《基于構(gòu)件化的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計》 課件 項目5、6 利用Timer實現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能；利用ADC設(shè)計簡易數(shù)字電壓表

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的可移植和可復(fù)用，嵌入式硬件和嵌入式軟件均采用構(gòu)件化的設(shè)計思想，即對嵌入式硬件和嵌入式軟件進行封裝，供系統(tǒng)設(shè)計者調(diào)用，并倡導(dǎo)嵌入式軟件分層設(shè)計的理念，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：項目任務(wù)驅(qū)動，突出學(xué)以致用，注重實踐創(chuàng)新。每個項目且均采用了“通用知識”→“嵌入式構(gòu)件設(shè)計”→“應(yīng)用層程序設(shè)計”→“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)計能力。

本書可作為高等學(xué)校電子信息類、計算機類、自動化類等專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計教材，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。項目1：GPIO基礎(chǔ)應(yīng)用—實現(xiàn)閃燈和開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能項目2：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈項目3：GPIO和定時器的綜合應(yīng)用—實現(xiàn)數(shù)碼管顯示、鍵盤測控、測溫功能項目4：利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信項目5：利用Timer實現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能項目6：利用

ADC

設(shè)計簡易數(shù)字電壓表項目7：利用

SPI

實現(xiàn)多機串行通信項目8：利用

CAN

實現(xiàn)多機通信教

材

內(nèi)

容

項目5利用Timer實現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能【項目導(dǎo)讀】

在項目2中已學(xué)習(xí)STM32F103C8T6中的16位定時器（Timer）的基本定時功能。在本項目中學(xué)習(xí)利用Timer實現(xiàn)PWM功能和輸入捕獲功能。

脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM）信號是一個高電平和低電平重復(fù)交替的輸出信號，PWM廣泛應(yīng)用于電機轉(zhuǎn)速控制、燈光亮度控制等領(lǐng)域。輸入捕獲（InputCapture）可用于測量脈沖信號的周期和脈寬?！緦W(xué)習(xí)目標】1）理解PWM的通用知識，包括PWM的相關(guān)概念、技術(shù)指標及應(yīng)用場合。2）理解輸入捕獲的通用知識，包括輸入捕獲的過程、原理及應(yīng)用場合。3）熟悉MCU的Timer通道引腳，掌握MCU的PWM和輸入捕獲底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法，能利用其底層驅(qū)動構(gòu)件頭文件進行PWM功能和輸入捕獲功能的應(yīng)用層程序設(shè)計，能利用PWM控制小燈的亮度、利用輸入捕獲測量脈沖信號的周期和脈寬。*4）熟悉MCU的PWM和輸入捕獲底層驅(qū)動構(gòu)件源文件的設(shè)計方法。項目5利用Timer實現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能任務(wù)5.1理解PWM和輸入捕獲的通用知識5.1.1PWM的通用知識1、

PWM的基本概念與技術(shù)指標

PWM信號是一個高電平和低電平重復(fù)交替的輸出信號。

目前經(jīng)常使用的PWM信號主要是通過MCU編程實現(xiàn)的。利用MCU輸出PWM信號時，需要一個產(chǎn)生PWM信號的時鐘源，設(shè)其周期為TCLK。任務(wù)5.1理解PWM和輸入捕獲的通用知識5.1.1PWM的通用知識1、

PWM的基本概念與技術(shù)指標（1）周期：持續(xù)的時鐘周期個數(shù)。

TPWM=8

TCLK

圖（a）：2

TCLK

圖（b）：4

TCLK

圖（c）：6

TCLK（3）占空比：脈寬/周期，百分比

（2）脈寬：一個PWM周期內(nèi)PWM信號

處于高電平的時間。

圖（a）：25%

圖（b）：50%

圖（c）：75%任務(wù)5.1理解PWM和輸入捕獲的通用知識5.1.1PWM的通用知識1、

PWM的基本概念與技術(shù)指標（4）極性：決定了PWM信號的有效電平

正極性：PWM信號的有效電平為高電平，平時電平（空閑電平）為低電平；

負極性：PWM信號的有效電平為低電平，平時電平（空閑電平）為高電平。（5）分辨率△T

：PWM脈寬的最小時間增量，等于計數(shù)時鐘周期。

脈沖寬度的增加與減少只能是△T的整數(shù)倍。

任務(wù)5.1理解PWM和輸入捕獲的通用知識5.1.1PWM的通用知識1、

PWM的基本概念與技術(shù)指標（6）對齊方式——邊沿對齊

向上單向計數(shù)初值

IN=0模值

MOD=7通道值CnV=4PWM周期=(MOD－IN+1)×TCLKPWM脈寬=(CnV－IN)×TCLK任務(wù)5.1理解PWM和輸入捕獲的通用知識5.1.1PWM的通用知識1、

