Hướng dẫn xử lý chuỗi trong lập trình vi điều khiển (P3)

TAPIT

3 years ago

Khi lập trình vi điều khiển, nhiều trường hợp chúng ta cần làm việc với các dữ liệu ở dạng chuỗi ký tự, ví dụ như đóng gói các dữ liệu thành một chuỗi để lưu trữ hoặc gửi đi, nhận dữ liệu, bóc tách dữ liệu từ các bản tin nhận được để sử dụng. Xử lý chuỗi là một chủ đề quan trọng khi lập trình vi điều khiển, nhất là khi các hệ thống nhúng, IoTs ngày càng phát triển dẫn đến việc trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị ngày càng nhiều. Xử lý chuỗi là một thử thách với rất nhiều bạn sinh viên / kỹ sư phần mềm nhúng – những người mới bắt đầu. Với tài liệu này, các kiến thức cơ bản liên quan đến khai báo, lưu trữ, xử lý chuỗi sẽ được tổng hợp lại và được mô tả, hướng dẫn thông qua những ví dụ, tình huống cụ thể, thường gặp.

Phần 1 – Một số khái niệm và các hàm chức năng

Phần 2 – Các hàm chức năng thường gặp

Tiếp tục với phần 1 và phần 2 của chuỗi bài viết, tại phần 3 (phần cuối) mình sẽ hướng dẫn các bạn thực hiện Ví dụ thực hành xử lý chuỗi trên Vi điều khiển STM32.

Phần 3. Hướng dẫn ví dụ thực hành xử lý chuỗi trên Vi điều khiển

3.1. Ví dụ thực hành

Vi điều khiển (device) và máy tính giao tiếp với nhau qua giao tiếp UART thông qua giao diện terminal (ví dụ Hercules). Trên thiết bị sẽ có một mã ID của thiết bị và có 2 đèn led (LED1 và LED2). Trên máy tính, thông qua giao diện terminal có thể cấu hình và đọc được ID của thiết bị, thay đổi trạng thái của các đèn LED. Viết chương trình điều khiển đơn giản sử dụng các lệnh sau để giao tiếp giữa máy tính và thiết bị:

Cú pháp cài đặt mã ID cho thiết bị và phản hồi:
- Máy tính: +SET_DEV_ID:<ID>\r\n ; ID dài 6 ký tự.
- Thiết bị: +OK\r\n hoặc +ERROR\r\n
Lấy mã ID của thiết bị
- Máy tính: +GET_DEV_ID\r\n
  - Thiết bị: +ID:123456\r\nOK\r\n hoặc +ERROR:undefined\r\n hoặc +ERROR
Cấu hình trạng thái của đèn LED
- Máy tính: +SET_LED_ STATE:n,s\r\n
  - n là đèn led muốn cấu hình (n = 1, 2)
  - s là trạng thái muốn cấu hình, s = 0: tắt LED, s = 1: bật LED.
- Thiết bị: +OKE\r\n hoặc +ERROR\r\n
Lấy trạng thái của đèn LED
- Máy tính: +GET_LED_STATE:n\r\n
  - n là đèn LEDmuốn lấy trạng thái (n = 1, 2)
- Thiết bị: +LED:n,s\r\nOK\r\n
  - n là đèn LEDmuốn lấy cấu hình (n = 1, 2)
  - s là trạng thái (ON, OFF).

3.2. Phân tích bài toán

Chúng ta cần phải xem qua các command và phản hồi của nó để lựa chọn cách xử lý.

Để nhận dạng các lệnh thì phải xem trong dữ liệu nhận được có các command hay không bằng cách sử dụng lệnh strstr() hoặc sử dụng lệnh so sánh chuỗi strcmp().
Như các command ở trên, mình nhận thấy rằng các command đều có độ dài chuỗi sẽ không thay đổi, lúc này mình sẽ dựa vào đó để kiểm tra lệnh có đúng hay không, lúc này mình sẽ sử dụng hàm strlen().
Ở các câu lệnh cấu hình thì sẽ chứa mã ID, đèn LED và trạng thái của LED cần cấu hình, chúng ta cần phải tách được các tham số và giá trị này để có thể xử lý đúng. Mình thường sử dụng hàm strtok() để ngắt chuỗi nhận được thành các token rồi xử lý.
Một số phản hồi chứa nhiều định dạng khác nhau như số nguyên, mảng ký tự cần chuyển thành một chuỗi để truyền đi thì sử dụng hàm sprintf().
Ngoài ra, mình còn sử dụng các hàm như atoi() để chuyển từ ký tự thành số nguyên.

