基于單片機的信號測量教學案例設(shè)計

摘要：為了鍛煉學生單片機系統(tǒng)軟硬件設(shè)計能力，為工程實際應(yīng)用打下堅實基礎(chǔ)，根據(jù)學生專業(yè)特點，精心設(shè)計了基于單片機的信號測量實踐教學案例。本案例實現(xiàn)了信號的周期、頻率測量和通過串口傳輸，經(jīng)過改進后還可以實現(xiàn)占空比的測量。

關(guān)鍵詞：CubeMx，前后臺編程，輸入捕獲，占空比

一、引言

《單片機原理及應(yīng)用》是計算機科學與技術(shù)專業(yè)嵌入式方向的一門研究微機原理、接口技術(shù)及程序設(shè)計的專業(yè)拓展課程。本課程擔負著認識理解微控制器工作原理、掌握單片機控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計，為嵌入式專業(yè)課程打下專業(yè)基礎(chǔ)的任務(wù)[1-2]。本課程簡明扼要地講授STM32單片機芯片的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理，系統(tǒng)討論了單片機主要系統(tǒng)資源的設(shè)計方法，并為單片機系統(tǒng)設(shè)計進行了必要準備。主要內(nèi)容包括STM32單片機的硬件結(jié)構(gòu)、C語言程序設(shè)計、單片機內(nèi)部主要模塊的功能實現(xiàn)、外部接口的應(yīng)用設(shè)計以及初步的單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計等內(nèi)容。

考慮到課程應(yīng)用性強的特點，為了鍛煉學生單片機系統(tǒng)軟硬件設(shè)計能力，為工程實際應(yīng)用打下堅實基礎(chǔ)，課程以STM32CubeMX軟件和MDK-ARM軟件來學習單片機編程，其中STM32CubeMX采用圖形化方式完成外設(shè)初始化的設(shè)計[3]，在MDK-ARM編程中，引入了較多先進的編程思想，硬件采用較新的STM32Nucleo開發(fā)板和STM32F411RE控制器。

課程在鍛煉學生軟硬件設(shè)計能力的同時，引入了前后臺編程思想、圖形化的初始化設(shè)計思想、狀態(tài)機設(shè)計思想等，并引入了實際項目開發(fā)中自定義幀格式、復雜信號測量等常用的綜合性技能項目，對于學生實踐能力的鍛煉很有好處。本文以信號測量項目為案例，可以在較短的課時內(nèi)讓學生掌握單片機定時器、串口的實踐應(yīng)用。

二、信號測量案例分析

1、任務(wù)內(nèi)容

本次信號測量任務(wù)屬于定時器的輸入捕獲功能應(yīng)用[4-5]，并用到之前學習的定時器PWM輸出功能，以及后續(xù)將要介紹的串口通訊。知識點包括引腳選擇、參數(shù)計算，數(shù)據(jù)定義，接口函數(shù)調(diào)用等，具體實現(xiàn)了信號的周期、頻率測量和通過串口傳輸，經(jīng)過改進后還可以實現(xiàn)占空比的測量。

外部脈沖信號利用A定時器的某通道產(chǎn)生，利用B定時器的某通道來測量一個外部脈沖信號的周期、頻率和占空比，通過杜邦線與前述測量通道連接。如圖1所示，通過計算t2，t3與t1的時間差，即可實現(xiàn)信號測量，時間差為對應(yīng)的計數(shù)脈沖個數(shù)乘以計數(shù)脈沖周期數(shù)，計數(shù)脈沖個數(shù)通過輸入捕獲功能進行記錄。

2、設(shè)計思路

1）、設(shè)置某引腳為定時器A的通道，利用定時器A的PWM輸出功能，輸出一定頻率和占空比的方波;

2）、配置B定時器的某通道為輸入捕獲模式，采用上升沿觸發(fā)。設(shè)置合理的預分頻系數(shù)和最大計數(shù)值;

3）、采用前后臺編程模式。在輸入捕獲中斷的回調(diào)函數(shù)中，設(shè)置測量完成標志，主程序中檢測該標志，一旦置位則計算信號的周期和頻率，并清除標志位。

