基于树莓派4B与STM32的UART串口通信实验（代码开源）

2024-03-22 开源 0

前言：本文为手把手教学树莓派4B与 STM32 的 UART 通讯，本次项目采用树莓派4B与 STM32 进行串口通讯，将彼此的数据进行互相传输。本篇博客同时提供了基于 YOLOv5-Lite 的目标检测数据联动，即将树莓派4B检测到的信息发送至 STM32，后续可以通过这些信息进行各种需求上的控制。树莓派4B与 STM32 的联动是很常见的嵌入式架构体系，通常树莓派4B负责计算量大的任务（例如：目标检测，激光雷达等），STM32 则负责进行控制任务，该架构也是目前主流的智能硬件处理框架！（文末有代码开源！）

硬件实物图：

效果图：

一、树莓派4B串口

1.1 树莓派4B的Pin

树莓派4B的引脚图：

树莓派4B作为一款小型电脑，其提供了额外大量的 Pin 引脚适用于嵌入式的日常开发，本次实验我们需要需要实现树莓派4B与STM32F103C8T6之间的UART通讯！

补充说明：

树莓派4B作为上位机负责计算量大的任务（例如：目标检测，激光雷达等），STM32 则负责进行控制为主的任务。该体系框架是目前主流的人工智能嵌入式流派之一，如今多数的智能小车，智能航行器，智能机械臂都有使用该套框架！

该框架的优势：

该框架将控制任务与计算任务隔离，实现了各 CPU 的专门专精，提高了系统的稳定性（方便后期任务的扩展或者检修）。同时，STM32虽然计算能力上是远远弱于树莓派4B的，但是其GPIO的控制能力是强于树莓派的，也就是它天生根据控制优势。所以，该框架是充分发挥了各自的专长！

树莓派4B与STM32之间常用的通讯方式：

(1)、UART，(2)、SPI，(3)、I2C（该项目使用Serial）

1.2 树莓派4B安装Serial与使用

引脚连接：

根据上图树莓派4B的 Pin 引脚图中 GPIO14(TXD) 和 GPIO15(RXD) 的两个引脚分别与 STM32F103C8T6 的 PA10(RXD) 和 PA10(RXD) 的引脚相连（交叉连接）

1.2.1 安装serial

在终端输入：sudo apt-get install serial

1.2.2 打开树莓派4B串口

在终端输入：sudo raspi-config 打开界面设置

Interfacing Options→serial→否→是

在终端输入：ls -al /dev/查看设备

1.2.3 修改串口映射关系

在终端输入：sudo nano /boot/config.txt

末行添加 dtoverlay=pi3-miniuart-bit

重启树莓派4B，之后终端输入：ls -la /dev/查看设备

1.2.4 修改配置文件

在终端输入：sudo nano /boot/cmdline.txt

修改cmdline.txt文件的内容，内容如下：

dwc_otg.lpm_enable=0 console=tty1 root=/dev/mmcblk0p2 rootfstype=ext4 elevator=deadline rootwait

二、安装minicom与树莓派4B测试

2.1 minicom安装

minicom 是 Linux/树莓派4B 平台串口调试工具，相当于 windows 上的串口调试助手，此时需要先安装 minicom；

sudo apt-get install minicom

在终端输入：minicom -D /dev/ttyAMA0

如果要退出这个minicom软件的话，先按CTRL+A再按Z就会弹出菜单，按下0回车就退出了，然后就能直接关闭了。

2.2 树莓派4B通信测试

我们使用 XCOM 串口调试助手来测试树莓派4B能否正常进行 UART 通信！

使用USB-TTL模块交叉连接树莓派4B的 UART 的引脚；

★特殊说明：USB-TTL 模块的 VCC 和 GND 一定都要与树莓派4B的相应 Pin 相连，不然可能因为电流的不平衡导致端口疯狂输出乱码！

我们在下图 minicom 红框区域输入 Hi IKUN！字样之后，可以在 XCOM 的端口处看到字符串成功发送到了 PC 端；

同理，在 XCOM 端口发送 Hi My Brother 字样之后，可以在树莓派4B的 minicom 红框区域成功接收到该信息！

当成功完成上述的操作之后，说明我们已经成功的配置好树莓派4B的UART功能！之后就可以尝试与 STM32 进行通信了（发送数据给XCOM不仅可以通过 minicom，也可以通过python等代码）！

