《基于構(gòu)件化的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 課件 項(xiàng)目3、4 GPIO和定時(shí)器的綜合應(yīng)用-實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示、鍵盤檢測與控制、測溫功能；利用UART實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可移植和可復(fù)用，嵌入式硬件和嵌入式軟件均采用構(gòu)件化的設(shè)計(jì)思想，即對嵌入式硬件和嵌入式軟件進(jìn)行封裝，供系統(tǒng)設(shè)計(jì)者調(diào)用，并倡導(dǎo)嵌入式軟件分層設(shè)計(jì)的理念，以大幅度降低嵌入式技術(shù)學(xué)習(xí)難度和開發(fā)難度。

本書特色：項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)，突出學(xué)以致用，注重實(shí)踐創(chuàng)新。每個(gè)項(xiàng)目且均采用了“通用知識”→“嵌入式構(gòu)件設(shè)計(jì)”→“應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)”→“學(xué)以致用與創(chuàng)新”的學(xué)習(xí)流程。采用“搭積木”的思想，逐步提高嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。

本書可作為高等學(xué)校電子信息類、計(jì)算機(jī)類、自動(dòng)化類等專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)教材，也可作為嵌入式技術(shù)培訓(xùn)教材，還可供從事嵌入式技術(shù)開發(fā)的工程技術(shù)人員參考。項(xiàng)目1：GPIO基礎(chǔ)應(yīng)用—實(shí)現(xiàn)閃燈和開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能項(xiàng)目2：利用定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)頻閃燈項(xiàng)目3：GPIO和定時(shí)器的綜合應(yīng)用—實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示、鍵盤測控、測溫功能項(xiàng)目4：利用

UART

實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信項(xiàng)目5：利用

Timer

實(shí)現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能項(xiàng)目6：利用

ADC

設(shè)計(jì)簡易數(shù)字電壓表項(xiàng)目7：利用

SPI

實(shí)現(xiàn)多機(jī)串行通信項(xiàng)目8：利用

CAN

實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信教

材

內(nèi)

容

項(xiàng)目3GPIO和定時(shí)器的綜合應(yīng)用——實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示、鍵盤檢測與控制、測溫功能【項(xiàng)目導(dǎo)讀】

數(shù)碼管和鍵盤分別是嵌入式智能產(chǎn)品中常用的輸出設(shè)備和輸入設(shè)備。有些實(shí)際工程應(yīng)用中需要對溫度進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)某種控制功能。本項(xiàng)目是在項(xiàng)目1和項(xiàng)目2的基礎(chǔ)上，綜合利用GPIO和定時(shí)器實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示、鍵盤檢測與控制、測溫功能。【學(xué)習(xí)目標(biāo)】（1）掌握數(shù)碼管的通用知識，包括數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)、基于MCU直接控制的數(shù)碼管硬件構(gòu)件設(shè)計(jì)方法、數(shù)碼管的筆形碼、基于MCU直接控制的數(shù)碼管顯示原理。（2）掌握鍵盤的通用知識，包括鍵盤的基本問題和兩種接口方式。（3）熟悉帶鍵盤掃描接口的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)控制專用芯片TM1637的功能特點(diǎn)，掌握基于TM1637的數(shù)碼管和鍵盤硬件構(gòu)件設(shè)計(jì)方法和軟件構(gòu)件設(shè)計(jì)方法。（4）掌握基于TM1637的數(shù)碼管顯示和鍵盤檢測與控制的應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)方法。（5）熟悉1線數(shù)字式測溫器件DS18B20的主要特點(diǎn)，掌握基于DS18B20的測溫硬件構(gòu)件設(shè)計(jì)方法和軟件構(gòu)件設(shè)計(jì)方法。（6）掌握基于DS18B20的測溫功能應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)方法。項(xiàng)目3GPIO和定時(shí)器的綜合應(yīng)用——實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示、鍵盤檢測與控制、測溫功能任務(wù)3.1掌握數(shù)碼管的通用知識3.1.1數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)任務(wù)3.1掌握數(shù)碼管的通用知識3.1.2基于MCU直接控制的數(shù)碼管硬件構(gòu)件設(shè)計(jì)