三、項目設(shè)置

1、引腳選擇

引導學生在CubeMx軟件的Pinoutview界面查看STM32F411RETx芯片引腳功能。

1）、串口RX、TX引腳選擇。USART1使用PA10、PA9引腳;USART2使用PA3、PA2引腳;USART1使用PC7、PC6引腳。根據(jù)硬件實際情況，選擇USART2作為示例，使用PA3、PA2引腳。

2）、在本任務(wù)中既需要定時器作輸入捕獲，也需要作PWM輸出來使用，經(jīng)觀察，在排除PA3、PA2引腳的條件下，定時器的引腳列于下方。

TIM1_CH1：PA8;TIM1_CH2：PA9;TIM1_CH3：PA10;TIM1_CH4：PA11;

TIM2_CH1：PA0，PA5，PA15;TIM2_CH2：PA1，PB3;TIM2_CH3：PB10;

TIM3_CH1：PA6，PB4，PC6;TIM3_CH2：PA7，PB5，PC7;TIM3_CH3：PB0，PC8;TIM3_CH4：PB1，PC9;

TIM4_CH1：PB6;TIM4_CH2：PB7;TIM4_CH3：PB8;TIM4_CH4：PB9;

TIM5_CH1：PA0;TIM5_CH2：PA1;

TIM10_CH1：PB8;TIM11_CH1：PB9;

經(jīng)討論，根據(jù)被提問學生的意見選擇一組，比如示例中選擇TIM1_CH1的PA8、TIM2_CH1的PA0，分別作為PWM輸出和輸入捕獲功能使用，實物中將兩引腳連接起來。選擇的引腳如圖2所示。

2、TIM1配置：

1）ClockSource：InternalClock，選擇時鐘源為內(nèi)部時鐘;

2）Channel1：PWMGenerationCH1，選擇通道1為PWM輸出;

3）如果輸出一個頻率為50KHz，占空比60%的方波，該如何設(shè)計參數(shù)？

根據(jù)公式Period=（ARR+1）（PSC+1）/TIM1_CLK，其中周期Period=1/50K=20us，TIM1_CLK=100MHz，引導學生計算ARR和PSC的取值，從學生計算的結(jié)果中選擇一組，比如ARR=19（CounterSettings的CounterPeriod參數(shù)），PSC=99（CounterSettings的Prescaler參數(shù)）;

根據(jù)占空比60%，易于算出CCR（PWMGenerationChannel 1 的Pulse參數(shù)）應(yīng)為12。

3、TIM2配置：

1）ClockSource：InternalClock，選擇時鐘源為內(nèi)部時鐘;

2）Channel1：InputCapturedirectmode，選擇通道1為輸入捕獲模式，捕獲通道為直接輸入方式;

3）引導學生分析ARR和PSC的值該如何選?。狠斎氲姆讲ㄐ盘栐谶呇靥帉⑦M行捕獲，此時記錄下計數(shù)值（最大為ARR），顯然ARR越大，可以測量的信號脈寬越大，故此處應(yīng)將ARR設(shè)的足夠大，建議ARR（CounterSettings的CounterPeriod參數(shù)）取最大值0XFFFFFFFF;計數(shù)的周期越小，對信號周期的測量越準確，故沒必要預分頻，建議PSC（CounterSettings的Prescaler參數(shù)）取0;

4）在邊沿處進行捕獲時，采用中斷方式處理較為方便，故將NVICSettings的TIM4 globalinterrupt使能。

4、系統(tǒng)內(nèi)核設(shè)置

1）在RCC模式和配置中，將HSE來源設(shè)為旁路時鐘源（BYPASS Clock Source）;

2）在SYS模式和配置中，將debug設(shè)置為串口調(diào)試（SerialWire）;

5、時鐘配置

1）Inputfrequency（輸入時鐘頻率）：8MHz;

2）PLLSourceMux（鎖相環(huán)時鐘源）：HSE;

3）SystemClockMux（系統(tǒng)時鐘源）：PLLCLK;

4）HCLK：100MHz。

四、程序設(shè)計

1、變量定義

2、用戶初始化設(shè)置

用戶初始化流程如圖3（a）所示，是在由CubeMx軟件自動生成的外設(shè)初始化代碼之后，由用戶編寫的初始化代碼，實現(xiàn)了啟動TIM2_CH1的輸入捕獲和啟動TIM1_CH1的PWM輸出功能。

