202108010206&v=7B224BE6&s=41C14D10”

返回结果为OK，表示成功

在这里插入图片描述

5.RS485总线数据收发

（1）向A单片机板下载下面的程序

AHasSecrets.hex

向B单片机板下载下面的程序

B_Relay.hex

下载程序后，A板单片机将使用1200波特率约每300ms发送一次自身序列号，格式为0xAA 0x55 4字节序列号

我获取的序列号是

CE 19 8F 4C

（2）向B板写入学号

通过B板串口向RS485总线写入自己的学号，格式为0xAA 0x55 十二位学号数字。

例如学号20220110203，应该通过串口发送以下数据AA 55 02 00 02 02 00 01 01 01 00 02 00 03

我需要发送的是

AA 55 02 00 02 01 00 08 00 01 00 02 00 06

（3）使用A板发送密码

A板单片机接收到学号后会每300ms发送第一串密码，密码长度为4字节。请将解析出该串密码并在150ms内原样发回给串口（否则会造成总线的冲突）。STC单品机收到返回后会继续发送下一串密码，请继续解析出该串密码并在150ms内原样发回给串口。以此往复，将收到的最后一串密码记录下来。

例如，收到以下密码串AA 55 00 00 00 00 00 C9 34 3F 5D

其中AA 55为前导串，最后4个字节是密码。请将密码原样发回给串口。即发送AA 55 C9 34 3F 5D

在这里插入图片描述

（4）编写python代码并获取结果

使用python编程解决，程序如下

import serial
import serial.tools.list_ports
# 字节转字符串
def b2s(data):
    return ''.join([f'{ch:0>2x}' for ch in data]).upper()
# 连接设备
ser = serial.Serial(list(serial.tools.list_ports.comports()[0])[0], 1200)
# 判断是否连接到设备
assert(ser != None)
# 输入学号
studentID = input("学号:")
# 判断学号是否正确
assert(studentID.isdigit() and len(studentID) == 12)
# 读入序列号
number = b2s(ser.read(6))
# 断言魔数为AA55
assert(number[:4] == "AA55")
# 取出序列号
number = number[4:]
# 判断序列号长度是否正确
assert(len(number) == 4 * 2)
print(f'序列号:{number}')
# 使用学号构造即将发送的字节数据
startData = b'\xaa\x55' + bytes([ord(ch) - ord('0') for ch in studentID])
# 写入数据
ser.write(startData)
password = b''  # 读到的密码
i = 1   # 记录循环次数
# 开启永真循环，直到Ctrl+C被按下
try:
    while True:
        data = ser.read_all()
        sdata = b2s(data)
        if data != b'' and sdata[:4] == "AA55":
            password = data[-4:]
            if len(password) == 4:
                print(f'[{i}]密码:{b2s(password)}')
                # 使用这次读到的密码构造数据，发送给设备以读取下一次的密码
                ser.write(b'\xaa\x55' + password)
                i += 1
# 当Ctr+C被按下时执行，建议在读到的密码不再变化时按下，大概在256次循环之后
except KeyboardInterrupt:
    print(f'[结束]最后一串密码为:{b2s(password)}')

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python程序运行如下：

在这里插入图片描述

最终获得的结果如下：

在这里插入图片描述

（5）使用curl提交结果

将学号、序列号、最后一串密码发送到课程后台。上述命令语法为

curl “132.232.98.70:6363/check485Secret?id=学号&v=序列号&s=密码”

例如，序列号是2C9363F5E，学号是202201110203，最后一串密码为51ED8D3A，那么上报结果命令为：

curl “132.232.98.70:6363/check485Secret?id=202201110203&v=2C9363F5E&s=51ED8D3A”

后台返回的数字表示该密码的编号，返回DUP表示该序列号已经被其它同学使用，请更换电路板重新取得密码。

我需要提交的是

curl “132.232.98.70:6363/check485Secret?id=202108010206&v=CE198F4C&s=82ED754C”

使用curl指令提交答案，获取分数256。

在这里插入图片描述

实验总结

通过这次实验，我能够层层深入地了解串口相关的知识并能够进行实操。

我经常与小伙伴一起从中午的十二点半一直做到下午的两三点。花费在串口实验上的时间超过了8个小时。

在实验中，我进一步熟悉了linux操作系统的使用。熟悉了单片机下载程序，调试串口的方法，理解了使用IO函数实现的串口数据的收发。编写串口数据收发程序也进一步体会了如何对串口数据进行处理。另外地，我通过实验进一步熟悉了串口通信的方法，以及使用write，read等函数进行串口数据进行读写。我了解了RS485接口的使用，通过RS485实现了两板的通信和数据传输。认识了RS485的半双工通信模式，在程序运行时，有些产生的密码是错误的，即发生了冲突得到了错误数据。对于程序的编写，能够通过python语言程序实现功能，后续还需要加深理解，提高代码的性能以及编写相关代码的能力。最后说一句，python是真的管用。

串口相关的知识是我感觉在电子测试平台与工具中是最有趣的知识。因为我不仅能够学到怎么让两个供电的小板子进行相互的通信，也能够输出结果与写入需求。最为重要的是，我能够在一次学习到知识后立刻通过实验来验证知识的掌握程度，通过curl提交来获取自己的分数，这都是极好的。

未来，我会继续努力学习串口相关的学习知识，并付诸实践。

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