3.3. Cấu hình phần cứng

Khởi tạo giao tiếp UART với các tham số mặc định, bật ngắt.
Cấu hình 2 chân OUTPUT cho 2 đèn LED.

3.4. Mã chương trình tham khảo

#include "main.h"
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

enum eCommand
{
   SET_DEV_ID = 1,
   SET_LED_STATE,
   GET_DEV_ID,
   GET_LED_STATE,
};

UART_HandleTypeDef huart2;
char rxBuffer[50] = {0}; //Khai báo bộ đệm để chứa dữ liệu đến
enum eCommand eCmd = 0;
char deviceID[7] = {0}; //Lưu ID của thiết bị
uint8_t ledOrder = 0; //Số thứ tự của led
uint8_t ledState = 0; //Trạng thái của đèn led
uint8_t rxFlag = 0;

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART2_UART_Init(void);

/* In phản hồi ra màn hình terminal */
void response(char *string);

/* Xoá bộ đệm nhận dữ liệu */
void deleteRxData();

/* Kiểm tra dữ liệu nhận được là command nào */
void checkCommand();

/* Hàm cấu hình ID cho thiết bị */
void setDeviceID();

/* Hàm lấy ID của thiết bị */
void getDeviceID();

/* Hàm cấu hình trạng thái cho đèn led */
void setLedState();

/* Hàm lấy trạng thái của đèn led */
void getLedState();

int main(void)
{
   HAL_Init();
   SystemClock_Config();
   MX_GPIO_Init();
   MX_USART2_UART_Init();
   HAL_Delay(2000);
   HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT(&huart2, (uint8_t *) rxBuffer, 50);
   while (1)
   {
      if(rxFlag == 1)
      {
         commandHandler();
         rxFlag = 0;
      }
   }
}

/* In phản hồi ra màn hình terminal */
void response(char *string)
{
   HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *) string, strlen(string), 1000);
}

/* Xoá bộ đệm nhận dữ liệu */
void deleteRxData()
{
   memset(rxBuffer, '\0', 50);
}

/* Kiểm tra dữ liệu nhận được là command nào */
void checkCommand()
{
   if( strstr(rxBuffer, "*SET_DEV_ID:") != NULL)
      eCmd = SET_DEV_ID;
   else if(strstr(rxBuffer, "*GET_DEV_ID") != NULL)
      eCmd = GET_DEV_ID;
   else if(strstr(rxBuffer, "*SET_LED_STATE:") != NULL)
      eCmd = SET_LED_STATE;
   else if(strstr(rxBuffer, "*GET_LED_STATE:") != NULL)
      eCmd = GET_LED_STATE;
   else
      eCmd = 0;
}

/* Hàm cấu hình ID cho thiết bị */
void setDeviceID()
{
   /* Kiểm tra độ dài của command +SET_DEV_ID:123456\r\n */
   if(strlen(rxBuffer) == 20)
   {
      /*Tách ID thiết bị */
      //Cách 1: sử dụng strtok
      char *token = NULL;
      token = strtok(rxBuffer, ":"); //+SET_DEV_ID
      token = strtok(NULL, "\r"); //123456
      memcpy(deviceID, token, 6); //deviceID = 123456;
      token = NULL;
      //Cách 2: sử dụng memcpy
      //memcpy(deviceID, rxBuffer + 12, 6);
      response("\r\n+OK\r\n ");
   }
   else
   {
      response("\r\n+ERROR:error command\r\n");
   }
}

