《基于構(gòu)件化的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 課件 項(xiàng)目5、6 利用Timer實(shí)現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能；利用ADC設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表

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(duì)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(kāi)發(fā)難度。

本書(shū)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(shí)”→“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(shū)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(kāi)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(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)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(pán)測(cè)控、測(cè)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(jiǎn)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5利用Timer實(shí)現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能【項(xiàng)目導(dǎo)讀】

在項(xiàng)目2中已學(xué)習(xí)STM32F103C8T6中的16位定時(shí)器（Timer）的基本定時(shí)功能。在本項(xiàng)目中學(xué)習(xí)利用Timer實(shí)現(xiàn)PWM功能和輸入捕獲功能。

脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM）信號(hào)是一個(gè)高電平和低電平重復(fù)交替的輸出信號(hào)，PWM廣泛應(yīng)用于電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、燈光亮度控制等領(lǐng)域。輸入捕獲（InputCapture）可用于測(cè)量脈沖信號(hào)的周期和脈寬。【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1）理解PWM的通用知識(shí)，包括PWM的相關(guān)概念、技術(shù)指標(biāo)及應(yīng)用場(chǎng)合。2）理解輸入捕獲的通用知識(shí)，包括輸入捕獲的過(guò)程、原理及應(yīng)用場(chǎng)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(dòng)構(gòu)件的使用方法，能利用其底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件頭文件進(jìn)行PWM功能和輸入捕獲功能的應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)，能利用PWM控制小燈的亮度、利用輸入捕獲測(cè)量脈沖信號(hào)的周期和脈寬。*4）熟悉MCU的PWM和輸入捕獲底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件源文件的設(shè)計(jì)方法。項(xiàng)目5利用Timer實(shí)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(shí)5.1.1PWM的通用知識(shí)1、

PWM的基本概念與技術(shù)指標(biāo)

PWM信號(hào)是一個(gè)高電平和低電平重復(fù)交替的輸出信號(hào)。

目前經(jīng)常使用的PWM信號(hào)主要是通過(guò)MCU編程實(shí)現(xiàn)的。利用MCU輸出PWM信號(hào)時(shí)，需要一個(gè)產(chǎn)生PWM信號(hào)的時(shí)鐘源，設(shè)其周期為T(mén)CLK。任務(wù)5.1理解PWM和輸入捕獲的通用知識(shí)5.1.1PWM的通用知識(shí)1、

PWM的基本概念與技術(shù)指標(biāo)（1）周期：持續(xù)的時(shí)鐘周期個(gè)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(gè)PWM周期內(nèi)PWM信號(hào)

處于高電平的時(shí)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(shí)5.1.1PWM的通用知識(shí)1、

PWM的基本概念與技術(shù)指標(biāo)（4）極性：決定了PWM信號(hào)的有效電平

正極性：PWM信號(hào)的有效電平為高電平，平時(shí)電平（空閑電平）為低電平；

負(fù)極性：PWM信號(hào)的有效電平為低電平，平時(shí)電平（空閑電平）為高電平。（5）分辨率△T

：PWM脈寬的最小時(shí)間增量，等于計(jì)數(shù)時(shí)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(shí)5.1.1PWM的通用知識(shí)1、

PWM的基本概念與技術(shù)指標(biāo)（6）對(duì)齊方式——邊沿對(duì)齊

向上單向計(jì)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(shí)5.1.1PWM的通用知識(shí)1、

PWM的基本概念與技術(shù)指標(biāo)（6）對(duì)齊方式——中心對(duì)齊

向上/向下雙向計(jì)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(shí)5.1.1PWM的通用知識(shí)2、

PWM的應(yīng)用場(chǎng)合

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

（2）利用PWM控制輸入到某個(gè)設(shè)備的平均電流或電壓。例如，PWM可用來(lái)控制直流電動(dòng)機(jī)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(wú)線遙控車做不同的動(dòng)作（左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)等）。任務(wù)5.1理解PWM和輸入捕獲的通用知識(shí)

【知識(shí)鞏固】

（1）PWM涉及哪些基本概念和技術(shù)指標(biāo)？

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

MCU的定時(shí)/計(jì)數(shù)器的通道引腳在捕獲到外部脈沖信號(hào)的沿跳變（上升沿或下降沿）時(shí)，會(huì)將計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值鎖存到對(duì)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(guò)讀取通道值寄存器的值得到沿跳變對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。

脈沖信號(hào)的周期

=

時(shí)刻3－時(shí)刻1=時(shí)刻4－時(shí)刻2

脈沖信號(hào)的脈寬

=時(shí)刻2－時(shí)刻1=時(shí)刻4－時(shí)刻3

當(dāng)被測(cè)脈沖信號(hào)的周期或脈寬小于定時(shí)器的溢出周期時(shí)：脈沖信號(hào)的周期或脈寬=對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)次數(shù)*計(jì)數(shù)周期

