單片機(jī)中與“時(shí)間”相關(guān)的模塊教學(xué)探討

蔡逢煌， 王 武

(福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院， 福建 福州 350116)

0 引言

我院在“單片機(jī)原理與應(yīng)用”這門課程的教學(xué)上逐步形成了具有自己特點(diǎn)的教學(xué)模式，我們把該課程的教學(xué)分成七大模塊：GPIO模塊、中斷模塊、定時(shí)器模塊、PWM 模塊、捕獲模塊、AD模塊和通信模塊，把各個(gè)模塊之間通過(guò)案例聯(lián)系起來(lái)，使各個(gè)模塊的教學(xué)即相對(duì)獨(dú)立又前后聯(lián)系。

其中，定時(shí)器模塊、捕獲模塊、PWM模塊都是與時(shí)間有關(guān)系的，其處理本質(zhì)上都是通過(guò)計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。定時(shí)器是通過(guò)計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)的；PWM模塊在計(jì)數(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)特定時(shí)刻對(duì)引腳輸出狀態(tài)的控制；捕獲模塊則是把引腳輸出狀態(tài)改變的那個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值記錄下來(lái)。

在先前的教學(xué)中，這三個(gè)模塊是相對(duì)獨(dú)立講授的，沒(méi)有把它們之間的內(nèi)在聯(lián)系介紹給學(xué)生。因此，學(xué)生學(xué)完后，只懂得單個(gè)模塊的應(yīng)用。由于沒(méi)有實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，不懂得如何把它們聯(lián)系起來(lái)應(yīng)用。在新教學(xué)安排上，我們采用循序漸進(jìn)的方法，結(jié)合案例引入解決了這一問(wèn)題。首先學(xué)習(xí)定時(shí)器模塊，然后學(xué)習(xí)PWM模塊，最后學(xué)習(xí)捕獲模塊。在教學(xué)案例的設(shè)計(jì)上特別關(guān)注這些模塊之間的內(nèi)在聯(lián)系，逐漸深入，最后接近于工程實(shí)際。

1 案例設(shè)計(jì)

教學(xué)案例的設(shè)計(jì)是依托硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的。硬件平臺(tái)采用價(jià)格低廉、攜帶方便和功能強(qiáng)大的“ 口袋實(shí)驗(yàn)室”，也就是TI公司的C2000 Piccolo TMS320F28027 LaunchPad最小系統(tǒng)板。該板通過(guò)USB接口與電腦連接，利用CCS軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行程序的編寫(xiě)、調(diào)試和燒寫(xiě)。“口袋實(shí)驗(yàn)室”使學(xué)生能超越課堂的空間和時(shí)間的限制，完成應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和理論算法的實(shí)踐，從而減輕了學(xué)生與教師的壓力[1-3]。

該板上有1個(gè)按鍵和4個(gè)LED燈。案例的設(shè)計(jì)是基于按鍵和LED以及編制程序?qū)崿F(xiàn)的。程序代碼要求可移植，也就是后面的案例可以在前面案例的基礎(chǔ)上完成，代碼有繼承性。

通過(guò)這幾年的教學(xué)實(shí)踐，我們?cè)O(shè)計(jì)和這些模塊相關(guān)的案例如下。

1.1 定時(shí)器模塊案例

設(shè)計(jì)一個(gè)按鍵控制顯示模式的工程案例，要求：

(1) 按鍵有：短按、長(zhǎng)按、雙擊三種功能；

(2) 顯示模式：跑馬燈顯示；顯示間隔時(shí)間由定時(shí)器計(jì)量。

(3) 按鍵控制功能：短按減少跑馬燈的顯示間隔時(shí)間；長(zhǎng)按增加跑馬燈的顯示間隔時(shí)間；雙擊恢復(fù)跑馬燈的顯示間隔時(shí)間為初始時(shí)間。

1.2 定時(shí)器+PWM模塊案例

(1) 按鍵有：短按、長(zhǎng)按、雙擊三種種功能(可直接移植定時(shí)器案例的按鍵處理程序)；

(2) 顯示模式：跑馬燈模式或者呼吸燈模式。呼吸燈模式是利用PWM控制LED的顯示亮度，從暗逐漸到亮。全亮后再逐漸變暗，全暗后，重復(fù)進(jìn)行。跑馬燈模式繼承1.1的案例。

