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從大學(xué)參加電子設計大賽到現在，在單片機學(xué)習的道路上也有幾年的摸索了，把自己的一些心得體會(huì )分享給大家。 初學(xué)單片機時(shí)，往往都會(huì )糾結于其各個(gè)模塊功能的應用，如串口（232，485）對各種功能IC的控制,電機控制PWM，中斷應用，定時(shí)器應用，人機界面應用，CAN總線(xiàn)等. 這是一個(gè)學(xué)習過(guò)程中必需的階段，是基本功。很慶幸，在參加電子設計大賽賽前培訓時(shí)，MCU周?chē)目刂贫加柧毜暮茉鷮?shí)。經(jīng)過(guò)這個(gè)階段后，后來(lái)接觸不同的MCU就會(huì )發(fā)現，都大同小異，各有各的優(yōu)勢而已，學(xué)任何一種新的MCU都很容易入手包括一些復雜的處理器。而且對MCU的編程控制會(huì )提升一個(gè)高度概況——就是對各種外圍進(jìn)行控制(如果是對復雜算法的運算就會(huì )用DSP了），而外圍與MCU的通信方式一般也就幾種時(shí)序：IIC,SPI,intel8080,M6800。這樣看來(lái)MCU周?chē)木幊叹褪且粋�(gè)很簡(jiǎn)單的東西了。 然而這只是嵌入式開(kāi)發(fā)中的一點(diǎn)皮毛而已，在接觸過(guò)多種MCU,接觸過(guò)復雜設計要求，跑過(guò)操作系統等等后，我們在回到單片機的裸機開(kāi)發(fā)時(shí)，就不知不覺(jué)的就會(huì )考慮到整個(gè)程序設計的架構問(wèn)題；一個(gè)好的程序架構，是一個(gè)有經(jīng)驗的工程師和一個(gè)初學(xué)者的分水嶺。 以下是我對單片機程序框架以及開(kāi)發(fā)中一些常用部分的認識總結： 任何對時(shí)間要求苛刻的需求都是我們的敵人，在必要的時(shí)候我們只有增加硬件成本來(lái)消滅它；比如你要8個(gè)數碼管來(lái)顯示，我們在沒(méi)有相關(guān)的硬件支持的時(shí)候必須用MCU以動(dòng)態(tài)掃描的方式來(lái)使其工作良好；而動(dòng)態(tài)掃描將或多或少的阻止了MCU處理其他的事情。在MCU負擔很重的場(chǎng)合，我會(huì )選擇選用一個(gè)類(lèi)似max8279外圍ic來(lái)解決這個(gè)困擾； 然而慶幸的是，有著(zhù)許多不是對時(shí)間要求苛刻的事情： 例如鍵盤(pán)的掃描，人們敲擊鍵盤(pán)的速率是有限的，我們無(wú)需實(shí)時(shí)掃描著(zhù)鍵盤(pán)，甚至可以每隔幾十ms才去掃描一下；然而這個(gè)幾十ms的間隔，我們的MCU還可以完成許多的事情； 單片機雖然是裸機奔跑，但是往往現實(shí)的需要決定了我們必須跑出操作系統的姿態(tài)——多任務(wù)程序； 比如一個(gè)常用的情況有4個(gè)任務(wù)： 1 鍵盤(pán)掃描； 2 led數碼管顯示； 3 串口數據需要接受和處理; 4 串口需要發(fā)送數據； 如何來(lái)構架這個(gè)單片機的程序將是我們的重點(diǎn)； 讀書(shū)時(shí)代的我會(huì )把鍵盤(pán)掃描用查詢(xún)的方式放在主循環(huán)中，而串口接收數據用中斷，在中斷服務(wù)函數中組成相應的幀格式后置位相應的標志位，在主函數的循環(huán)中進(jìn)行數據的處理，串口發(fā)送數據以及l(fā)ed的顯示也放在主循環(huán)中； 這樣整個(gè)程序就以標志變量的通信方式，相互配合的在主循環(huán)和后臺中斷中執行； 然而必須指出其不妥之處： 每個(gè)任務(wù)的時(shí)間片可能過(guò)長(cháng)，這將導致程序的實(shí)時(shí)性能差。如果以這樣的方式在多加幾個(gè)任務(wù)，使得一個(gè)循環(huán)的時(shí)間過(guò)長(cháng)，可能鍵盤(pán)掃描將很不靈敏。所以若要建立一個(gè)良好的通用編程模型，我們必須想辦法，消去每個(gè)任務(wù)中費時(shí)間的部分以及把每個(gè)任務(wù)再次分解；下面來(lái)細談每個(gè)任務(wù)的具體措施： 1 鍵盤(pán)掃描 鍵盤(pán)掃描是單片機的常用函數，以下指出常用的鍵盤(pán)掃描程序中，嚴重阻礙系統實(shí)時(shí)性能的地方； 眾所周知，一個(gè)鍵按下之后的波形是這樣的（假定低有效）： 在有鍵按下后，數據線(xiàn)上的信號出現一段時(shí)間的抖動(dòng)，然后為低，然后當按鍵釋放時(shí)，信號抖動(dòng)一段時(shí)間后變高。