MCU需要9個(gè)GPIO引腳控制1位數(shù)碼管，因此，若MCU直接控制4位獨(dú)立數(shù)碼管，則需要36個(gè)GPIO引腳，這將導(dǎo)致硬件電路連接復(fù)雜、MCU的GPIO引腳資源緊張。數(shù)據(jù)線位選線任務(wù)3.1掌握數(shù)碼管的通用知識3.1.2基于MCU直接控制的數(shù)碼管硬件構(gòu)件設(shè)計(jì)

MCU直接控制四位一體組合數(shù)碼管時(shí)，只需12個(gè)GPIO引腳，其中8個(gè)GPIO引腳控制數(shù)碼管的8根數(shù)據(jù)線，4個(gè)GPIO引腳控制數(shù)碼管的4根位選線。任務(wù)3.1掌握數(shù)碼管的通用知識3.1.3數(shù)碼管的筆形碼共陽極數(shù)碼管的筆形碼（不帶小數(shù)點(diǎn)）

若需要編制帶小數(shù)點(diǎn)的筆形碼，只需將此表中的h段改為“0”即可。

若使共陽極數(shù)碼管的某段點(diǎn)亮，則該段對應(yīng)的數(shù)據(jù)線應(yīng)為低電平（邏輯0）。000000110xC00011111

10xF9111

0

00

00

0xA4111

0

0000

0xB01111

00

00

0x99111

00

00

0

0x9211

00000

0

0x8211111

000

0xF81

0000000

0x8011

00

0000

0x90111111110xFF

利用數(shù)組存放筆形碼

若使共陽極數(shù)碼管的某段不點(diǎn)亮，則該段對應(yīng)的數(shù)據(jù)線應(yīng)為高電平（邏輯1）。任務(wù)3.1掌握數(shù)碼管的通用知識3.1.3數(shù)碼管的筆形碼【學(xué)以致用】

填寫表3-3中共陰極數(shù)碼管帶小數(shù)點(diǎn)的“0.”

~

“9.”對應(yīng)的筆形碼。任務(wù)3.1掌握數(shù)碼管的通用知識3.1.4基于MCU直接控制的數(shù)碼管顯示原理1、使某位數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)

例如，若要使第1位數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)“0”，則：

首先需要將位選線LED_CS1置為低電平，而其他位選線置為高電平；

然后將數(shù)碼管數(shù)據(jù)

“0”對應(yīng)的筆形碼0xC0（11000000）送至數(shù)碼管的8根數(shù)據(jù)線即可。011100000011任務(wù)3.1掌握數(shù)碼管的通用知識3.1.4基于MCU直接控制的數(shù)碼管顯示原理2、使多位數(shù)碼管輪流顯示數(shù)據(jù)

例如，若要使4位數(shù)碼管輪流顯示“1”

“2”

“3”

“4”，則程序設(shè)計(jì)流程圖如下：LED_CS1=0;LED_CS2=1;LED_CS3=1;LED_CS4=1;LED_D7~LED_D0=0xF9;

延時(shí)LED_CS1=1;LED_CS2=0;LED_CS3=1;LED_CS4=1;LED_D7~LED_D0=0xA4;

延時(shí)

LED_CS1=1;LED_CS2=1;LED_CS3=0;LED_CS4=1;LED_D7~LED_D0=0xB0;

延時(shí)

LED_CS1=1;LED_CS2=1;LED_CS3=1;LED_CS4=0;LED_D7~LED_D0=0x99;

延時(shí)

任務(wù)3.1掌握數(shù)碼管的通用知識3.1.4基于MCU直接控制的數(shù)碼管顯示原理3、使多位數(shù)碼管“同時(shí)”顯示數(shù)據(jù)

若將延時(shí)時(shí)間縮短至5ms，則給人感覺4位數(shù)碼管

“同時(shí)”顯示“1”

“2”

“3”

“4”（視覺暫留）LED_CS1=0;LED_CS2=1;LED_CS3=1;LED_CS4=1;LED_D7~LED_D0=0xF9;

延時(shí)LED_CS1=1;LED_CS2=0;LED_CS3=1;LED_CS4=1;LED_D7~LED_D0=0xA4;

延時(shí)

LED_CS1=1;LED_CS2=1;LED_CS3=0;LED_CS4=1;LED_D7~LED_D0=0xB0;

