Монитор порта

Консоль #

Самый простой способ получить обратную связь от программы - вывод данных в консоль - окно ввода-вывода текстовых данных для взаимодействия с программой. Это самый простой способ отладки кода - отправлять из программы данные на разных участках её выполнения, выводить ошибки, показания датчиков и прочее. Если речь идёт о компьютере, то программа выполняется на компьютере и консоль расположена там же, выполнением программы и выводом в консоль занимается один и тот же процессор. Для примера можно открыть онлайн-компилятор OneCompiler, в нём будет минимальный пример, который выводит в консоль строку "Hello, World!". Если запустить программу - можно увидеть эту строку в консоли:

UART #

С Arduino ситуация немного иная - программа выполняется на отдельном устройстве со своим процессором, к которому нет такого прямого доступа. Arduino подключается к компьютеру по USB, на самой плате USB гнездо подключено не напрямую к микроконтроллеру - он не умеет с ним работать - а к USB-UART преобразователю. UART - это универсальный приёмник-передатчик, почти все микроконтроллеры имеют такой интерфейс для связи с внешними устройствами. UART представлен двумя пинами RX (Receive, приём) и TX (Transmit, передача) - именно к ним и подключен преобразователь. Взглянем на плату Arduino Nano:

С его помощью Arduino может принимать и отправлять данные по USB проводу.

COM порт #

Компьютер взаимодействует именно с USB-UART преобразователем, он не знает, что это плата Arduino. При подключении Arduino на стороне компьютера создаётся виртуальный COM порт (последовательный порт) - именно так компьютер видит нашу плату:

То есть на стороне микроконтроллера для связи используется UART, а на стороне компьютера - COM порт.

Монитор порта #

Чтобы работать с портом на стороне компьютера, понадобится монитор порта - программа, которая умеет отправлять и читать данные с COM порта. Таких программ много и подойдёт любая, но в Arduino IDE есть свой встроенный монитор порта, что очень удобно. Чтобы начать работу, нужно выбрать порт (тот же, что был выбран для загрузки прошивки) и открыть монитор:

В окне монитора порта есть несколько важных настроек:

• Скорость - скорость связи. Должна совпадать со скоростью UART, установленной в программе на микроконтроллере. Обычно 9600 или 115200
• Конечный символ - символ, который будет добавляться в конце текста при отправке из монитора порта

Serial #

Для работы с портом на стороне Arduino используется системный объект Serial, он позволяет читать и отправлять данные.

Перед началом работы нужно запустить связь с указанием скорости - метод begin:

void setup() {
    Serial.begin(115200);   // запустить связь на скорости 115200 бод
}

Также можно остановить общение по Serial:

Serial.end();

Отправка #

Для отправки используются методы print(любые данные) и println(любые данные) - первый просто печатает данные, второй печатает и переносит строку. Давайте напишем классический пример, который выводит строку "Hello, World!" в консоль:

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    Serial.println("Hello, World!");
}

void loop() {
}

Загрузите программу и откройте монитор порта на скорости 115200:

Ещё несколько примеров:

void setup() {
    Serial.begin(115200);

    Serial.print("Hello");      // строка
    Serial.print(',');          // символ
    Serial.println(" World!");  // строка с переносом

    Serial.println(12345);      // число по основанию 10 (по умолчанию)
    Serial.println(12345, BIN); // число по основанию 2

    Serial.println(3.1415);     // десятичная дробь, точность 2 знака по умолчанию
    Serial.println(3.1415, 4);  // десятичная дробь, точность 4 знака

    Serial.println();           // просто перевод строки
}

void loop() {
}

В дальнейших уроках мы будем пользоваться выводом в Serial для визуализации того, что происходит в программе.

Чтение #

В монитор порта также можно отправлять данные и читать их из программы. Эта глава немного забегает вперёд, но должна быть здесь. Возвращайтесь к ней позже, если что-то будет непонятно.

Для проверки наличия входящих данных используется метод available() - он вернёт количество входящих байт. В таком условии можно проверить, что есть хотя бы один байт для чтения:

void loop() {
    if (Serial.available()) {
        // есть входящие данные
    }
}

Пока данные не будут прочитаны - они так и будут висеть на приёме - в приёмном буфере на стороне МК.

Символы #

Давайте отправим в порт обратно принятые данные, для этого их сначала нужно прочитать - метод read(). Он возвращает тип int, но сами данные подразумевают байт, а если данные отправлены из монитора порта - то это всегда символ char. Для конвертации принятого значения в символ нужно просто привести его к символьному типу - (char)Serial.read(), например для отправки обратно в порт.

void setup() {
    Serial.begin(115200);
}

void loop() {
    if (Serial.available()) {
        Serial.print((char)Serial.read());
    }
}

Отправьте что-нибудь в монитор порта - этот текст придёт обратно.

Строки #

Текст в монитор порта отправляется и принимается посимвольно - в примере выше мы его посимвольно принимаем и выводим. Можно прочитать весь текст из порта как String-строку:

void setup() {
    Serial.begin(115200);
}

void loop() {
    if (Serial.available()) {
        String s = Serial.readString();
        Serial.println(s);
    }
}

Отправьте текст в монитор - он придёт обратно, но с ощутимой задержкой. Метод readString() является блокирующим - он собирает строку посимвольно, ожидая поступления новых символов. Если после получения символа проходит тайм-аут - передача считается завершённой и возвращается строка. Тайм-аут можно настроить - Serial.setTimeout(миллисекунды), по умолчанию установлен 1000 мс. Поставьте например 50:

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    Serial.setTimeout(50);
}

void loop() {
    if (Serial.available()) {
        String s = Serial.readString();
        Serial.println(s);
    }
}

Теперь между отправкой в монитор и получением текста обратно не будет такой заметной паузы.

Ещё один вариант - терминирующий символ. Он отправляется в конце текста и будет сигналом конца строки, чтобы МК не ждал тайм-аут. Чтение строки такого формата выполняется методом readStringUntil(символ), пусть таким символом будет точка с запятой - ';':

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    // стандартный тайм-аут
}

void loop() {
    if (Serial.available()) {
        String s = Serial.readStringUntil(';');
        Serial.println(s);
    }
}

Отправьте какой-нибудь текст, например test - он вернётся с задержкой. А если отправить test; - без задержки.

В мониторе порта можно настроить терминирующий символ, NL (New Line) или CR (Carriage Return) или оба. Поставьте в мониторе NL, а в качестве символа в программе - '\n'. Теперь любой отправленный текст будет приниматься без задержки.

Числа #

Когда мы отправляем в монитор порта число 1234, то МК получит по очереди символы '1', '2', '3', '4'. Как преобразовать их обратно в численный тип?

• Можно принять символы и собрать их в число вручную
• Можно прочитать строку через readString() как выше, затем вывести из строки через toInt() или toFloat():

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    Serial.setTimeout(50);
}

void loop() {
    if (Serial.available()) {
        String s = Serial.readString();
        int i = s.toInt();
        Serial.println(i);
    }
}

• Можно использовать встроенный парсер Serial - parseInt() или parseFloat():

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    Serial.setTimeout(50);
}

void loop() {
    if (Serial.available()) {
        int i = Serial.parseInt();
        Serial.println(i);
    }
}