當然，在數據線(xiàn)為低或者為高的過(guò)程中，都有可能出現一些很窄的干擾信號。 unsigned char kbscan(void) { unsigned char sccode,recode; P2=0xf8; if ((P2&0xf8)!=0xf8) { delay(100); //延時(shí)20ms去抖--------這里太費時(shí)了，很糟糕 if((P2&0xf8)!=0xf8) { sccode=0xfe; while((sccode&0x08)!=0) { P2=sccode; if ((P2&0xf8)!=0xf8) break; sccode=(sccode<<1)|0x01; } recode=(P2&0xf8)|0x0f; return(sccode&recode); } } return (KEY_NONE); } 鍵盤(pán)掃描是需要軟件去抖的，這沒(méi)有爭議，然而該函數中用軟件延時(shí)來(lái)去抖（ms級別的延時(shí)），這是一個(gè)維持系統實(shí)時(shí)性能的一個(gè)大忌諱； 一般還有一個(gè)判斷按鍵釋放的代碼： While( kbscan() != KEY_NONE) ; //死循環(huán)等待 這樣很糟糕，如果把鍵盤(pán)按下一直不放，這將導致整個(gè)系統其它的任務(wù)也不能執行，這將是個(gè)很?chē)乐氐腷ug。 有人會(huì )這樣進(jìn)行處理： While(kbsan() != KEY_NONE ) { Delay(10); If(Num++ > 10) Break; } 即在一定得時(shí)間內，如果鍵盤(pán)一直按下，將作為有效鍵處理。這樣雖然不導致整個(gè)系統其它任務(wù)不能運行，但也很大程度上，削弱了系統的實(shí)時(shí)性能，因為他用了延時(shí)函數； 我們用兩種有效的方法來(lái)解決此問(wèn)題： 1 在按鍵功能比較簡(jiǎn)單的情況下，我們仍然用上面的kbscan()函數進(jìn)行掃描，只是把其中去抖用的軟件延時(shí)去了，把去抖以及判斷按鍵的釋放用一個(gè)函數來(lái)處理，它不用軟件延時(shí)，而是用定時(shí)器的計時(shí)（用一般的計時(shí)也行）來(lái)完成；代碼如下 void ClearKeyFlag(void) { KeyDebounceFlg = 0; KeyReleaseFlg = 0; } void ScanKey(void) { ++KeyDebounceCnt;//去抖計時(shí)（這個(gè)計時(shí)也可以放在后臺定時(shí)器計時(shí)函數中處理） KeyCode = kbscan(); if (KeyCode != KEY_NONE) { if (KeyDebounceFlg)//進(jìn)入去抖狀態(tài)的標志位 { if (KeyDebounceCnt > DEBOUNCE_TIME)//大于了去抖規定的時(shí)間 { if (KeyCode == KeyOldCode)//按鍵依然存在，則返回鍵值 { KeyDebounceFlg = 0; KeyReleaseFlg = 1;//釋放標志 return; //Here exit with keycode } ClearKeyFlag(); //KeyCode != KeyOldCode，只是抖動(dòng)而已 } }else{ if (KeyReleaseFlg == 0) { KeyOldCode = KeyCode; KeyDebounceFlg = 1; KeyDebounceCnt = 0; }else{ if (KeyCode != KeyOldCode) ClearKeyFlag(); } } }else{ ClearKeyFlag();//沒(méi)有按鍵則清零標志 } KeyCode = KEY_NONE; } 在按鍵情況較復雜的情況，如有長(cháng)按鍵，組合鍵，連鍵等一些復雜功能的按鍵時(shí)候，我們跟傾向于用狀態(tài)機來(lái)實(shí)現鍵盤(pán)的掃描； // avr 單片機 中4*3掃描狀態(tài)機實(shí)現 char read_keyboard_FUN2() { static char key_state = 0, key_value, key_line,key_time; char key_return = No_key,i; switch (key_state) { case 0: //最初的狀態(tài)，進(jìn)行3*4的鍵盤(pán)掃描 key_line = 0b00001000; for (i=1; i<=4; i++) // 掃描鍵盤(pán) { PORTD = ~key_line; // 輸出行線(xiàn)電平 PORTD = ~key_line; // 必須送2次�。。。