延時(shí)

LED_CS1=1;LED_CS2=1;LED_CS3=1;LED_CS4=0;LED_D7~LED_D0=0x99;

延時(shí)

——?jiǎng)討B(tài)掃描顯示5ms5ms5ms5ms【知識鞏固】

簡述數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示的原理和實(shí)現(xiàn)方法。任務(wù)3.2掌握鍵盤的通用知識3.2.1鍵盤的基本問題1、鍵盤操作、抖動(dòng)問題4引腳直插式鍵盤按鍵實(shí)物圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2引腳貼片式鍵盤按鍵實(shí)物圖在嵌入式系統(tǒng)中，有兩種常用的鍵盤按鍵。任務(wù)3.2掌握鍵盤的通用知識3.2.1鍵盤的基本問題1、鍵盤操作、抖動(dòng)問題VCC按下抖動(dòng)釋放抖動(dòng)穩(wěn)定閉合5～10ms5～10ms理想實(shí)際

操作者幾乎感覺不到抖動(dòng)，但MCU以為操作者在此期間連續(xù)操作若干次鍵，從而引起按鍵命令的錯(cuò)誤執(zhí)行或重復(fù)執(zhí)行，因此需要對按鍵抖動(dòng)進(jìn)行處理。（1）濾波去抖：實(shí)現(xiàn)鍵操作時(shí)電壓的變化為理想的矩形波。（2）延時(shí)躲抖：MCU檢測到有鍵被按下時(shí)，先軟件延時(shí)10ms以避開按鍵抖動(dòng)（惹不起但可以躲得起），然后再判斷該鍵是否被按下。例如：電容濾波去抖。0.1uF任務(wù)3.2掌握鍵盤的通用知識3.2.1鍵盤的基本問題2、鍵盤連擊問題

當(dāng)按下某個(gè)鍵時(shí)，如果操作者還沒有釋放該鍵，則MCU以為操作者在連續(xù)操作該鍵（連擊），對應(yīng)的按鍵功能程序?qū)磸?fù)被執(zhí)行。大多數(shù)應(yīng)用場合需要防止連擊，即一次按鍵只讓MCU執(zhí)行一次功能程序，該鍵不釋放就不執(zhí)行第二次。

在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，可這樣做：當(dāng)MCU檢測到某個(gè)鍵被按下時(shí)，只執(zhí)行一次功能程序，然后等待按鍵釋放。任務(wù)3.2掌握鍵盤的通用知識3.2.2鍵盤的兩種接口方式（基于MCU引腳直接連接）1、獨(dú)立式鍵盤

各個(gè)鍵相互獨(dú)立，按照一對一的方式連接到MCU的GPIO引腳或外部中斷引腳上，另一端接地。

采用查詢掃描時(shí)，MCU可通過直接讀取KEY引腳的電平狀態(tài)來判斷鍵是否被按下。

采用外部中斷掃描時(shí)，一般利用按鍵的下降沿觸發(fā)MCU中斷。

查鍵方便，但占用MCU的I/O引腳資源較多，因此一般適用于鍵較少的場合。

任務(wù)3.2掌握鍵盤的通用知識3.2.2鍵盤的兩種接口方式（基于MCU引腳直接連接）2、矩陣式鍵盤

4×4=16個(gè)鍵，只需要MCU的8個(gè)GPIO引腳，應(yīng)用于鍵較多的場合。

結(jié)構(gòu)原理：

R1~R4引腳作為行線，C1~C4引腳作為列線，在每個(gè)行線和列線的交叉點(diǎn)放置一個(gè)鍵，當(dāng)某個(gè)鍵被按下時(shí)，其對應(yīng)的行線和列線短路，MCU通過檢測是否有行線和列線短路來確定是否有鍵被按下，并確定被按下鍵的位置。行線列線任務(wù)3.2掌握鍵盤的通用知識【知識鞏固】（1）按鍵抖動(dòng)處理方法有哪些？它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)分別是什么？（2）什么是鍵盤連擊？如何防止鍵盤連擊現(xiàn)象？按鍵連擊可以用于什么場合？（3）鍵盤有幾種接口方式？分別對應(yīng)的適用場合是什么？任務(wù)3.3基于TM1637的數(shù)碼管和鍵盤構(gòu)件設(shè)計(jì)