PWM的基本概念與技術(shù)指標（6）對齊方式——中心對齊

向上/向下雙向計數(shù)初值

IN=0模值

MOD=4通道值CnV=2PWM周期=2×(MOD－IN)×TCLKPWM脈寬=2×(CnV－IN)×TCLK任務(wù)5.1理解PWM和輸入捕獲的通用知識5.1.1PWM的通用知識2、

PWM的應(yīng)用場合

（1）利用PWM為其他設(shè)備產(chǎn)生類似于時鐘的信號。例如，PWM可用來控制燈以一定的頻率閃爍。

（2）利用PWM控制輸入到某個設(shè)備的平均電流或電壓。例如，PWM可用來控制直流電動機轉(zhuǎn)速。

（3）利用PWM控制命令字編碼。例如，用不同的脈寬代表不同的命令，控制無線遙控車做不同的動作（左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進等）。任務(wù)5.1理解PWM和輸入捕獲的通用知識

【知識鞏固】

（1）PWM涉及哪些基本概念和技術(shù)指標？

（2）PWM有哪些主要用途？5.1.1PWM的通用知識5.1.2輸入捕獲的通用知識任務(wù)5.1理解PWM和輸入捕獲的通用知識

MCU的定時/計數(shù)器的通道引腳在捕獲到外部脈沖信號的沿跳變（上升沿或下降沿）時，會將計數(shù)器的當前值鎖存到對應(yīng)的通道值寄存器；若允許輸入捕獲中斷（通道中斷），則可在中斷服務(wù)程序中通過讀取通道值寄存器的值得到沿跳變對應(yīng)的時刻。

脈沖信號的周期

=

時刻3－時刻1=時刻4－時刻2

脈沖信號的脈寬

=時刻2－時刻1=時刻4－時刻3

當被測脈沖信號的周期或脈寬小于定時器的溢出周期時：脈沖信號的周期或脈寬=對應(yīng)的計數(shù)次數(shù)*計數(shù)周期

=對應(yīng)的計數(shù)次數(shù)/計數(shù)頻率【知識鞏固】簡述利用輸入捕獲測量脈沖信號的周期和脈寬的基本原理。

任務(wù)5.2掌握Timer_PWM_INCAP底層驅(qū)動構(gòu)件使用方法5.2.1MCU的Timer通道引腳

每個Timer的4個通道引腳有不同的組合，具體由復(fù)用功能I/O引腳的配置決定，其實現(xiàn)請參閱后續(xù)底層驅(qū)動構(gòu)件頭文件中的宏定義。5.2.2Timer_PWM_INCAP底層驅(qū)動構(gòu)件的組成及使用方法

Timer_PWM_INCAP底層驅(qū)動構(gòu)件由timer_pwm_incap.h頭文件和timer_pwm_incap.c源文件組成，若要使用Timer_PWM_INCAP底層驅(qū)動構(gòu)件，只需將這兩個文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底層驅(qū)動構(gòu)件）文件夾中，即可實現(xiàn)對PWM功能和輸入捕獲功能的操作。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx

其中，timer_pwm_incap.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timer_pwm_incap.c源文件則是對外接口函數(shù)的具體實現(xiàn)，初學(xué)者不必深究。

用戶只要熟悉timer_pwm_incap.h頭文件的內(nèi)容，即可使用Timer_PWM_INCAP底層驅(qū)動構(gòu)件進行編程。任務(wù)5.2掌握Timer_PWM_INCAP底層驅(qū)動構(gòu)件使用方法【學(xué)以致用】

