《汽車計算機基礎(chǔ)》 課件 7- 閃燈的設(shè)計與實現(xiàn)

第7單元：閃燈的設(shè)計與實現(xiàn)第8單元：開關(guān)狀態(tài)指示燈的設(shè)計與實現(xiàn)第9單元：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈第10單元：利用PWM實現(xiàn)小燈亮度控制第11單元：利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信第12單元：利用ADC設(shè)計簡易數(shù)字電壓表汽車嵌入式技術(shù)基礎(chǔ)篇

第7單元

閃燈的設(shè)計與實現(xiàn)

在汽車中，燈光除了用于照明，還被廣泛用于狀態(tài)指示（如交通信號燈、汽車指示燈、設(shè)備狀態(tài)指示燈等）。在嵌入式系統(tǒng)中，LED小燈是必備的狀態(tài)指示設(shè)備。【單元導(dǎo)讀】

單元學(xué)習(xí)目標：通過編程，使微控制器點亮一個LED小燈，在此基礎(chǔ)上再實現(xiàn)流水燈的效果。第7單元

閃燈的設(shè)計與實現(xiàn)

單元學(xué)習(xí)任務(wù)：（1）熟悉嵌入式系統(tǒng)的組成以及嵌入式技術(shù)學(xué)習(xí)方法。（2）熟悉車規(guī)級微控制器KEA128的芯片資源和硬件最小系統(tǒng)。（3）理解通用輸入/輸出（GPIO）的通用知識，掌握GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件頭文件的使用方法。（4）掌握小燈硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件的使用方法。（5）掌握在嵌入式軟件最小系統(tǒng)的框架下實現(xiàn)LED小燈閃爍的應(yīng)用層程序設(shè)計方法，并在此基礎(chǔ)上，自行完成流水燈的應(yīng)用層程序設(shè)計。（6）掌握嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境KeilMDK及目標程序下載軟件J-Flash的使用方法，以便為后續(xù)的學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。任務(wù)7.1熟悉嵌入式系統(tǒng)的組成及嵌入式技術(shù)學(xué)習(xí)方法7.1.1嵌入式系統(tǒng)的組成

目前，ARM主要有以下3個系列的內(nèi)核，對應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域：（1）Cortex-A內(nèi)核的應(yīng)用處理器（ApplicationProcessor，AP），主要面向智能手機、平板電腦、智能終端等多媒體領(lǐng)域；（2）Cortex-R內(nèi)核的實時處理器（Real-TimeProcessor，RTP），主要面向汽車電子等對實時性要求很高的領(lǐng)域；（3）Cortex-M內(nèi)核的微控制器（MicroControllerUnit，MCU，國內(nèi)也稱為單片機），主要面向汽車電子、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)控制、智能儀器儀表、智能家電、機電產(chǎn)品等測控領(lǐng)域。

在緒論中，曾介紹過嵌入式系統(tǒng)的概念。目前，以32位/64位ARM微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛。1、ARM微處理器的分類7.1.1嵌入式系統(tǒng)的組成2、MCU的基本結(jié)構(gòu)

MCU的基本含義：在一塊芯片上集成了CPU、ROM、RAM、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、看門狗及通用輸入輸出（GPIO）、模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換、數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換、串行通信I/O等多種輸入輸出接口的比較完整的數(shù)字處理系統(tǒng)。CPU與其他部件交互是通過MCU內(nèi)部總線實現(xiàn)的。任務(wù)7.1熟悉嵌入式系統(tǒng)的組成及嵌入式技術(shù)學(xué)習(xí)方法7.1.1嵌入式系統(tǒng)的組成3、以MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)的基本組成任務(wù)7.1熟悉嵌入式系統(tǒng)的組成及嵌入式技術(shù)學(xué)習(xí)方法7.1.2嵌入式系統(tǒng)的知識體系和學(xué)習(xí)建議任務(wù)7.1熟悉嵌入式系統(tǒng)的組成及嵌入式技術(shù)學(xué)習(xí)方法

嵌入式硬件構(gòu)件設(shè)計主要包括MCU硬件最小系統(tǒng)（硬件核心構(gòu)件）設(shè)計和應(yīng)用外設(shè)硬件構(gòu)件（小燈LIGHT、蜂鳴器BZ、開關(guān)SW、鍵盤KB、數(shù)碼管LED、液晶LCD等）設(shè)計。

嵌入式軟件構(gòu)件設(shè)計采用分層設(shè)計思想，自下而上依次是“底層驅(qū)動構(gòu)件”、“應(yīng)用外設(shè)軟件構(gòu)件”和“應(yīng)用層軟件構(gòu)件”共3層軟件設(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，大幅度降低嵌入式技術(shù)學(xué)習(xí)難度和開發(fā)難度，嵌入式硬件和軟件均需采用“構(gòu)件化”設(shè)計。

其中底層驅(qū)動構(gòu)件和應(yīng)用外設(shè)軟件構(gòu)件都包括對應(yīng)的.h頭文件和.c源文件，而應(yīng)用層軟件構(gòu)件包括總頭文件includes.h、主程序源文件main.c和中斷服務(wù)程序源文件isr.c。