前面學(xué)習(xí)的數(shù)碼管硬件構(gòu)件和鍵盤硬件構(gòu)件，均采用MCU的GPIO引腳直接連接方式，其優(yōu)點(diǎn)是原理簡單。但在同時(shí)需要使用數(shù)碼管和鍵盤的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，若使用上述硬件構(gòu)件，則明顯存在占用過多GPIO引腳資源的缺點(diǎn)。

為了解決這一問題，可改用專門的數(shù)碼管和鍵盤驅(qū)動(dòng)芯片（如TM1637芯片）來簡化硬件電路。

任務(wù)3.3基于TM1637的數(shù)碼管和鍵盤構(gòu)件設(shè)計(jì)3.3.1基于TM1637的數(shù)碼管和鍵盤硬件構(gòu)件設(shè)計(jì)1、TM1637功能特點(diǎn)

TM1637是一種帶鍵盤掃描接口的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)控制專用芯片?？芍С肿疃?/p>

6位

8段共陽極數(shù)碼管顯示；支持

2×8矩陣鍵盤掃描；兩線串行接口（CLK、DIO），即MCU只需兩個(gè)GPIO引腳即可與TM1637進(jìn)行串行通信。數(shù)碼管數(shù)據(jù)線/鍵盤掃描引腳數(shù)碼管位選線引腳時(shí)鐘線引腳串行數(shù)據(jù)輸入/輸出線引腳鍵盤數(shù)據(jù)輸入引腳電源引腳（3.3~5V）接地引腳任務(wù)3.3基于TM1637的數(shù)碼管和鍵盤構(gòu)件設(shè)計(jì)3.3.1基于TM1637的數(shù)碼管和鍵盤硬件構(gòu)件設(shè)計(jì)1、TM1637功能特點(diǎn)任務(wù)3.3基于TM1637的數(shù)碼管和鍵盤構(gòu)件設(shè)計(jì)3.3.1基于TM1637的數(shù)碼管和鍵盤硬件構(gòu)件設(shè)計(jì)2、基于TM1637的數(shù)碼管和鍵盤硬件構(gòu)件設(shè)計(jì)圖【思考總結(jié)】

使用TM1637驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管和鍵盤，與基于MCU的GPIO引腳直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管和鍵盤，有什么好處？兩種驅(qū)動(dòng)方式有何區(qū)別？任務(wù)3.3基于TM1637的數(shù)碼管和鍵盤構(gòu)件設(shè)計(jì)

基于TM1637的數(shù)碼管和鍵盤軟件構(gòu)件TM1637_LED_KB由tm1637_led_kb.h頭文件和tm1637_led_kb.c源文件組成，若使用該軟件構(gòu)件，則只需將這兩個(gè)文件添加到所建工程的05_App（應(yīng)用外設(shè)軟件構(gòu)件）文件夾中，即可實(shí)現(xiàn)MCU通過TM1637控制數(shù)碼管顯示功能和鍵盤掃描功能。

其中，tm1637_led_kb.h頭文件主要包括頭文件的包含、必要的宏定義、存放數(shù)碼管筆形碼的數(shù)組、存放鍵盤編碼和對應(yīng)鍵名的數(shù)組以及對外接口函數(shù)的聲明，而tm1637_led_kb.c源文件是該軟件構(gòu)件對外接口函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx用戶只要熟悉tm1637_led_kb.h

頭文件的內(nèi)容，即可使用該軟件構(gòu)件進(jìn)行編程。3.3.2基于TM1637的數(shù)碼管和鍵盤軟件構(gòu)件的組成及使用方法任務(wù)3.3基于TM1637的數(shù)碼管和鍵盤構(gòu)件設(shè)計(jì)【學(xué)以致用】

根據(jù)tm1637_led_kb.h頭文件，寫出實(shí)現(xiàn)下列功能的函數(shù)調(diào)用語句。

（1）對TM1637進(jìn)行初始化。

（2）TM1637驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示保存在數(shù)組disp[4]中的數(shù)據(jù)。

（3）TM1637控制數(shù)碼管清屏。

（4）將用于保存數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)的數(shù)組disp[4]中的元素值更新為{5,6,7,8}。