/* Hàm lấy ID của thiết bị */
void getDeviceID()
{
   /* Kiểm tra độ dài command +GET_DEV_ID\r\n */
   if(strlen(rxBuffer) == 13)
   {
      /* Kiểm tra độ dài của deviceID */
      if(strlen(deviceID) == 0)
      {
         response("\r\n+ERROR:undefined\r\n");
      }
      else
      {
         char *buffer = malloc(20 * sizeof(char));//cấp phát động
         memset(buffer, '\0', 20); //xoá bộ đệm buffer
         sprintf(buffer, "\r\n+ID:%s\r\nOK\r\n", deviceID);
         response(buffer);
         free(buffer);
         buffer = NULL;
      }
   }
   else
   {
      response("+ERROR:error command\r\n");
   }
}

/* Hàm cấu hình trạng thái cho đèn led */
void setLedState()
{
   /* Kiểm tra độ dài của command +SET_LED_STATE:n,s\r\n (n = 1, 2), (s = 0, 1)*/
   if(strlen(rxBuffer) == 20)
   {
      /* Tách số thứ tự của led */
      char *token = NULL;
      token = strtok(rxBuffer, ":"); //+SET_LED_STATE
      token = strtok(NULL, ","); //n
      ledOrder = atoi(token);
      /* Tách trạng thái của led */
      token = strtok(NULL, "\r"); //s
      ledState = atoi(token);
      token = NULL;

      if((ledState == 0) || (ledState) == 1)
      {
         if(ledOrder == 1)
         {
            HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, ledState);
            response("\r\nOK\r\n");
         }
         else if(ledOrder == 2)
         {
            HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, ledState);
            response("\r\nOK\r\n");
         }
         else
            response("\r\n+ERROR:undefined led\r\n");
      }
      else
      {
         response("\r\n+ERROR:undefined state\r\n");
      }

   }
   else
   {
      response("\r\n+ERROR:error command\r\n");
   }
}

/* Hàm lấy trạng thái của đèn led */
void getLedState()
{
   /* Kiểm tra độ dài command +GET_LED_STATE:n\r\n */
   if(strlen(rxBuffer) == 18)
   {
      char *token = NULL;
      token = strtok(rxBuffer, ":"); //+SET_LED_STATE
      /* Tách thứ tự của led */
      token = strtok(NULL, "\r"); //s
      ledOrder = atoi(token);
      token = NULL;

      char buffer[20] = {0};
      if(ledOrder == 1)
      {
         sprintf(buffer, "\r\n+LED:%d,%d\r\nOK\r\n", ledOrder, HAL_GPIO_ReadPin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin));
         response(buffer);
      }
      else if(ledOrder == 2)
      {
         sprintf(buffer, "\r\n+LED:%d,%d\r\nOK\r\n", ledOrder, HAL_GPIO_ReadPin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin));
         response(buffer);
      }
      else
         response("\r\n+ERROR:undefined led\r\n");
   }
   else
   {
      response("\r\n+ERROR:error command\r\n");
   }
}

/* Hàm xử lý chính */
void commandHandler()
{
   switch(eCmd)
   {
      case SET_DEV_ID:
      setDeviceID();
      break;
      case GET_DEV_ID:
      getDeviceID();
      break;
      case SET_LED_STATE:
      setLedState();
      break;
      case GET_LED_STATE:
      getLedState();
      break;
      default:
      break;
   }
   eCmd = 0;
   deleteRxData();
}

/* Hàm gọi lại xử lý phục vụ ngắt UART */
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
{
   if(huart -> Instance == USART2) 
   {
      checkCommand();
      rxFlag = 1;
      //HAL_UART_Transmit(huart, (uint8_t *) "\n", 1, 100);
      //HAL_UART_Transmit(huart, (uint8_t *) rxBuffer, strlen(rxBuffer), 100);
      HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT(huart, (uint8_t *) rxBuffer, 50);
   }
}

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

143

144

145

146

147

148

149

150

151

152

153

154

155

156

157

158

159

160

161

162

163

164

165

166

167

168

169

170

171

172

173

174

175

176

177

178

179

180

181

182

183

184

185

186

187

188

189

190

191

192

193

194

195

196

197

198

199

200

201

202

203

204

205

206

207

208

209

210

211

212

213

214

215

216

217

218

219

220

221

222

223

224

225

226

227

228

229

230

231

232

233

234

235

236

237

238

239

240

241

242

243

244

245

246

247

248

249

250

251

252

253

#include "main.h"

#include <string.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

enum eCommand

{

SET_DEV_ID = 1,

SET_LED_STATE,

GET_DEV_ID,

GET_LED_STATE,

};

