單片機中與“時間”相關(guān)的模塊教學(xué)探討

蔡逢煌， 王 武

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

0 引言

我院在“單片機原理與應(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、定時器模塊、PWM 模塊、捕獲模塊、AD模塊和通信模塊，把各個模塊之間通過案例聯(lián)系起來，使各個模塊的教學(xué)即相對獨立又前后聯(lián)系。

其中，定時器模塊、捕獲模塊、PWM模塊都是與時間有關(guān)系的，其處理本質(zhì)上都是通過計數(shù)器來實現(xiàn)的。定時器是通過計數(shù)來實現(xiàn)計時的；PWM模塊在計數(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)特定時刻對引腳輸出狀態(tài)的控制；捕獲模塊則是把引腳輸出狀態(tài)改變的那個時刻對應(yīng)的計數(shù)值記錄下來。

在先前的教學(xué)中，這三個模塊是相對獨立講授的，沒有把它們之間的內(nèi)在聯(lián)系介紹給學(xué)生。因此，學(xué)生學(xué)完后，只懂得單個模塊的應(yīng)用。由于沒有實際工程經(jīng)驗，不懂得如何把它們聯(lián)系起來應(yīng)用。在新教學(xué)安排上，我們采用循序漸進的方法，結(jié)合案例引入解決了這一問題。首先學(xué)習(xí)定時器模塊，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，最后接近于工程實際。

1 案例設(shè)計

教學(xué)案例的設(shè)計是依托硬件平臺實現(xiàn)的。硬件平臺采用價格低廉、攜帶方便和功能強大的“ 口袋實驗室”，也就是TI公司的C2000 Piccolo TMS320F28027 LaunchPad最小系統(tǒng)板。該板通過USB接口與電腦連接，利用CCS軟件開發(fā)平臺進行程序的編寫、調(diào)試和燒寫?！翱诖鼘嶒炇摇笔箤W(xué)生能超越課堂的空間和時間的限制，完成應(yīng)用程序的設(shè)計和理論算法的實踐，從而減輕了學(xué)生與教師的壓力[1-3]。

該板上有1個按鍵和4個LED燈。案例的設(shè)計是基于按鍵和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。

通過這幾年的教學(xué)實踐，我們設(shè)計和這些模塊相關(guān)的案例如下。

1.1 定時器模塊案例

設(shè)計一個按鍵控制顯示模式的工程案例，要求：

(1) 按鍵有：短按、長按、雙擊三種功能；

(2) 顯示模式：跑馬燈顯示；顯示間隔時間由定時器計量。

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

1.2 定時器+PWM模塊案例

(1) 按鍵有：短按、長按、雙擊三種種功能(可直接移植定時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；長按增加顯示間隔的周期；雙擊進行顯示模式的切換。

1.3 定時器+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，到最亮的時候保持住，然后LED2開始慢慢變亮，到最亮的時候保持住，依次四個LED燈完全亮，保持一秒鐘，LED4慢慢暗，到熄滅后，LED3開始慢慢變暗，依次四個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行修改)。

(4) 按捕獲值控制LED顯示亮度--------對PWM輸出進行捕獲(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??；長按-----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)的定時器案例涉及到“單片機原理與應(yīng)用”課程GPIO模塊、定時器模塊、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)動庫函數(shù)。部分代碼如下：

/*定時器中斷周期1ms*/

interrupt void myTimer_CpuTimer0_isr(void)

{

msecond_key_counter++; //按鍵識別用

display_delay++; //跑馬燈顯示間隔時間

PIE_clearInt(myPie, PIE_GroupNumber_1);

//中斷應(yīng)答標志位清零

}

說明：定時器模塊提供授時服務(wù)。通過相關(guān)變量把時間傳遞給按鍵識別模塊和跑馬燈控制模塊。

學(xué)生在這部分容易出現(xiàn)的問題：在定時器函數(shù)里面實現(xiàn)按鍵識別和跑馬燈控制，程序功能沒有按模塊化編程，各個功能融合一起時，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為按鍵更改的時間延時