（5）將TM1637掃描2×8矩陣式鍵盤而獲取的按下鍵的鍵名賦給變量key_name。3.3.2基于TM1637的數(shù)碼管和鍵盤軟件構(gòu)件的組成及使用方法任務(wù)3.4基于TM1637的數(shù)碼管顯示的應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)3.4.1使用軟件延時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管先后顯示不同的數(shù)據(jù)

在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設(shè)計(jì)07_Source（應(yīng)用層軟件構(gòu)件）的文件，以實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管先后顯示不同的數(shù)據(jù)。1）工程總頭文件includes.h：包含04、05、06文件夾中的頭文件2）主程序源文件main.c：

定義數(shù)組（數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)）；初始化；

在主循環(huán)中實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管先后顯示不同的數(shù)據(jù)在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx【學(xué)以致用與創(chuàng)新】

（1）在主循環(huán)中，實(shí)現(xiàn)4位數(shù)碼管先后顯示2組數(shù)據(jù)。例如在1秒內(nèi)顯示年份“2023”，在下1秒內(nèi)顯示月日“0317”。

（2）在主循環(huán)中，實(shí)現(xiàn)4位數(shù)碼管顯示秒計(jì)數(shù)值。

（3）實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的高位滅零功能：對于數(shù)據(jù)“0015”，數(shù)碼管上只顯示“15”，而高位的“00”不顯示。任務(wù)3.4基于TM1637的數(shù)碼管顯示的應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)3.4.2使用定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管先后顯示不同的數(shù)據(jù)

在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設(shè)計(jì)07_Source（應(yīng)用層軟件構(gòu)件）的文件，以實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管先后隔秒顯示年份和月日的效果。1）工程總頭文件includes.h：

包含04、05、06文件夾中的頭文件2）主程序源文件main.c：

定義全局?jǐn)?shù)組（存放數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)）；

在主程序中，初始化；

在主循環(huán)中，數(shù)碼管顯示全局?jǐn)?shù)組中對應(yīng)的數(shù)據(jù)在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx【學(xué)以致用與創(chuàng)新】

（1）實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示秒計(jì)數(shù)值。

（2）實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示分和秒的計(jì)數(shù)值，并且隔秒顯示分和秒之間的小數(shù)點(diǎn)，即實(shí)現(xiàn)顯示相對時(shí)鐘的效果。3）中斷服務(wù)程序源文件isr.c：聲明全局?jǐn)?shù)組；

在定時(shí)中斷服務(wù)程序中，實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能（更新全局?jǐn)?shù)組的數(shù)據(jù)）任務(wù)3.5基于TM1637的鍵盤檢測與控制的應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)3.5.1鍵盤檢測與控制的查詢程序流程任務(wù)3.5基于TM1637的鍵盤檢測與控制的應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)3.5.2應(yīng)用實(shí)例參考程序

在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設(shè)計(jì)07_Source（應(yīng)用層軟件構(gòu)件）的文件，以實(shí)現(xiàn)對某個(gè)鍵（如1號鍵）的按鍵次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并在數(shù)碼管上顯示該鍵的按鍵次數(shù)。1）工程總頭文件includes.h：

包含04、05、06文件夾中的頭文件2）主程序源文件main.c：

定義局部變量，初始化；

在主循環(huán)中，掃描鍵盤并執(zhí)行按鍵功能程序在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx【學(xué)以致用與創(chuàng)新】

（1）實(shí)現(xiàn)在某位數(shù)碼管上顯示按鍵的鍵名。

（2）實(shí)現(xiàn)在4位數(shù)碼管上分別顯示按照順序按下的4個(gè)鍵的鍵名。例如，按照順序依次按'1'、'2'、'3'、'4'鍵時(shí)，4位數(shù)碼管依次顯示“1”“2”“3”“4”?！緦?shí)踐驗(yàn)證】

將等待按鍵釋放對應(yīng)的語句去掉，重新運(yùn)行程序，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，體會語句的作用。任務(wù)3.6基于DS18B20的測溫功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.6.1DS18B20的主要特點(diǎn)和基于DS18B20的測溫硬件構(gòu)件設(shè)計(jì)1、DS18B20的功能特點(diǎn)