UART_HandleTypeDef huart2;

char rxBuffer[50] = {0}; //Khai báo bộ đệm để chứa dữ liệu đến

enum eCommand eCmd = 0;

char deviceID[7] = {0}; //Lưu ID của thiết bị

uint8_t ledOrder = 0; //Số thứ tự của led

uint8_t ledState = 0; //Trạng thái của đèn led

uint8_t rxFlag = 0;

void SystemClock_Config(void);

static void MX_GPIO_Init(void);

static void MX_USART2_UART_Init(void);

/* In phản hồi ra màn hình terminal */

void response(char *string);

/* Xoá bộ đệm nhận dữ liệu */

void deleteRxData();

/* Kiểm tra dữ liệu nhận được là command nào */

void checkCommand();

/* Hàm cấu hình ID cho thiết bị */

void setDeviceID();

/* Hàm lấy ID của thiết bị */

void getDeviceID();

/* Hàm cấu hình trạng thái cho đèn led */

void setLedState();

/* Hàm lấy trạng thái của đèn led */

void getLedState();

int main(void)

{

HAL_Init();

SystemClock_Config();

MX_GPIO_Init();

MX_USART2_UART_Init();

HAL_Delay(2000);

HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT(&huart2, (uint8_t *) rxBuffer, 50);

while (1)

{

if(rxFlag == 1)

{

commandHandler();

rxFlag = 0;

}

/* In phản hồi ra màn hình terminal */

void response(char *string)

{

HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *) string, strlen(string), 1000);

}

/* Xoá bộ đệm nhận dữ liệu */

void deleteRxData()

{

memset(rxBuffer, '\0', 50);

}

/* Kiểm tra dữ liệu nhận được là command nào */

void checkCommand()

{

if( strstr(rxBuffer, "*SET_DEV_ID:") != NULL)

eCmd = SET_DEV_ID;

else if(strstr(rxBuffer, "*GET_DEV_ID") != NULL)

eCmd = GET_DEV_ID;

else if(strstr(rxBuffer, "*SET_LED_STATE:") != NULL)

eCmd = SET_LED_STATE;

else if(strstr(rxBuffer, "*GET_LED_STATE:") != NULL)

eCmd = GET_LED_STATE;

else

eCmd = 0;

}

/* Hàm cấu hình ID cho thiết bị */

void setDeviceID()

{

/* Kiểm tra độ dài của command +SET_DEV_ID:123456\r\n */

if(strlen(rxBuffer) == 20)

{

/*Tách ID thiết bị */

//Cách 1: sử dụng strtok

char *token = NULL;

token = strtok(rxBuffer, ":"); //+SET_DEV_ID

token = strtok(NULL, "\r"); //123456

memcpy(deviceID, token, 6); //deviceID = 123456;

token = NULL;

//Cách 2: sử dụng memcpy

//memcpy(deviceID, rxBuffer + 12, 6);

response("\r\n+OK\r\n ");

}

else

{

response("\r\n+ERROR:error command\r\n");

}

/* Hàm lấy ID của thiết bị */

void getDeviceID()

{

/* Kiểm tra độ dài command +GET_DEV_ID\r\n */

if(strlen(rxBuffer) == 13)

{

/* Kiểm tra độ dài của deviceID */

if(strlen(deviceID) == 0)

{

response("\r\n+ERROR:undefined\r\n");

}

else

{

char *buffer = malloc(20 * sizeof(char));//cấp phát động

memset(buffer, '\0', 20); //xoá bộ đệm buffer

sprintf(buffer, "\r\n+ID:%s\r\nOK\r\n", deviceID);

response(buffer);

free(buffer);

buffer = NULL;

}

else

{

response("+ERROR:error command\r\n");

}

/* Hàm cấu hình trạng thái cho đèn led */

void setLedState()

{

/* Kiểm tra độ dài của command +SET_LED_STATE:n,s\r\n (n = 1, 2), (s = 0, 1)*/

if(strlen(rxBuffer) == 20)

{

/* Tách số thứ tự của led */

char *token = NULL;

token = strtok(rxBuffer, ":"); //+SET_LED_STATE

token = strtok(NULL, ","); //n

ledOrder = atoi(token);