通用軟件構(gòu)件與CPU和MCU基本無關(guān)，是服務(wù)于以上3層軟件設(shè)計的。

隨著技術(shù)的發(fā)展，MCU的硬件集成度越來越高，使得嵌入式硬件設(shè)計難度不斷降低，因此嵌入式軟件設(shè)計在整個嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中所占的分量越來越大。7.1.2嵌入式系統(tǒng)的知識體系和學(xué)習(xí)建議任務(wù)7.1熟悉嵌入式系統(tǒng)的組成及嵌入式技術(shù)學(xué)習(xí)方法

嵌入式軟件設(shè)計主要采用C語言及少量的匯編語言。

嵌入式軟件設(shè)計與調(diào)試是在嵌入式硬件的基礎(chǔ)上協(xié)同進行的，其過程是在PC上利用嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境（如KeilMDK、IAR等）進行程序的編輯、編譯和連接，生成工程對應(yīng)的目標代碼；最后將生成的目標代碼通過寫入器下載到嵌入式芯片中運行與調(diào)試。MCU寫入器任務(wù)7.2熟悉KEA128資源和硬件最小系統(tǒng)KinetisEA（簡稱KEA）系列MCU是恩智浦公司開發(fā)的基于ARMCortex-M0+（簡稱CM0+）內(nèi)核的車規(guī)級MCU。任務(wù)7.2熟悉KEA128資源和硬件最小系統(tǒng)

片內(nèi)Flash區(qū)（0x0000_0000～0x0001_FFFF），共128KB，一般被用來存放中斷向量、程序代碼、常數(shù)等，其中前192B為中斷向量表（中斷函數(shù)的入口地址）。

片內(nèi)RAM區(qū)（0x1FFF_F000～0x2000_2FFF），共16KB，一般被用來存儲全局變量、靜態(tài)變量、臨時變量（堆?？臻g）等。1、KEA128的存儲映像

KEA128把CM0+內(nèi)核之外的模塊用類似存儲器編址的方式統(tǒng)一分配地址。在4GB的存儲映像空間內(nèi)，分布著片內(nèi)Flash、RAM、系統(tǒng)配置寄存器及其他外設(shè)等，以便CPU通過直接地址進行訪問。任務(wù)7.2熟悉KEA128資源和硬件最小系統(tǒng)2、KEA128的引腳功能

從需求和供給的角度，把MCU的引腳分為硬件最小系統(tǒng)引腳和I/O端口資源類引腳兩大類。（1）硬件最小系統(tǒng)引腳：需要服務(wù)的引腳，包括電源、復(fù)位、晶振、程序?qū)懭虢涌冢⊿WD）等引腳。任務(wù)7.2熟悉KEA128資源和硬件最小系統(tǒng)2、KEA128的引腳功能

從需求和供給的角度，把MCU的引腳分為硬件最小系統(tǒng)引腳和I/O端口資源類引腳兩大類。（2）I/O端口資源類引腳：對外提供服務(wù)。

I/O引腳一般具有多個復(fù)用功能，詳見附錄D的KEA128引腳功能分配表，在實際應(yīng)用時只能使用其中的一個功能。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，需要根據(jù)所使用的外設(shè)（含片內(nèi)外設(shè)）對MCU的引腳資源進行統(tǒng)籌規(guī)劃，以免多個外設(shè)使用相同的引腳而相互沖突。任務(wù)7.2熟悉KEA128資源和硬件最小系統(tǒng)3、KEA128的硬件最小系統(tǒng)

MCU硬件最小系統(tǒng)是可以使MCU內(nèi)部程序正常運行的最小規(guī)模的電路，主要包括MCU和電源、晶振、復(fù)位、寫入調(diào)試器接口等外圍電路。見圖7-6。

需要說明的是，若使用MCU內(nèi)部的時鐘作為系統(tǒng)時鐘源，則外部晶振電路可省略?！菊n后作業(yè)】同步練習(xí)7-1：鞏固知識。任務(wù)7.3

掌握GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法7.3.1GPIO的通用知識1、GPIO概念

GPIO（GeneralPurposeInputOutput

），通用輸入/輸出，它是I/O的最基本形式。

MCU的大多數(shù)GPIO引腳可以通過編程來設(shè)定其工作方式為輸入或輸出，稱之為雙向GPIO。

某個引腳作為通用輸入引腳，MCU可以通過讀取其內(nèi)部寄存器的值“1”或“0”，以確定該引腳的輸入狀態(tài)是高電平還是低電平，即開關(guān)量輸入。

某個引腳作為通用輸出引腳，MCU可以通過向其內(nèi)部寄存器寫“1”或“0”，以控制該引腳輸出高電平或低電平，即開關(guān)量輸出。7.3.1GPIO的通用知識2、上拉電阻、下拉電阻與輸入引腳的基本接法任務(wù)7.3