{

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

LED_Count++; //指向下一個LED

if(LED_Count >=4) LED_Count=0;

LED_on(LED[LED_Count]); //LED點亮

PIE_clearInt(myPie, PIE_GroupNumber_1);

//中斷應(yīng)答標志位清零

}

}

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

學(xué)生在這部分功能實現(xiàn)上存在困難，主要是對算法的分析能力比較薄弱。特別是對雙擊的處理。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) //兩次進入中斷的時間小于10ms，判斷為抖動

{

PIE_clearInt(myPie, PIE_GroupNumber_1);

return; //為按鍵抖動，退出中斷

}

//上升沿

if(KEYPRESSED == GetKeyStatus(KEY1))

{

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

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

else key_status = 0;

msecond_key_counter = 0; //清計時

}

//下降沿時對應(yīng)按鍵放開，進行按鍵動作的確認

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; //長按

}

else if(msecond_key_counter > 100)

{

key_status = KEY_PRESS_SHORT; //短按

}

msecond_key_counter = 0; //清計時

}

PIE_clearInt(myPie, PIE_GroupNumber_1);

}

/*按鍵短按、長按、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;

}

}

}

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

學(xué)生容易出現(xiàn)的問題是:程序沒有按模塊化編程，各個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); //清中斷標志位

PIE_clearInt(myPie, PIE_GroupNumber_3);

}

PWM_huxideng1()函數(shù)對應(yīng)呼吸燈模式改變占空比，PWM_capture()函數(shù)對捕獲反饋模式改變占空比，兩種方式相對獨立運行， 按鍵切換顯示方式。當(dāng)一種顯示模式工作時，另一種仍然在后臺運行。

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

由于篇幅限制，對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)計來看，由于前后模塊有繼承性，通過這種訓(xùn)練培養(yǎng)學(xué)生對軟件工程的模塊化思維。從近三年的教學(xué)效果來看，學(xué)生在學(xué)完這些模塊后，對知識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，能順利地完成課堂布置的作業(yè)(根據(jù)統(tǒng)計，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對模塊的工作原理較難理解；②對模塊大概理解了，但是不知道怎么轉(zhuǎn)換為程序代碼；③對模塊理解了，也能轉(zhuǎn)換為程序代碼，但是如何完成工程實現(xiàn)存在困難；④可以完成功能實現(xiàn)，但是整個程序結(jié)構(gòu)混亂，程序可讀性差。

導(dǎo)致產(chǎn)生這些問題的原因是：①基礎(chǔ)比較薄弱，“電路”和“數(shù)字電子技術(shù)”課程的知識點沒掌握好；②計算機的相關(guān)概念沒有理解，對軟件控制硬件的原理理解不清楚；還有C語言的基礎(chǔ)較薄弱；③對模塊之間的聯(lián)系缺乏整體概念，不善于從系統(tǒng)的層面來分析問題；④缺少軟件工程的思維，程序的結(jié)構(gòu)化、標準化理解不透徹，軟件代碼質(zhì)量低。

針對上述存在的問題，在后續(xù)的教學(xué)過程中，我們打算努力做到：學(xué)生首先獨立完成案例，然后教師對每個學(xué)生的軟件進行檢測，針對學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的典型問題進行分析講解，然后學(xué)生對自己編寫的程序再次進行改進，逐步完善，達到程序的標準化和規(guī)范化。

4 結(jié)語

定時器模塊、PWM模塊、捕獲模塊是單片機的重要組成部分，它們都與時間有關(guān)。通過案例的設(shè)計，既讓學(xué)生懂得單個模塊的使用，更懂得如何綜合應(yīng)用各個模塊完成一項工程，滿足軟件的模塊化、規(guī)范化和可移植性。實踐證明，引入工程案例和任務(wù)驅(qū)動法開展課堂和實驗實踐教學(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.高校單片機教學(xué)模式的研究[J].上海：實驗室研究與探索，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)的思考和實踐[J]，南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報，2015，37(1)：24-25.

[3] 曹靜,江世明.模塊化單片機實驗平臺的設(shè)計[J].邵陽：邵陽學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，08(3)：23-25.