(3) 按鍵控制功能：短按減少顯示間隔的周期；長(zhǎng)按增加顯示間隔的周期；雙擊進(jìn)行顯示模式的切換。

1.3 定時(shí)器+PWM+捕獲模塊案例：

(1) 繼承之前案例的按鍵處理功能和呼吸燈顯示功能。

(2) 顯示模式：雙擊進(jìn)行顯示切換----呼吸燈模式和捕獲值顯示模式。

(3) 呼吸燈模式------LED1慢慢亮，到最亮的時(shí)候保持住，然后LED2開(kāi)始慢慢變亮，到最亮的時(shí)候保持住，依次四個(gè)LED燈完全亮，保持一秒鐘，LED4慢慢暗，到熄滅后，LED3開(kāi)始慢慢變暗，依次四個(gè)LED燈完全暗。熄滅一秒鐘，再重復(fù)。(可移植案例1.2的呼吸燈顯示代碼進(jìn)行修改)。

(4) 按捕獲值控制LED顯示亮度--------對(duì)PWM輸出進(jìn)行捕獲(把PWM3A引腳接到捕獲口)，根據(jù)捕獲的占空比值控制LED顯示亮度。

0--25%: LED1(由PWM1A控制)亮度根據(jù)占空比按比例調(diào)節(jié)；

25%--50%: LED1全亮、LED2(由PWM1B控制)亮度根據(jù)占空比(0-25%)按比例調(diào)節(jié)；

50%--75%: LED1、LED2全亮， LED3(由PWM2A控制)亮度根據(jù)占空比(0-25%)按比例調(diào)節(jié)；

75%--100%: LED1、LED2、 LED3全亮，LED4(由PWM2B控制)亮度根據(jù)占空比(0-25%)按比例調(diào)節(jié)；

(5) 按鍵控制功能：短按-----PWM3A輸出占空比減小；長(zhǎng)按-----PWM3A輸出占空比增大；雙擊-----切換顯示模式。

2 案例分析

1.1節(jié)的定時(shí)器案例涉及到“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程GPIO模塊、定時(shí)器模塊、中斷模塊的應(yīng)用。寄存器的操作調(diào)用TI提供的底層驅(qū)動(dòng)庫(kù)函數(shù)。部分代碼如下：

/*定時(shí)器中斷周期1ms*/

interrupt void myTimer_CpuTimer0_isr(void)

{

msecond_key_counter++; //按鍵識(shí)別用

display_delay++; //跑馬燈顯示間隔時(shí)間

PIE_clearInt(myPie, PIE_GroupNumber_1);

//中斷應(yīng)答標(biāo)志位清零

}

說(shuō)明：定時(shí)器模塊提供授時(shí)服務(wù)。通過(guò)相關(guān)變量把時(shí)間傳遞給按鍵識(shí)別模塊和跑馬燈控制模塊。

學(xué)生在這部分容易出現(xiàn)的問(wèn)題：在定時(shí)器函數(shù)里面實(shí)現(xiàn)按鍵識(shí)別和跑馬燈控制，程序功能沒(méi)有按模塊化編程，各個(gè)功能融合一起時(shí)，程序可讀性差，可移植性差。

/*跑馬燈程序*/

void LED_Display(void)

{

if(display_delay > time_display_delay)

//time_display_delay為按鍵更改的時(shí)間延時(shí)

{

LED_off(LED[LED_Count]); //熄滅當(dāng)前LED

LED_Count++; //指向下一個(gè)LED

if(LED_Count >=4) LED_Count=0;

LED_on(LED[LED_Count]); //LED點(diǎn)亮

PIE_clearInt(myPie, PIE_GroupNumber_1);

//中斷應(yīng)答標(biāo)志位清零

}

}

按鍵對(duì)應(yīng)的IO口為外部中斷的輸入源。按鍵按下為高電平，按鍵放開(kāi)為低電平。上升沿和下降沿都可以觸發(fā)外部中斷。一個(gè)按鍵要識(shí)別成三個(gè)不同的功能：短按、長(zhǎng)按、雙擊。按鍵的算法思路為：上升沿中斷時(shí)判斷是否雙擊，并清零相關(guān)時(shí)間變量。下降沿時(shí)判斷長(zhǎng)按、短按。