DS18B20是

1線數(shù)字式

測溫器件。其特點(diǎn)如下：

（1）只有3個(gè)工作引腳：電源引腳VDD、接地引腳GND和數(shù)據(jù)總線引腳DQ。

（2）MCU只需要一個(gè)GPIO引腳即可與DS18B20的DQ引腳進(jìn)行串行總線通信，其中MCU作為主設(shè)備，DS18B20作為從設(shè)備，可靈活采用單主單從或一主多從的總線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)或多點(diǎn)測溫。

（3）測量溫度范圍為-55℃~+125℃，其中在-10℃至+85℃精確度為±0.5℃。其最高分辨率（默認(rèn)設(shè)置）為12位（二進(jìn)制），對應(yīng)0.0625℃的溫度分辨率。任務(wù)3.6基于DS18B20的測溫功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.6.1DS18B20的主要特點(diǎn)和基于DS18B20的測溫硬件構(gòu)件設(shè)計(jì)2、基于DS18B20的測溫硬件構(gòu)件設(shè)計(jì)圖任務(wù)3.6基于DS18B20的測溫功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.6.2基于DS18B20的測溫軟件構(gòu)件的組成及使用方法

基于DS18B20的測溫軟件構(gòu)件由ds18b20.h頭文件和ds18b20.c源文件組成，若使用該軟件構(gòu)件，則只需將這兩個(gè)文件添加到所建工程的05_App（應(yīng)用外設(shè)軟件構(gòu)件）文件夾中，即可實(shí)現(xiàn)MCU通過1個(gè)GPIO引腳獲取所測溫度的功能。

其中，ds18b20.h頭文件主要包括頭文件的包含、必要的宏定義以及對外接口函數(shù)的聲明，而ds18b20.c源文件是該軟件構(gòu)件對外接口函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx用戶只要熟悉ds18b20.h

頭文件的內(nèi)容，即可使用該軟件構(gòu)件進(jìn)行編程。任務(wù)3.6基于DS18B20的測溫功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.6.3基于DS18B20的測溫功能應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)

在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設(shè)計(jì)07_Source（應(yīng)用層軟件構(gòu)件）的文件，使用SysTick定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)每隔1s進(jìn)行一次DS18B20溫度轉(zhuǎn)換并通過數(shù)碼管顯示溫度的功能。1）工程總頭文件includes.h：

包含04、05、06文件夾中的頭文件2）主程序源文件main.c：

定義全局變量；

在主程序中，定義局部變量，初始化；

在主循環(huán)中，根據(jù)全局變量的值，每隔1s獲取并顯示溫度在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx【思路總結(jié)、學(xué)以致用與創(chuàng)新】

（1）請畫出上述程序的設(shè)計(jì)和執(zhí)行流程圖。

（2）實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警功能：若所測溫度高于某個(gè)設(shè)定值，則點(diǎn)亮一個(gè)小燈或觸發(fā)蜂鳴器響。3）中斷服務(wù)程序源文件isr.c：

聲明全局變量；

在定時(shí)中斷服務(wù)程序中，實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能（更新全局變量值）

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可移植和可復(fù)用，嵌入式硬件和嵌入式軟件均采用構(gòu)件化的設(shè)計(jì)思想，即對嵌入式硬件和嵌入式軟件進(jìn)行封裝，供系統(tǒng)設(shè)計(jì)者調(diào)用，并倡導(dǎo)嵌入式軟件分層設(shè)計(jì)的理念，以大幅度降低嵌入式技術(shù)學(xué)習(xí)難度和開發(fā)難度。

本書特色：項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)，突出學(xué)以致用，注重實(shí)踐創(chuàng)新。每個(gè)項(xiàng)目且均采用了“通用知識”→“嵌入式構(gòu)件設(shè)計(jì)”→“應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)”→“學(xué)以致用與創(chuàng)新”的學(xué)習(xí)流程。采用“搭積木”的思想，逐步提高嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。