三、树莓派4B与STM32通信

STM32 的代码其实就是简单的UART串口通讯代码，但实质上是有很多坑！！！作者发现大部分博主并没有说明出坑所在，这部分作者将会为读者朋友把可能出现的坑给解决掉！

3.1 树莓派4B代码

我们利用 Python 代码写一个循环发送数字的代码程序，具体代码如下：

import serial  import time    ser = serial.Serial('/dev/ttyAMA0',115200) # 串口初始化，根据实际情况修改串口号和波特率  # 定义要输出的数字  num =  196 while True:                      ser.write(str(int(num)).encode()) # 发送数字到串口       num += 1      if num > 205:          num = 196         time.sleep(0.2) # 等待1秒钟

可以看出代码是非常简单的，但是这里读者朋友需要注意的是树莓派4B的端口发送至STM32的其实都是字符串流！在STM32端我们对发送过来的字符串流进行解码（很多博主其实都没有说明该点，导致很多朋友解码失败）！

3.2 CubeMX配置

1、RCC配置外部高速晶振（精度更高）——HSE；

2、SYS配置：Debug设置成Serial Wire（否则可能导致芯片自锁）；

3、I2C配置：

4、USART1配置：设置UART1串口；波特率：115200；开启UART串口中断；

5、时钟树配置

6、工程配置

3.3 STM32代码

3.3.1 OLED代码

OLED模块主要是方便显示树莓派4B发送给STM32的数据信息！考虑到实际情况，我们一般需要根据树莓派4B发送过来的数字信息，所以，我们这里利用OLED进行数字显示！

小数显示API函数：

//z_len为整数显示位数，f_len为小数显示位数，size2为字体大小void OLED_Showdecimal(u8 x,u8 y,float num,u8 z_len,u8 f_len,u8 size2){         		u8 t,temp;	u8 enshow;	int z_temp,f_temp;      	z_temp=(int)num;	//整数部分	for(t=0;t<z_len;t++)	{		temp=(z_temp/oled_pow(10,z_len-t-1))%10;		if(enshow==0 && t<(z_len-1))		{			if(temp==0)			{				OLED_ShowChar(x+(size2/2)*t,y,' ',size2);				continue;			}			else			enshow=1;		}		OLED_ShowChar(x+(size2/2)*t,y,temp+'0',size2); 	}	//小数点	OLED_ShowChar(x+(size2/2)*(z_len),y,'.',size2); 		f_temp=(int)((num-z_temp)*(oled_pow(10,f_len)));  //小数部分	for(t=0;t<f_len;t++)	{		temp=(f_temp/oled_pow(10,f_len-t-1))%10;		OLED_ShowChar(x+(size2/2)*(t+z_len)+5,y,temp+'0',size2); 	}}

篇幅有限，OLED参考博客：http://t.csdn.cn/kydg4

3.3.2 UART代码

这部分代码是比较核心的，上述博客作者已经说明了，其实树莓派4B发送给STM32的数据都是以字符串流的格式发送来得。所以，即使发送过来的是数字数据也会变成字符，这就需要我们进行解码！

uart.h：

#ifndef __UART_H#define __UART_H#include "stm32f1xx_hal.h" extern UART_HandleTypeDef huart1;#define USART1_REC_LEN  600extern int  USART1_RX_BUF[USART1_REC_LEN];extern uint16_t USART1_RX_STA;extern int USART1_NewData;void  HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef  *huart);#endif

uart.c：

#include "uart.h"#include "oled.h"int USART1_RX_BUF[USART1_REC_LEN];		//目标数据uint16_t USART1_RX_STA=2;int USART1_NewData;extern int num;		//百位extern int num2;    //十位extern int num3;    //个位void  HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef  *huart){    if(huart ==&huart1)    { 			      USART1_RX_BUF[USART1_RX_STA&0X7FFF]=USART1_NewData; 					      USART1_RX_STA++;  									      if(USART1_RX_STA>(USART1_REC_LEN-1))USART1_RX_STA=0;			//num = USART1_RX_BUF[USART1_RX_STA];						HAL_UART_Receive_IT(&huart1,(uint8_t *)&USART1_NewData,1);						num = USART1_RX_BUF[USART1_RX_STA-1];						num2 = USART1_RX_BUF[USART1_RX_STA-2];			num3 = USART1_RX_BUF[USART1_RX_STA-3];			    }		}