學(xué)生在這部分功能實(shí)現(xiàn)上存在困難，主要是對(duì)算法的分析能力比較薄弱。特別是對(duì)雙擊的處理。程序編制方式雖然多樣，但是總體上不夠優(yōu)化。

/*按鍵中斷程序*/

interrupt void KEY_XINT1_isr3(void)

{

if(msecond_key_counter < 10) //兩次進(jìn)入中斷的時(shí)間小于10ms，判斷為抖動(dòng)

{

PIE_clearInt(myPie, PIE_GroupNumber_1);

return; //為按鍵抖動(dòng)，退出中斷

}

//上升沿

if(KEYPRESSED == GetKeyStatus(KEY1))

{

if(msecond_key_counter <250) //距上次按鍵放開(kāi)時(shí)間小于250ms，判斷為雙擊 {

Flag_KEY_PRESS_TWICE = 1; //雙擊標(biāo)志位,等待按鍵釋放后再處理 }

else key_status = 0;

msecond_key_counter = 0; //清計(jì)時(shí)

}

//下降沿時(shí)對(duì)應(yīng)按鍵放開(kāi)，進(jìn)行按鍵動(dòng)作的確認(rèn)

else if(KEYPRESSED != getKeyStatus(KEY1))

{

if(Flag_KEY_PRESS_TWICE == 1)

{

key_status = KEY_PRESS_TWICE; //雙擊

Flag_KEY_PRESS_TWICE = 0;

}

else if(msecond_key_counter > 350)

{

key_status = KEY_PRESS_LONG; //長(zhǎng)按

}

else if(msecond_key_counter > 100)

{

key_status = KEY_PRESS_SHORT; //短按

}

msecond_key_counter = 0; //清計(jì)時(shí)

}

PIE_clearInt(myPie, PIE_GroupNumber_1);

}

/*按鍵短按、長(zhǎng)按、雙擊處理*/

void KEY_MODE(void)

{

if(msecond_key_counter > 500)

{ switch(key_status)

{

case 1: time_dispaly_delay=time_dispaly_delay-200;

// 案例1

// mypwm_period = mypwm_period - 200; //案例2

// myCmp3A=myCmp3A-3000; //案例3

key_status = KEY_PRESS_NO;

break;

case 2: time_dispaly_delay=time_dispaly_delay+200;

// 案例1

// mypwm_period = mypwm_period + 200; //案例2

// myCmp3A=myCmp3A+3000; //案例3

key_status = KEY_PRESS_NO;

break;

case 3:

// time_dispaly_delay = TIME_INITIAL;

// 恢復(fù)初始值

display_mode=!display_mode; //顯示模式切換

key_status = KEY_PRESS_NO;

break;

default: break;

}

}

}

三個(gè)案例的按鍵程序基本一樣，可以直接進(jìn)行移植，在按鍵處理程序里面針對(duì)功能的不同可做部分修改。

學(xué)生容易出現(xiàn)的問(wèn)題是:程序沒(méi)有按模塊化編程，各個(gè)模塊的程序代碼嵌套在一起，可移植性差。

/*pwm中斷函數(shù)*/

interrupt void LED_EPWM3_isr(void)

{

PWM_huxideng1(); //呼吸燈改變占空比

PWM_capture(); //捕獲反饋模式改變占空比

if(pwm_mode == 0) //呼吸燈顯示模式

{

PWM_setCmpA(myPwm1,myCmp1A_huxi);

PWM_setCmpB(myPwm1,myCmp1B_huxi);

PWM_setCmpA(myPwm2,myCmp2A_huxi);

PWM_setCmpB(myPwm2,myCmp2B_huxi);

}

if(pwm_mode == 1) //捕獲顯示模式

{

PWM_setCmpA(myPwm1,myCmp1A_cap);

PWM_setCmpB(myPwm1,myCmp1B_cap);

PWM_setCmpA(myPwm2,myCmp2A_cap);

PWM_setCmpB(myPwm2,myCmp2B_cap);

}

PWM_setCmpA(myPwm3,myCmp3A);