ㄗ�1） key_value = Key_mask & PIND; // 讀列電平 if (key_value == Key_mask) key_line <<= 1; // 沒(méi)有按鍵，繼續掃描 else { key_state++; // 有按鍵，停止掃描 break; // 轉消抖確認狀態(tài) } } break; case 1: //此狀態(tài)來(lái)判斷按鍵是不是抖動(dòng)引起的 if (key_value == (Key_mask & PIND)) // 再次讀列電平， { key_state++; // 轉入等待按鍵釋放狀態(tài) key_time=0; } else key_state--; // 兩次列電平不同返回狀態(tài)0，（消抖處理） break; case 2: // 等待按鍵釋放狀態(tài) PORTD = 0b00000111; // 行線(xiàn)全部輸出低電平 PORTD = 0b00000111; // 重復送一次 if ( (Key_mask & PIND) == Key_mask) { key_state=0; // 列線(xiàn)全部為高電平返回狀態(tài)0 key_return= (key_line | key_value);//獲得了鍵值 } else if(++key_time>=100)//如果長(cháng)時(shí)間沒(méi)有釋放 { key_time=0; key_state=3;//進(jìn)入連鍵狀態(tài) key_return= (key_line | key_value); } break; case 3://對于連鍵，每隔50ms就得到一次鍵值，windows xp 系統就是這樣做的 PORTD = 0b00000111; // 行線(xiàn)全部輸出低電平 PORTD = 0b00000111; // 重復送一次 if ( (Key_mask & PIND) == Key_mask) key_state=0; // 列線(xiàn)全部為高電平返回狀態(tài)0 else if(++key_time>=5) //每隔50MS為一次連擊的按鍵 { key_time=0; key_return= (key_line | key_value); } break; } return key_return; } 以上用了4個(gè)狀態(tài)，一般的鍵盤(pán)掃描只用前面3個(gè)狀態(tài)就可以了，后面一個(gè)狀態(tài)是為增加“連鍵”功能設計的。連鍵——即如果按下某個(gè)鍵不放，則迅速的多次響應該鍵值，直到其釋放。在主循環(huán)中每隔10ms讓該鍵盤(pán)掃描函數執行一次即可；我們定其時(shí)限為10ms,當然要求并不嚴格。 2 數碼管的顯示 一般情況下我們用的八位一體的數碼管，采用動(dòng)態(tài)掃描的方法來(lái)完成顯示；非常慶幸人眼在高于50hz以上的閃爍時(shí)發(fā)現不了的。所以我們在動(dòng)態(tài)掃描數碼管的間隔時(shí)間是充裕的。這里我們定其時(shí)限為4ms(250HZ) ，用定時(shí)器定時(shí)為2ms,在定時(shí)中斷程序中進(jìn)行掃描的顯示，每次只顯示其中的一位；當然時(shí)限也可以弄長(cháng)一些，更推薦的方法是把顯示函數放入主循環(huán)中，而定時(shí)中斷中置位相應的標志位即可； // Timer 0 比較匹配中斷服務(wù),4ms定時(shí) interrupt [TIM0_COMP] void timer0_comp_isr(void) { display(); // 調用LED掃描顯示 …………………… } void display(void) // 8位LED數碼管動(dòng)態(tài)掃描函數 { PORTC = 0xff; // 這里把段選都關(guān)閉是很必要的，否則數碼管會(huì )產(chǎn)生拖影 PORTA = led_7[dis_buff[posit]]; PORTC = position[posit]; if (++posit >=8 ) posit = 0; } 3 串口接收數據幀 串口接收時(shí)用中斷方式的，這無(wú)可厚非。