3、前臺程序

前臺程序如圖3（b）所示，其中第一、第二次捕獲分別對應(yīng)圖1的t1和t3時刻，完成2次捕獲后，將置位測量完成標志MeasureFlag = 1，供后臺程序使用。

4、后臺程序

當前臺（即TIM2的輸入捕獲中斷函數(shù)）測量完成，即捕獲到圖1中的t1和t3時刻計數(shù)值，后臺將在死循環(huán)中計算捕獲差值，并計算信號周期、頻率通過串口輸出，當然還要清除測量完成標志，以利于新的捕獲，其流程如圖4（a）所示。

討論：程序中通過計算TIM2兩次捕獲值之差，乘以1個脈沖的周期（1/100000000s），計算得到測量信號周期。很明顯只適用于測量信號周期不太大的情況，因為一旦測量信號周期太大，TIM2的第二個捕獲值可能溢出。引導學生討論測量信號周期的最大值，易于計算得到，應(yīng)為（0xFFFFFFFF+）/100000000=42.95s，足夠滿足普通應(yīng)用需求。

如果想擴大對被測信號周期的測量，可以考慮第二次捕獲加上計數(shù)溢出值即可。對應(yīng)的程序流程如圖4（b）所示。當然修改后的程序，對測量信號周期仍然有范圍限制，易于想到，其值約為42.95×2=84s。

5、實驗結(jié)果

編譯并燒寫可執(zhí)行文件后，可在實物上觀察對信號周期和頻率的測量結(jié)果。連接串口，接收到的結(jié)果如下框所示，非常準確。

五、案例的改進

在上述案例中，通過捕獲t1，t3時刻的計數(shù)值后計算差值，即可完成對信號周期和頻率的測量。如果想實現(xiàn)占空比的測量，思路也較為簡單，下面從前后臺程序分別進行介紹。

1、前臺程序

如圖5所示，第一次捕獲對應(yīng)t1時刻（見圖1），將保存捕獲值CapVal1，修改捕獲標識CapIndex=1，以及設(shè)置為下降沿中斷。接下來在下降沿時，將再次成功捕獲對應(yīng)t2時刻，根據(jù)捕獲標志即可判斷出屬于第二次捕獲，此時保存捕獲值CapVal2，修改捕獲標識CapIndex=2，以及設(shè)置為上升沿中斷。接下來在上升沿時，將再次成功捕獲對應(yīng)t3時刻，根據(jù)捕獲標志即可判斷出屬于第三次捕獲，此時保存捕獲值CapVal3，重置捕獲標識CapIndex=0，并置位測量完成標識MeasureFlag=1，供后臺程序查詢使用。

2、后臺程序

后臺程序流程圖見圖6所示，分別根據(jù)CapVal2與CapVal1的差值、CapVal3與CapVal1的差值是否大于零，判斷TIM2是否在圖1中的t2與t1中間、t3與t1中間存在計數(shù)溢出情況，如存在將分別加上2^32，從而擴大了對信號周期的測量范圍，具體分析與四、4節(jié)的分析類似。

3、實驗結(jié)果

編譯并燒寫可執(zhí)行文件后，可在實物上觀察對信號周期、頻率和占空比的測量結(jié)果。連接串口，接收到的結(jié)果如下所示，非常準確。

六、總結(jié)

從本案例可以看出，課程體現(xiàn)了較強的應(yīng)用性，學生通過STM32CubeMX軟件的圖形化操作完成外設(shè)初始化的設(shè)計，將在MDK-ARM軟件中自動生成初始化代碼;在MDK-ARM編程應(yīng)用時，采用了前后臺的編程思想，使得程序結(jié)構(gòu)較為清晰;案例實踐中，引入了定時器計數(shù)溢出、通過修改邊沿捕獲方式計算信號占空比等討論，對定時器的設(shè)計應(yīng)用學習更為深入。通過對本案例的設(shè)計、討論與實現(xiàn)，培養(yǎng)了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計技能，開發(fā)了學生的創(chuàng)新思維，提高學生的自學、分析和解決問題的能力。

參考文獻

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作者簡介：李向陽（1984-），男，浙江寧波人，博士，副教授，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)

[項目]教育部2019年第二批產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目：《單片機原理及應(yīng)用》重構(gòu)式教學示范課程（項目編號：201902312002）;寧波市公益項目（項目編號：2019C10051）