//PWM3A輸出

PWM_clearIntFlag(myPwm3); //清中斷標(biāo)志位

PIE_clearInt(myPie, PIE_GroupNumber_3);

}

PWM_huxideng1()函數(shù)對(duì)應(yīng)呼吸燈模式改變占空比，PWM_capture()函數(shù)對(duì)捕獲反饋模式改變占空比，兩種方式相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行， 按鍵切換顯示方式。當(dāng)一種顯示模式工作時(shí)，另一種仍然在后臺(tái)運(yùn)行。

學(xué)生容易產(chǎn)生的問(wèn)題是：兩種顯示模式互相影響，即當(dāng)一種模式運(yùn)行時(shí)，另一種就停止運(yùn)行。這些問(wèn)題都是對(duì)軟件的模塊化思想不熟悉導(dǎo)致的。

由于篇幅限制，對(duì)其他軟件代碼感興趣者可以跟筆者聯(lián)系獲得。

3 教學(xué)反饋

從以上的案例設(shè)計(jì)來(lái)看，由于前后模塊有繼承性，通過(guò)這種訓(xùn)練培養(yǎng)學(xué)生對(duì)軟件工程的模塊化思維。從近三年的教學(xué)效果來(lái)看，學(xué)生在學(xué)完這些模塊后，對(duì)知識(shí)的理解和接受程度上出現(xiàn)明顯的分化，有的學(xué)生邏輯思維能力和編程能力比較強(qiáng)，能順利地完成課堂布置的作業(yè)(根據(jù)統(tǒng)計(jì)，這部分學(xué)生只占10%左右)；其他的大部分學(xué)生，完成相關(guān)的課堂作業(yè)有困難，主要體現(xiàn)在：①對(duì)模塊的工作原理較難理解；②對(duì)模塊大概理解了，但是不知道怎么轉(zhuǎn)換為程序代碼；③對(duì)模塊理解了，也能轉(zhuǎn)換為程序代碼，但是如何完成工程實(shí)現(xiàn)存在困難；④可以完成功能實(shí)現(xiàn)，但是整個(gè)程序結(jié)構(gòu)混亂，程序可讀性差。

導(dǎo)致產(chǎn)生這些問(wèn)題的原因是：①基礎(chǔ)比較薄弱，“電路”和“數(shù)字電子技術(shù)”課程的知識(shí)點(diǎn)沒(méi)掌握好；②計(jì)算機(jī)的相關(guān)概念沒(méi)有理解，對(duì)軟件控制硬件的原理理解不清楚；還有C語(yǔ)言的基礎(chǔ)較薄弱；③對(duì)模塊之間的聯(lián)系缺乏整體概念，不善于從系統(tǒng)的層面來(lái)分析問(wèn)題；④缺少軟件工程的思維，程序的結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化理解不透徹，軟件代碼質(zhì)量低。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，在后續(xù)的教學(xué)過(guò)程中，我們打算努力做到：學(xué)生首先獨(dú)立完成案例，然后教師對(duì)每個(gè)學(xué)生的軟件進(jìn)行檢測(cè)，針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中存在的典型問(wèn)題進(jìn)行分析講解，然后學(xué)生對(duì)自己編寫(xiě)的程序再次進(jìn)行改進(jìn)，逐步完善，達(dá)到程序的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。

4 結(jié)語(yǔ)

定時(shí)器模塊、PWM模塊、捕獲模塊是單片機(jī)的重要組成部分，它們都與時(shí)間有關(guān)。通過(guò)案例的設(shè)計(jì)，既讓學(xué)生懂得單個(gè)模塊的使用，更懂得如何綜合應(yīng)用各個(gè)模塊完成一項(xiàng)工程，滿足軟件的模塊化、規(guī)范化和可移植性。實(shí)踐證明，引入工程案例和任務(wù)驅(qū)動(dòng)法開(kāi)展課堂和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)。

[1] 張江印.高校單片機(jī)教學(xué)模式的研究[J].上海：實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(9)：103-106.(蔡逢煌等文)

[2] 蔡逢煌，王武. 嵌入式類課程教學(xué)的思考和實(shí)踐[J]，南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37(1)：24-25.

[3] 曹靜,江世明.模塊化單片機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].邵陽(yáng)：邵陽(yáng)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，08(3)：23-25.