=對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)次數(shù)/計(jì)數(shù)頻率【知識(shí)鞏固】簡(jiǎn)述利用輸入捕獲測(cè)量脈沖信號(hào)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(dòng)構(gòu)件使用方法5.2.1MCU的Timer通道引腳

每個(gè)Timer的4個(gè)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(shí)現(xiàn)請(qǐng)參閱后續(xù)底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件頭文件中的宏定義。5.2.2Timer_PWM_INCAP底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的組成及使用方法

Timer_PWM_INCAP底層驅(qū)動(dòng)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(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(duì)PWM功能和輸入捕獲功能的操作。見(jiàn)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(duì)外接口函數(shù)的聲明，而timer_pwm_incap.c源文件則是對(duì)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timer_pwm_incap.h頭文件的內(nèi)容，即可使用Timer_PWM_INCAP底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件進(jìn)行編程。任務(wù)5.2掌握Timer_PWM_INCAP底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件使用方法【學(xué)以致用】

根據(jù)

timer_pwm_incap.h頭文件，寫(xiě)出實(shí)現(xiàn)下列功能的函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句。

（1）初始化TIMER1_CH1通道PWM，正極性、邊沿對(duì)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T(mén)IMER2_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(dòng)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(dòng)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(jì)07_Source（應(yīng)用層軟件構(gòu)件）的文件，以實(shí)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(shí)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(cè)量脈沖信號(hào)的周期和脈寬

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)：利用Timer的輸入捕獲功能（采用通道中斷方式）測(cè)量PWM信號(hào)的周期和脈寬，并通過(guò)UART使用printf函數(shù)向PC串口調(diào)試窗口輸出對(duì)應(yīng)的測(cè)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(hào)的周期和脈寬對(duì)應(yīng)的計(jì)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(duì)應(yīng)的計(jì)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(jì)算并

更新全局變量的值（脈沖信號(hào)周期和脈寬對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)次數(shù)）任務(wù)5.4利用輸入捕獲測(cè)量脈沖信號(hào)的周期和脈寬【學(xué)以致用與創(chuàng)新】

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

（2）計(jì)算并輸出脈沖信號(hào)的周期和脈寬。

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(duì)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(kāi)發(fā)難度。

本書(shū)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(shí)”→“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(shū)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(kāi)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(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)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(pán)測(cè)控、測(cè)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(jiǎn)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6利用ADC設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易數(shù)字電壓表【項(xiàng)目導(dǎo)讀】

在嵌入式測(cè)控系統(tǒng)中，往往需要通過(guò)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(biāo)】（1）理解ADC的通用知識(shí)，包括ADC的相關(guān)概念和最簡(jiǎn)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(dòng)構(gòu)件的使用方法。（3）掌握簡(jiǎn)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(dòng)構(gòu)件頭文件進(jìn)行ADC應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)的方法。*（4）熟悉MCU的ADC底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件源文件的設(shè)計(jì)方法。任務(wù)6.1理解ADC的通用知識(shí)1、

ADC的相關(guān)概念（1）轉(zhuǎn)換精度

設(shè)ADC的二進(jìn)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(hào)的量程為5V，則該ADC可以檢測(cè)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(shí)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(fèi)的時(shí)間。（3）單端輸入與差分輸入

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

差分輸入：兩個(gè)輸入引腳（VIN+、VIN-），ADC的采樣值是兩個(gè)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(shí)1、

ADC的相關(guān)概念（4）ADC參考電壓

A/D轉(zhuǎn)換需要一個(gè)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(dú)電源。（5）軟件濾波

為了使采樣的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，必須對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，去掉誤差較大的數(shù)據(jù)（毛刺）?？赏ㄟ^(guò)中值濾波或均值濾波實(shí)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(shí)際物理量對(duì)應(yīng)起來(lái)。

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(shí)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(shí)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(shí)

【知識(shí)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(dòng)構(gòu)件使用方法6.2.1MCU的ADC主要特性和引腳

STM32F103C8T6具有兩個(gè)12位的ADC模塊：ADC1和ADC2，均具有10個(gè)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(shí)鐘不得超過(guò)14MHz。ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間≥14個(gè)ADC時(shí)鐘周期，微妙級(jí)。6.2.2MCU的ADC底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的組成及使用方法

ADC底層驅(qū)動(dòng)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(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(duì)ADC的操作。見(jiàn)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(duì)外接口函數(shù)的聲明，而adc.c源文件則是對(duì)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adc.h頭文件的內(nèi)容，即可使用ADC底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件進(jìn)行編程。任務(wù)6.2掌握MCU的ADC底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件使用方法

【學(xué)以致用】

根據(jù)

adc.h頭文件，寫(xiě)出實(shí)現(xiàn)下列功能的函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句。

（1）對(duì)ADC1模塊進(jìn)行初始化。

（2）獲取ADC1通道8的A/D轉(zhuǎn)換值。6.3.1

簡(jiǎn)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(jiǎn)易數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)

MCU通過(guò)ADC對(duì)A端的模擬電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果可計(jì)算出A端對(duì)應(yīng)的電壓值：ADCresult

：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果對(duì)應(yīng)