/* Tách trạng thái của led */

token = strtok(NULL, "\r"); //s

ledState = atoi(token);

token = NULL;

if((ledState == 0) || (ledState) == 1)

{

if(ledOrder == 1)

{

HAL_GPIO_WritePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin, ledState);

response("\r\nOK\r\n");

}

else if(ledOrder == 2)

{

HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, ledState);

response("\r\nOK\r\n");

}

else

response("\r\n+ERROR:undefined led\r\n");

}

else

{

response("\r\n+ERROR:undefined state\r\n");

}

else

{

response("\r\n+ERROR:error command\r\n");

}

/* Hàm lấy trạng thái của đèn led */

void getLedState()

{

/* Kiểm tra độ dài command +GET_LED_STATE:n\r\n */

if(strlen(rxBuffer) == 18)

{

char *token = NULL;

token = strtok(rxBuffer, ":"); //+SET_LED_STATE

/* Tách thứ tự của led */

token = strtok(NULL, "\r"); //s

ledOrder = atoi(token);

token = NULL;

char buffer[20] = {0};

if(ledOrder == 1)

{

sprintf(buffer, "\r\n+LED:%d,%d\r\nOK\r\n", ledOrder, HAL_GPIO_ReadPin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin));

response(buffer);

}

else if(ledOrder == 2)

{

sprintf(buffer, "\r\n+LED:%d,%d\r\nOK\r\n", ledOrder, HAL_GPIO_ReadPin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin));

response(buffer);

}

else

response("\r\n+ERROR:undefined led\r\n");

}

else

{

response("\r\n+ERROR:error command\r\n");

}

/* Hàm xử lý chính */

void commandHandler()

{

switch(eCmd)

{

case SET_DEV_ID:

setDeviceID();

break;

case GET_DEV_ID:

getDeviceID();

break;

case SET_LED_STATE:

setLedState();

break;

case GET_LED_STATE:

getLedState();

break;

default:

break;

}

eCmd = 0;

deleteRxData();

}

/* Hàm gọi lại xử lý phục vụ ngắt UART */

void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)

{

if(huart -> Instance == USART2)

{

checkCommand();

rxFlag = 1;

//HAL_UART_Transmit(huart, (uint8_t *) "\n", 1, 100);

//HAL_UART_Transmit(huart, (uint8_t *) rxBuffer, strlen(rxBuffer), 100);

HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT(huart, (uint8_t *) rxBuffer, 50);

}

3.5. Kết quả thực hiện

Hình 1. Cài đặt mã ID và lấy mã ID trên thiết bị

Hình 2. Cấu hình trạng thái LED và lấy trạng thái LED trên thiết bị

TỔNG KẾT

Qua chuỗi bài viết này, chúng ta đã tìm hiểu về khai báo chuỗi và xử lý chuỗi bằng những hàm thường sử dụng được hỗ trợ bởi các thư viện C, các ví dụ cụ thể của các hàm cũng đã được trình bày một cách chi tiết. Chuỗi bài viết cũng đưa ra một ví dụ trường hợp sử dụng trên vi điều khiển STM32. Có thể thấy, xử lý chuỗi là một chủ đề rất quan trọng khi lập trình vi điều khiển với các bài toán truyền, nhận, đóng gói, bóc tách, phân tích dữ liệu. Bên cạnh những vấn đề phổ biến được nêu ra trong bài viết, các bạn cũng có thể tìm hiểu thêm các vấn đề nâng cao như toàn vẹn dữ liệu với các phương pháp kiểm tra lỗi như CRC, checksum, hash, cũng như bảo mật dữ liệu với các kỹ thuật mã hóa và giải mã.

Chúc các bạn thành công!

H.V.Binh, N.T.Nhien & N.H.N.Thuong

Tìm hiểu thêm:

Tổng hợp hướng dẫn Internet of Things với NodeMCU ESP8266 và ESP32

Tổng hợp các bài hướng dẫn Lập trình vi điều khiển STM32

[HỌC ONLINE: LẬP TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN STM32, VI XỬ LÝ ARM CORTEX – M]

Fanpage Cộng đồng Kỹ thuật TAPIT: TAPIT – Learning, Research and Sharing Community