上述UART代码，利用 UART 中断函数进行读取 USART1_NewData 的数值，因为我们最大传输的数字为3位数，所以我们分别读取缓存数组中最近的 3 个字节数据（树莓派4B发送过来的是字符串，也就是被转换成了对应数字的ASCII数值，例如：发送过来100，则STM32端接收到的为49 49 48 这3个字节）。

3.3.3 数据解码代码

control.c：

#include "control.h"#include "uart.h"#include "tim.h"#include "oled.h"int num;int num2;int num3;int value;int flag;int last;void TargetTracking(){	flag = USART1_RX_STA - last;					last = USART1_RX_STA;		value = (num3-48) * 100 + (num2-48) * 10 + (num-48) * 1;		OLED_ShowStr(10,2,"Object Center",2);	OLED_Showdecimal(45,4,value,3,1,16);		if(flag == 2)	{		value = (num2-48) * 10 + (num-48) * 1;		OLED_Showdecimal(40,4,value,3,1,16);	}	}

这里默认都是 3 位数，所以之间按照 UART 数据传输高低位的数据将数据-48变为实际的数字，在×对应的比例即可得到实际值！flag 则是通过 USART1_RX_STA 变量的变化值判断一次传输过来几个字节的数据，可以判断是几位数！

读者朋友可以根据自己实际情况更改上述代码为己所用！

代码运行之后：

四、高级应用

智能小车的目标追踪

树莓派4B通常会出现在基于视觉技术进行规定目标的追踪，这个时候往往需要树莓派4B读取到目标框数据，然后发送给STM32下位机，之后STM32根据这些目标框信息来进行逻辑上的控制。