掌握GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法

若MCU的某個引腳通過一個電阻接電源（VCC），則該電阻被稱為“上拉電阻”。

若MCU的某個引腳通過一個電阻接地（GND），則該電阻被稱為“下拉電阻”。7.3.1GPIO的通用知識3、輸出引腳的基本接法任務(wù)7.3

掌握GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法

作為通用輸出引腳，MCU內(nèi)部程序向該引腳輸出高電平或低電平驅(qū)動外部設(shè)備工作，即開關(guān)量輸出。輸出引腳O1和O2分別采用了直接驅(qū)動和放大驅(qū)動方式。任務(wù)7.3

掌握GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法7.3.2KEA128的GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件及使用方法

為了實現(xiàn)程序的可移植和可復(fù)用，減小重復(fù)勞動，MCU底層驅(qū)動程序封裝成構(gòu)件。GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件由gpio.h頭文件和gpio.c源文件組成，若要使用GPIO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GPIO引腳的操作。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\KEA128\KEA128.uvprojx

其中，gpio.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gpio.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gpio.h頭文件的內(nèi)容，即可使用GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件進行編程，實現(xiàn)通過GPIO對不同外設(shè)進行檢測或控制的功能（如檢測開關(guān)的狀態(tài)、控制小燈的亮滅等）。任務(wù)7.4小燈構(gòu)件化設(shè)計及閃燈的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計在不同MCU和不同應(yīng)用場合中的可移植和可復(fù)用，降低嵌入式技術(shù)學(xué)習(xí)難度和開發(fā)難度，嵌入式硬件和軟件均需采用“構(gòu)件化”設(shè)計?，F(xiàn)以小燈構(gòu)件設(shè)計為例，說明嵌入式硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件的設(shè)計方法。7.4.1小燈硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件的設(shè)計及使用方法1、小燈硬件構(gòu)件及使用方法a）小燈硬件構(gòu)件b）小燈硬件構(gòu)件與MCU的引腳連接

圖中虛線框內(nèi)的粗體標識為硬件構(gòu)件的接口注釋，以便于理解該接口的含義和功能；虛線框外的正體標識為硬件構(gòu)件的接口網(wǎng)標，具有電氣連接特性，表示硬件構(gòu)件的接口與MCU的引腳相連接。硬件構(gòu)件在不同應(yīng)用系統(tǒng)中移植和復(fù)用時，僅需修改接口網(wǎng)標。7.4.1小燈硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件的設(shè)計及使用方法2、小燈軟件構(gòu)件的設(shè)計及使用方法

任務(wù)7.4小燈構(gòu)件化設(shè)計及閃燈的實現(xiàn)

小燈軟件構(gòu)件由

light.h

頭文件

和

light.c

源文件組成，若要使用小燈軟件構(gòu)件，只需將這兩個文件添加到所建工程的05_App（應(yīng)用外設(shè)軟件構(gòu)件）文件夾中即可實現(xiàn)對小燈的控制。

其中，light.h

頭文件主要包括相關(guān)頭文件的包含、小燈硬件構(gòu)件相關(guān)的宏定義、小燈構(gòu)件對外接口函數(shù)的聲明。light.c

源文件是小燈構(gòu)件對外接口函數(shù)的具體實現(xiàn)。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\KEA128\KEA128.uvprojx用戶只要熟悉light.h頭文件的內(nèi)容，即可使用小燈軟件構(gòu)件進行編程。7.4.2嵌入式軟件最小系統(tǒng)設(shè)計——實現(xiàn)閃燈1、嵌入式軟件最小系統(tǒng)任務(wù)7.4小燈構(gòu)件化設(shè)計及閃燈的實現(xiàn)

在嵌入式基礎(chǔ)實踐中，一般以“MCU控制小燈閃爍”作為入門實驗，對應(yīng)的程序框架稱為“嵌入式軟件最小系統(tǒng)”（具體解釋詳見表7-5）。

在此框架下可通過添加其他軟件構(gòu)件和修改應(yīng)用層程序（工程源程序）完成不同功能的軟件設(shè)計。

對初學(xué)者，學(xué)習(xí)重點是：①熟悉04_Driver（MCU底層驅(qū)動構(gòu)件）、05_App（應(yīng)用外設(shè)軟件構(gòu)件）和

06_Soft（通用軟件構(gòu)件）這幾個文件夾中的頭文件內(nèi)容，掌握對外接口函數(shù)的調(diào)用方法；②根據(jù)系統(tǒng)功能需求，進行應(yīng)用層程序設(shè)計和優(yōu)化，即設(shè)計07_Source（應(yīng)用層軟件構(gòu)件）文件夾中的文件。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\KEA128\KEA128.uvprojx

其中，“04底層驅(qū)動構(gòu)件”、“05應(yīng)用外設(shè)軟件構(gòu)件”、“06通用軟件構(gòu)件”、“07應(yīng)用層軟件構(gòu)件”的文件都是由本構(gòu)件的.h和.c文件組成。

7.4.2嵌入式軟件最小系統(tǒng)設(shè)計——實現(xiàn)閃燈2、閃燈的應(yīng)用層程序設(shè)計任務(wù)7.4小燈構(gòu)件化設(shè)計及閃燈的實現(xiàn)

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)小燈閃爍的效果。1）工程總頭文件includes.h：包含04、05、06文件夾中的