本書可作為高等學(xué)校電子信息類、計(jì)算機(jī)類、自動(dòng)化類等專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)教材，也可作為嵌入式技術(shù)培訓(xùn)教材，還可供從事嵌入式技術(shù)開發(fā)的工程技術(shù)人員參考。項(xiàng)目1：GPIO基礎(chǔ)應(yīng)用—實(shí)現(xiàn)閃燈和開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能項(xiàng)目2：利用定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)頻閃燈項(xiàng)目3：GPIO和定時(shí)器的綜合應(yīng)用—實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示、鍵盤測控、測溫功能項(xiàng)目4：利用UART實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信項(xiàng)目5：利用

Timer

實(shí)現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能項(xiàng)目6：利用

ADC

設(shè)計(jì)簡易數(shù)字電壓表項(xiàng)目7：利用

SPI

實(shí)現(xiàn)多機(jī)串行通信項(xiàng)目8：利用

CAN

實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信教

材

內(nèi)

容

項(xiàng)目4利用UART實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信【項(xiàng)目導(dǎo)讀】

為了實(shí)現(xiàn)上位機(jī)PC和下位機(jī)MCU之間的通信，可采用UART、USB、Ethernet等多種通信方式，其中UART是最簡單的一種通信方式，也是學(xué)習(xí)其他通信方式的基礎(chǔ)?！緦W(xué)習(xí)目標(biāo)】（1）理解UART的通用知識，包括UART硬件、UART通信的數(shù)據(jù)幀格式、數(shù)據(jù)通信的波特率和串行通信的傳輸方式等。（2）熟悉MCU的UART主要特性和引腳，掌握MCU的UART底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的使用方法。（3）能夠利用MCU的UART底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件頭文件進(jìn)行PC和MCU的串口通信應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)與測試。（4）掌握通過UART實(shí)現(xiàn)利用格式化輸出函數(shù)（printf）向PC輸出數(shù)據(jù)的方法，為今后在嵌入式軟件設(shè)計(jì)中使用printf調(diào)試奠定基礎(chǔ)。*（5）熟悉MCU的UART底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件源文件的設(shè)計(jì)方法。項(xiàng)目4利用UART實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信任務(wù)4.1理解UART的通用知識

UART（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，通用異步收發(fā)器）可實(shí)現(xiàn)異步串行通信功能。有時(shí)還將UART稱為SCI（SerialCommunicationInterface，串行通信接口），簡稱串口。1、UART硬件

MCU的UART通信一般只需3根線：發(fā)送線TxD、接收線RxD和地線GND。

MCU可通過TTL-USB轉(zhuǎn)換器連接到PC的USB接口，在PC上安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件，就可實(shí)現(xiàn)MCU與PC之間的串口通信。2、UART通信的數(shù)據(jù)幀格式

UART通信的特點(diǎn)：數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位，按位的順序（如最低位優(yōu)先）從一條傳輸線上發(fā)送出去。

（1）發(fā)送1位起始位——邏輯“0”，用于通知接收方通信同步。

（2）依次發(fā)送8位數(shù)據(jù)D0～D7（低位在前、高位在后）。

（3）發(fā)送1位奇偶校驗(yàn)位（可選），便于接收方檢測數(shù)據(jù)發(fā)送是否正確。

（4）發(fā)送1～2位停止位——邏輯“1”，用于通知接收方該幀數(shù)據(jù)已發(fā)送完成。

若發(fā)送方無數(shù)據(jù)發(fā)送，則通信線路上保持空閑狀態(tài)——邏輯“1”。若發(fā)送方發(fā)送下一個(gè)UART數(shù)據(jù)幀，則要重新發(fā)送起始位，然后發(fā)送一字節(jié)的新數(shù)據(jù)。任務(wù)4.1理解UART的通用知識3、數(shù)據(jù)通信的波特率

波特率：每秒鐘傳輸二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，單位是bit/s。波特率越高，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣染驮娇臁Ｖ挥型ㄐ烹p方的波特率相同時(shí)才可以正常通信。

串口通信常用的波特率：1200、1800、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200等（bit/s）。4、串行通信的傳輸方式

（3）半雙工通信：通信雙方雙向傳輸信息，但在任何時(shí)刻，只能由一方發(fā)送數(shù)據(jù)，另一方接收數(shù)據(jù)，不能同時(shí)收發(fā)。如，對講機(jī)通信。