但如果你試圖在中斷服務(wù)程序中完成一幀數據的接收就麻煩大了。永遠記住，中斷服務(wù)函數越短越好，否則影響這個(gè)程序的實(shí)時(shí)性能。一個(gè)數據幀一般包括若干個(gè)字節，我們需要判斷一幀是否完成，校驗是否正確。在這個(gè)過(guò)程中我們不能用軟件延時(shí)，更不能用死循環(huán)等待等方式； 所以我們在串口接收中斷函數中，只是把數據放置于一個(gè)緩沖隊列中。 至于組成幀，以及檢查幀的工作我們在主循環(huán)中解決，并且每次循環(huán)中我們只處理一個(gè)數據，每個(gè)字節數據的處理間隔的彈性比較大，因為我們已經(jīng)緩存在了隊列里面。 /*========================================== 功能：串口發(fā)送接收的時(shí)間事件 說(shuō)明：放在大循環(huán)中每10ms一次 輸出：none 輸入：none ==========================================*/ void UARTimeEvent(void) { if (TxTimer != 0)//發(fā)送需要等待的時(shí)間遞減 --TxTimer; if (++RxTimer > RX_FRAME_RESET) // RxCnt = 0; //如果接受超時(shí)（即不完整的幀或者接收一幀完成），把接收的不完整幀覆蓋 } /*========================================== 功能：串口接收中斷 說(shuō)明：接收一個(gè)數據，存入緩存 輸出：none 輸入：none ==========================================*/ interrupt [USART_RXC] void uart_rx_isr(void) { INT8U status,data; status = UCSRA; data = UDR; if ((status & (FRAMING_ERROR | PARITY_ERROR | DATA_OVERRUN))==0){ RxBuf[RxBufWrIdx] = data; if (++RxBufWrIdx == RX_BUFFER_SIZE) //接收數據于緩沖中 RxBufWrIdx = 0； if (++RxBufCnt == RX_BUFFER_SIZE){ RxBufCnt = 0; //RxBufferOvf=1; } } } /*========================================== 功能：串口接收數據幀 說(shuō)明：當非0輸出時(shí)，收到一幀數據 放在大循環(huán)中執行 輸出：==0:沒(méi)有數據幀 !=0:數據幀命令字 輸入：none ==========================================*/ INT8U ChkRxFrame(void) { INT8U dat; INT8U cnt; INT8U sum; INT8U ret; ret = RX_NULL; if (RxBufCnt != 0){ RxTimer = 0; //清接收計數時(shí)間，UARTimeEvent()中對于接收超時(shí)做了放棄整幀數據的處理 //Display(); cnt = RxCnt; dat = RxBuf[RxBufRdIdx]; // Get Char if (++RxBufRdIdx == RX_BUFFER_SIZE) RxBufRdIdx = 0; Cli(); --RxBufCnt; Sei(); FrameBuf[cnt++] = dat; if (cnt >= FRAME_LEN)// 組成一幀 { sum = 0; for (cnt = 0;cnt < (FRAME_LEN - 1);cnt++) sum+= FrameBuf[cnt]; if (sum == dat) ret = FrameBuf[0]; cnt = 0; } RxCnt = cnt; } return ret; } 以上的代碼ChkRxFrame()可以放于串口接收數據處理函數RxProcess() 中，然后放入主循環(huán)中執行即可。以上用一個(gè)計時(shí)變量RxTimer，很微妙的解決了接收幀超時(shí)的放棄幀處理，它沒(méi)有用任何等待，而且主循環(huán)中每次只是接收一個(gè)字節數據，時(shí)間很短。 