根據(jù)

timer_pwm_incap.h頭文件，寫出實現(xiàn)下列功能的函數(shù)調(diào)用語句。

（1）初始化TIMER1_CH1通道PWM，正極性、邊沿對齊、周期為1000us、占空比為30%。

（2）將TIMER1_CH1通道的PWM輸出占空比更新為50%。

（3）初始化TIMER2_CH1通道為輸入捕獲功能，并采用上升沿捕獲。

（4）為TIMER2_CH1通道選擇為下降沿捕獲方式。

（5）將TIMER2_CH1通道的輸入捕獲值保存至變量cap_value中。

（6）使能TIMER2_CH1通道中斷。5.2.2Timer_PWM_INCAP底層驅(qū)動構(gòu)件的組成及使用方法任務(wù)5.2掌握Timer_PWM_INCAP底層驅(qū)動構(gòu)件使用方法任務(wù)5.3利用PWM控制小燈的亮度

在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設(shè)計07_Source（應(yīng)用層軟件構(gòu)件）的文件，以實現(xiàn)：利用PWM控制與PWM通道引腳相連接的小燈的亮度。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：

初始化（PWM）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）利用PWM實現(xiàn)頻閃燈。

（2）利用PWM控制小燈逐漸變亮。任務(wù)5.4利用輸入捕獲測量脈沖信號的周期和脈寬

在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設(shè)計07_Source（應(yīng)用層軟件構(gòu)件）的文件，以實現(xiàn)：利用Timer的輸入捕獲功能（采用通道中斷方式）測量PWM信號的周期和脈寬，并通過UART使用printf函數(shù)向PC串口調(diào)試窗口輸出對應(yīng)的測量信息。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（存放脈沖信號的周期和脈寬對應(yīng)的計數(shù)次數(shù)）

在主程序中，初始化（UART、PWM、INCAP）；

使能Timer通道中斷；

在主循環(huán)中，輸出全局變量的值（周期和脈寬對應(yīng)的計數(shù)次數(shù)）在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx3）中斷服務(wù)程序源文件isr.c：聲明全局變量

在Timer通道中斷服務(wù)程序中，獲取通道捕獲值，計算并

更新全局變量的值（脈沖信號周期和脈寬對應(yīng)的計數(shù)次數(shù)）任務(wù)5.4利用輸入捕獲測量脈沖信號的周期和脈寬【學(xué)以致用與創(chuàng)新】

（1）根據(jù)脈沖信號的輸入捕獲原理，畫出上述程序的設(shè)計和執(zhí)行流程圖，理解上述中斷服務(wù)程序。

（2）計算并輸出脈沖信號的周期和脈寬。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的可移植和可復(fù)用，嵌入式硬件和嵌入式軟件均采用構(gòu)件化的設(shè)計思想，即對嵌入式硬件和嵌入式軟件進行封裝，供系統(tǒng)設(shè)計者調(diào)用，并倡導(dǎo)嵌入式軟件分層設(shè)計的理念，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：項目任務(wù)驅(qū)動，突出學(xué)以致用，注重實踐創(chuàng)新。每個項目且均采用了“通用知識”→“嵌入式構(gòu)件設(shè)計”→“應(yīng)用層程序設(shè)計”→“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)計能力。

本書可作為高等學(xué)校電子信息類、計算機類、自動化類等專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計教材，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。項目1：GPIO基礎(chǔ)應(yīng)用—實現(xiàn)閃燈和開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能項目2：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈項目3：GPIO和定時器的綜合應(yīng)用—實現(xiàn)數(shù)碼管顯示、鍵盤測控、測溫功能項目4：利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信項目5：利用Timer實現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能項目6：利用ADC設(shè)計簡易數(shù)字電壓表項目7：利用

SPI

實現(xiàn)多機串行通信項目8：利用

CAN

實現(xiàn)多機通信教

材

內(nèi)

容

項目6利用ADC設(shè)計簡易數(shù)字電壓表【項目導(dǎo)讀】

在嵌入式測控系統(tǒng)中，往往需要通過ADC（AnalogtoDigitalConverter，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）將模擬輸入量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以供MCU接收和處理。