（2）全雙工通信：通信雙方雙向傳輸信息，且可以同時(shí)發(fā)送和接收。如，手機(jī)通信。一般情況下，MCU的UART通信接口均是全雙工的。

（1）單工通信：通信的發(fā)送方與接收方，單向傳輸信息。如，無線電廣播、有線電視廣播。

任務(wù)4.1理解UART的通用知識5、MCU的UART內(nèi)部結(jié)構(gòu)及編程模型將8位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為1字節(jié)的并行數(shù)據(jù)用于存放接收的數(shù)據(jù)將1字節(jié)的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位串行數(shù)據(jù)用于存放待發(fā)送的數(shù)據(jù)用于判斷是否接收到數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)是否發(fā)送完成等用于設(shè)置數(shù)據(jù)幀格式（8位或9位數(shù)據(jù)）、是否校驗(yàn)、是否允許中斷等用于設(shè)置UART通信波特率任務(wù)4.1理解UART的通用知識【知識鞏固】

（1）MCU的UART通信一般需要幾根線？分別是什么？

（2）畫出UART通信的數(shù)據(jù)幀格式示意圖。

（3）串行通信速率是否越高越好？

（4）串行通信有哪些傳輸方式？任務(wù)4.2掌握MCU的UART底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件使用方法4.2.1MCU的UART主要特性和引腳

STM32F103C8T6中有

3個(gè)

USART模塊：USART1、USART2和USART3。既支持全雙工通信，也支持同步單向通信和半雙工單線通信。利用分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器提供寬范圍的波特率選擇，波特率最高可達(dá)4.5Mbit/s。

UART發(fā)送數(shù)據(jù)引腳為UART_TX，接收數(shù)據(jù)引腳為UART_RX。UART1使用的引腳，見

uart.h中的宏定義任務(wù)4.2掌握MCU的UART底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件使用方法4.2.2MCU的UART底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的組成及使用方法

UART具有初始化、發(fā)送和接收三種基本操作。其中，UART發(fā)送是主動(dòng)任務(wù)，不必采用中斷方式；而UART接收是被動(dòng)任務(wù)，為了確保及時(shí)接收到對方發(fā)送來的每幀數(shù)據(jù)，一般采用中斷方式。

UART底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件由uart.h頭文件和uart.c源文件組成，若要使用UART底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件，只需將這兩個(gè)文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件）文件夾中，即可實(shí)現(xiàn)對UART的操作。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx

其中，uart.h頭文件主要包括相關(guān)頭文件的包含、一些必要的宏定義、對外接口函數(shù)的聲明，而uart.c源文件則是對外接口函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)，初學(xué)者不必深究。

用戶只要熟悉uart.h頭文件的內(nèi)容，即可使用UART底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件進(jìn)行編程。任務(wù)4.2掌握MCU的UART底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件使用方法4.2.2MCU的UART底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的組成及使用方法【學(xué)以致用】

根據(jù)uart.h頭文件，寫出實(shí)現(xiàn)下列功能的函數(shù)調(diào)用語句。

（1）初始化UART1，波特率為9600bit/s。

（2）通過UART1發(fā)送1個(gè)字符'A'。

（3）通過UART1發(fā)送保存在數(shù)組str中的字符串"ABCDEFG"。

（4）使能UART1接收中斷。

（5）通過UART1接收1個(gè)字符，將其保存至變量re_data中，并將接收標(biāo)志保存至變量re_flag中。任務(wù)4.3UART通信應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)與功能測試4.3.1UART通信的應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)

在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設(shè)計(jì)07_Source（應(yīng)用層軟件構(gòu)件）的文件，以實(shí)現(xiàn)：上位機(jī)PC

與

下位機(jī)MCU之間的串口通信。1）工程總頭文件includes.h：包含04、05、06文件夾中的頭文件2）主程序源文件main.c：

定義字符數(shù)組（存放待發(fā)送的字符型數(shù)據(jù)）；

初始化；使能UART接收中斷；

在主循環(huán)中，MCU通過UART使用發(fā)送函數(shù)向PC發(fā)送數(shù)據(jù)在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx【思路總結(jié)】請畫出上述程序的設(shè)計(jì)和執(zhí)行流程圖。3）中斷服務(wù)程序源文件isr.c：在UART接收中斷服務(wù)程序中，