我們開(kāi)始架構整個(gè)系統的框架： 我們選用一個(gè)系統不常用的TIMER來(lái)產(chǎn)生系統所需的系統基準節拍，這里我們選用4ms； 在meg8中我們代碼如下： // Timer 0 overflow interrupt service routine interrupt [TIM0_OVF] void timer0_ovf_isr(void) { // Reinitialize Timer 0 value TCNT0=0x83; // Place your code here if ((++Time1ms & 0x03) == 0) TimeIntFlg = 1; } 然后我們設計一個(gè)TimeEvent()函數，來(lái)調用一些在以指定的頻率需要循環(huán)調用的函數， 比如每個(gè)4ms我們就進(jìn)行喂狗以及數碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示，每隔1s我們就調用led閃爍程序，每隔20ms我們進(jìn)行鍵盤(pán)掃描程序； void TimeEvent (void) { if (TimeIntFlg){ TimeIntFlg = 0; ClearWatchDog(); display(); // 在4ms事件中，調用LED掃描顯示，以及喂狗 if (++Time4ms > 5){ Time4ms = 0; TimeEvent20ms()；//在20ms事件中，我們處理鍵盤(pán)掃描read_keyboard_FUN2() if (++Time100ms > 10){ Time100ms = 0; TimeEvent1Hz();// 在1s事件中，我們使工作指示燈閃爍 } } UARTimeEvent();//串口的數據接收事件，在4ms事件中處理 } } 顯然整個(gè)思路已經(jīng)很清晰了，cpu需要處理的循環(huán)事件都可以根據其對于時(shí)間的要求很方便的加入該函數中。但是我們對這事件有要求： 執行速度快，簡(jiǎn)短，不能有太長(cháng)的延時(shí)等待，其所有事件一次執行時(shí)間和必須小于系統的基準時(shí)間片4ms（根據需要可以加大系統基準節拍）。 所以我們的鍵盤(pán)掃描程序，數碼管顯示程序，串口接收程序都如我先前所示。如果逼不得已需要用到較長(cháng)的延時(shí)（如模擬IIc時(shí)序中用到的延時(shí)） 我們設計了這樣的延時(shí)函數： void RunTime250Hz (INT8U delay)//此延時(shí)函數的單位為4ms(系統基準節拍) { while (delay){ if (TimeIntFlg){ --delay; TimeEvent(); } TxProcess(); RxProcess(); } } 我們需要延時(shí)的時(shí)間=delay*系統記住節拍4ms,此函數就確保了在延時(shí)的同時(shí)，我們其它事件（鍵盤(pán)掃描，led顯示等）也并沒(méi)有被耽誤； 好了這樣我們的主函數main()將很簡(jiǎn)短： Void main (voie) { Init_all(); while (1) { TimeEvent(); //對于循環(huán)事件的處理 RxProcess(); //串口對接收的數據處理 TxProcess();// 串口發(fā)送數據處理 } } 整體看來(lái)我們的系統就成了將近一個(gè)萬(wàn)能的模版了，根據自己所選的cpu,選個(gè)定時(shí)器，在添加自己的事件函數即可，非常靈活方便實(shí)用，一般的單片機能勝任的場(chǎng)合，該模版都能搞定。 整個(gè)系統以全局標志作為主線(xiàn)，形散神不散；系統耗費比較小，只是犧牲了一個(gè)Timer而已，在資源缺乏的單片機中，非常適合；曾經(jīng)看過(guò)一個(gè)網(wǎng)友的模版“單片機實(shí)用系統”，其以51為例子寫(xiě)的，整體思路和這個(gè)差不多，不過(guò)他寫(xiě)得更為規范緊湊，非常欣賞；但個(gè)人覺(jué)得代碼開(kāi)銷(xiāo)量要大些，用慣了都一樣哦。但是由于本系統以全局標志為驅動(dòng)事件，所以比較感覺(jué)比較凌亂，全局最好都做好注釋?zhuān)湟⒁庖恍╇[形的函數遞歸情況，千萬(wàn)不要遞歸的太深哦（有的單片機不支持）。 |