【學(xué)習(xí)目標】（1）理解ADC的通用知識，包括ADC的相關(guān)概念和最簡單的A/D轉(zhuǎn)換采樣電路。（2）熟悉MCU的ADC主要特性和引腳，掌握MCU的ADC底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法。（3）掌握簡易數(shù)字電壓表的硬件電路組成和工作原理，以及利用MCU的ADC底層驅(qū)動構(gòu)件頭文件進行ADC應(yīng)用層程序設(shè)計的方法。*（4）熟悉MCU的ADC底層驅(qū)動構(gòu)件源文件的設(shè)計方法。任務(wù)6.1理解ADC的通用知識1、

ADC的相關(guān)概念（1）轉(zhuǎn)換精度

設(shè)ADC的二進制位數(shù)為n，則其分辨率為1/2n。例如，某一ADC是12位，若模擬輸入信號的量程為5V，則該ADC可以檢測到的模擬量變化最小值（理論上的轉(zhuǎn)換精度）為

5V/212

≈

1.22mV。任務(wù)6.1理解ADC的通用知識1、

ADC的相關(guān)概念（2）轉(zhuǎn)換速度

完成一次A/D轉(zhuǎn)換所要花費的時間。（3）單端輸入與差分輸入

單端輸入：只有一個輸入引腳，使用公共地GND作為參考電平。輸入電路簡單，但A/D轉(zhuǎn)換值易因受到干擾而變化。

差分輸入：兩個輸入引腳（VIN+、VIN-），ADC的采樣值是兩個輸入引腳的電平差值，從而降低了干擾。任務(wù)6.1理解ADC的通用知識1、

ADC的相關(guān)概念（4）ADC參考電壓

A/D轉(zhuǎn)換需要一個參考電壓VREF。在一般要求下，ADC參考電壓使用芯片的供電電源電壓。在更為精確的要求下，ADC參考電壓使用單獨電源。（5）軟件濾波

為了使采樣的數(shù)據(jù)更準確，必須對采樣的數(shù)據(jù)進行篩選，去掉誤差較大的數(shù)據(jù)（毛刺）?？赏ㄟ^中值濾波或均值濾波實現(xiàn)。（6）物理量回歸

在得到穩(wěn)定的A/D采樣值以后，還需要把A/D采樣值與實際物理量對應(yīng)起來。

例如，利用MCU采集室內(nèi)溫度，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值是126，實際它代表的溫度是多少？光敏電阻或熱敏電阻

例如：采樣電路任務(wù)6.1理解ADC的通用知識2、

MCU的ADC內(nèi)部結(jié)構(gòu)及編程模型任務(wù)6.1理解ADC的通用知識

【知識鞏固】

（1）ADC有哪些基本概念？

（2）軟件濾波的作用是什么？任務(wù)6.2掌握MCU的ADC底層驅(qū)動構(gòu)件使用方法6.2.1MCU的ADC主要特性和引腳

STM32F103C8T6具有兩個12位的ADC模塊：ADC1和ADC2，均具有10個外部模擬輸入通道（通道共用），采用單端輸入方式。

供電電壓VDDA為2.4~3.6V，芯片內(nèi)部已將參考電壓VREF+連接到VDDA，VREF-連接到VSSA，因此各模擬通道的輸入電壓范圍為0~VDDA。

輸入時鐘不得超過14MHz。ADC轉(zhuǎn)換時間≥14個ADC時鐘周期，微妙級。6.2.2MCU的ADC底層驅(qū)動構(gòu)件的組成及使用方法

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

其中，adc.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adc.c源文件則是對外接口函數(shù)的具體實現(xiàn)，初學(xué)者不必深究。

用戶只要熟悉adc.h頭文件的內(nèi)容，即可使用ADC底層驅(qū)動構(gòu)件進行編程。任務(wù)6.2掌握MCU的ADC底層驅(qū)動構(gòu)件使用方法

【學(xué)以致用】

根據(jù)

adc.h頭文件，寫出實現(xiàn)下列功能的函數(shù)調(diào)用語句。

（1）對ADC1模塊進行初始化。

（2）獲取ADC1通道8的A/D轉(zhuǎn)換值。6.3.1

簡易數(shù)字電壓表的硬件電路組成和工作原理任務(wù)6.3簡易數(shù)字電壓表的設(shè)計

MCU通過ADC對A端的模擬電壓進行A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果可計算出A端對應(yīng)的電壓值：ADCresult

：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果對應(yīng)