作者这里以上一篇博客的网络模型检测结果为例，代码如下：

import cv2import numpy as npimport onnxruntime as ortimport serialimport timeser = serial.Serial('/dev/ttyAMA0',115200)def plot_one_box(x, img, color=None, label=None, line_thickness=None):    """    description: Plots one bounding box on image img,                 this function comes from YoLov5 project.    param:         x:      a box likes [x1,y1,x2,y2]        img:    a opencv image object        color:  color to draw rectangle, such as (0,255,0)        label:  str        line_thickness: int    return:        no return    """    tl = (        line_thickness or round(0.002 * (img.shape[0] + img.shape[1]) / 2) + 1    )  # line/font thickness    color = color or [random.randint(0, 255) for _ in range(3)]    c1, c2 = (int(x[0]), int(x[1])), (int(x[2]), int(x[3]))            ser.write(str(int((int(x[2])-int(x[0]))/2+int(x[0]))).encode())    print(int((int(x[2])-int(x[0]))/2+int(x[0])))            cv2.rectangle(img, c1, c2, color, thickness=tl, lineType=cv2.LINE_AA)    if label:        tf = max(tl - 1, 1)  # font thickness        t_size = cv2.getTextSize(label, 0, fontScale=tl / 3, thickness=tf)[0]        c2 = c1[0] + t_size[0], c1[1] - t_size[1] - 3        cv2.rectangle(img, c1, c2, color, -1, cv2.LINE_AA)  # filled        cv2.putText(            img,            label,            (c1[0], c1[1] - 2),            0,            tl / 3,            [225, 255, 255],            thickness=tf,            lineType=cv2.LINE_AA,        )def _make_grid( nx, ny):        xv, yv = np.meshgrid(np.arange(ny), np.arange(nx))        return np.stack((xv, yv), 2).reshape((-1, 2)).astype(np.float32)def cal_outputs(outs,nl,na,model_w,model_h,anchor_grid,stride):        row_ind = 0    grid = [np.zeros(1)] * nl    for i in range(nl):        h, w = int(model_w/ stride[i]), int(model_h / stride[i])        length = int(na * h * w)        if grid[i].shape[2:4] != (h, w):            grid[i] = _make_grid(w, h)        outs[row_ind:row_ind + length, 0:2] = (outs[row_ind:row_ind + length, 0:2] * 2. - 0.5 + np.tile(            grid[i], (na, 1))) * int(stride[i])        outs[row_ind:row_ind + length, 2:4] = (outs[row_ind:row_ind + length, 2:4] * 2) ** 2 * np.repeat(            anchor_grid[i], h * w, axis=0)        row_ind += length    return outsdef post_process_opencv(outputs,model_h,model_w,img_h,img_w,thred_nms,thred_cond):    conf = outputs[:,4].tolist()    c_x = outputs[:,0]/model_w*img_w    c_y = outputs[:,1]/model_h*img_h    w  = outputs[:,2]/model_w*img_w    h  = outputs[:,3]/model_h*img_h    p_cls = outputs[:,5:]    if len(p_cls.shape)==1:        p_cls = np.expand_dims(p_cls,1)    cls_id = np.argmax(p_cls,axis=1)    p_x1 = np.expand_dims(c_x-w/2,-1)    p_y1 = np.expand_dims(c_y-h/2,-1)    p_x2 = np.expand_dims(c_x+w/2,-1)    p_y2 = np.expand_dims(c_y+h/2,-1)    areas = np.concatenate((p_x1,p_y1,p_x2,p_y2),axis=-1)        areas = areas.tolist()    ids = cv2.dnn.NMSBoxes(areas,conf,thred_cond,thred_nms)    if len(ids)>0:        return  np.array(areas)[ids],np.array(conf)[ids],cls_id[ids]    else:        return [],[],[]def infer_img(img0,net,model_h,model_w,nl,na,stride,anchor_grid,thred_nms=0.4,thred_cond=0.5):    # 图像预处理    img = cv2.resize(img0, [model_w,model_h], interpolation=cv2.INTER_AREA)    img = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2RGB)    img = img.astype(np.float32) / 255.0    blob = np.expand_dims(np.transpose(img, (2, 0, 1)), axis=0)    # 模型推理    outs = net.run(None, {net.get_inputs()[0].name: blob})[0].squeeze(axis=0)    # 输出坐标矫正    outs = cal_outputs(outs,nl,na,model_w,model_h,anchor_grid,stride)    # 检测框计算    img_h,img_w,_ = np.shape(img0)    boxes,confs,ids = post_process_opencv(outs,model_h,model_w,img_h,img_w,thred_nms,thred_cond)    return  boxes,confs,idsif __name__ == "__main__":    # 模型加载    model_pb_path = "best.onnx"    so = ort.SessionOptions()    net = ort.InferenceSession(model_pb_path, so)        # 标签字典    dic_labels= {0:'drug',            1:'glue',            2:'prime'}        # 模型参数    model_h = 320    model_w = 320    nl = 3    na = 3    stride=[8.,16.,32.]    anchors = [[10, 13, 16, 30, 33, 23], [30, 61, 62, 45, 59, 119], [116, 90, 156, 198, 373, 326]]    anchor_grid = np.asarray(anchors, dtype=np.float32).reshape(nl, -1, 2)        video = 0    cap = cv2.VideoCapture(video)    flag_det = False    while True:        success, img0 = cap.read()        if success:                        if flag_det:                t1 = time.time()                det_boxes,scores,ids = infer_img(img0,net,model_h,model_w,nl,na,stride,anchor_grid,thred_nms=0.4,thred_cond=0.5)                t2 = time.time()                                            for box,score,id in zip(det_boxes,scores,ids):                    label = '%s:%.2f'%(dic_labels[id],score)                                plot_one_box(box.astype(np.int16), img0, color=(255,0,0), label=label, line_thickness=None)                                    str_FPS = "FPS: %.2f"%(1./(t2-t1))                                cv2.putText(img0,str_FPS,(50,50),cv2.FONT_HERSHEY_COMPLEX,1,(0,255,0),3)                                        cv2.imshow("video",img0)        key=cv2.waitKey(1) & 0xFF            if key == ord('q'):                    break        elif key & 0xFF == ord('s'):            flag_det = not flag_det            print(flag_det)                cap.release()

作者上述代码仅以目标物体中心的 x 轴坐标为例，控制机理是这样的：当 x 数值大于320（图片为640×640）时候控制小车向便宜右偏移，反之则向左偏移。目标框的w，h则可以根据实际情况设置阈值，控制小车的前进速度。当目标框的宽度 w 太小时候，加速小车前进，反之则减速！

作者有话：

目前的 YOLOv-Lite 网络模型的 FPS 还是太低了，在该 FPS 下去进行目标追踪的控制是非常困难的。此外，实际情况下搭载在小车亦或是航行器的 Camera 在拍摄过程中避免不了强烈的高斯白噪，需要加卡尔曼滤波进行优化目标框信息！

所以，后续作者将推出可以基于视觉追踪实战的网络模型和目标追踪代码，感兴趣的读者朋友可以期待一下！