嵌入式系統(tǒng)設計

為了實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設計的可移植和可復用，嵌入式硬件和嵌入式軟件均采用構件化的設計思想，即對嵌入式硬件和嵌入式軟件進行封裝，供系統(tǒng)設計者調用，并倡導嵌入式軟件分層設計的理念，以大幅度降低嵌入式技術學習難度和開發(fā)難度。

本書特色：項目任務驅動，突出學以致用，注重實踐創(chuàng)新。每個項目且均采用了“通用知識”→“嵌入式構件設計”→“應用層程序設計”→“學以致用與創(chuàng)新”的學習流程。采用“搭積木”的思想，逐步提高嵌入式系統(tǒng)設計能力。

本書可作為高等學校電子信息類、計算機類、自動化類等專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)設計教材，也可作為嵌入式技術培訓教材，還可供從事嵌入式技術開發(fā)的工程技術人員參考。項目1：GPIO基礎應用—實現(xiàn)閃燈和開關狀態(tài)檢測與控制功能項目2：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈項目3：GPIO和定時器的綜合應用—實現(xiàn)數(shù)碼管顯示、鍵盤測控、測溫功能項目4：利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信項目5：利用

Timer

實現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能項目6：利用

ADC

設計簡易數(shù)字電壓表項目7：利用

SPI

實現(xiàn)多機串行通信項目8：利用

CAN

實現(xiàn)多機通信教

材

內

容

項目4利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信【項目導讀】

為了實現(xiàn)上位機PC和下位機MCU之間的通信，可采用UART、USB、Ethernet等多種通信方式，其中UART是最簡單的一種通信方式，也是學習其他通信方式的基礎。【學習目標】（1）理解UART的通用知識，包括UART硬件、UART通信的數(shù)據幀格式、數(shù)據通信的波特率和串行通信的傳輸方式等。（2）熟悉MCU的UART主要特性和引腳，掌握MCU的UART底層驅動構件的使用方法。（3）能夠利用MCU的UART底層驅動構件頭文件進行PC和MCU的串口通信應用層程序設計與測試。（4）掌握通過UART實現(xiàn)利用格式化輸出函數(shù)（printf）向PC輸出數(shù)據的方法，為今后在嵌入式軟件設計中使用printf調試奠定基礎。*（5）熟悉MCU的UART底層驅動構件源文件的設計方法。項目4利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信任務4.1理解UART的通用知識

UART（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，通用異步收發(fā)器）可實現(xiàn)異步串行通信功能。有時還將UART稱為SCI（SerialCommunicationInterface，串行通信接口），簡稱串口。1、UART硬件

MCU的UART通信一般只需3根線：發(fā)送線TxD、接收線RxD和地線GND。

MCU可通過TTL-USB轉換器連接到PC的USB接口，在PC上安裝相應的驅動軟件，就可實現(xiàn)MCU與PC之間的串口通信。2、UART通信的數(shù)據幀格式

UART通信的特點：數(shù)據以字節(jié)為單位，按位的順序（如最低位優(yōu)先）從一條傳輸線上發(fā)送出去。

（1）發(fā)送1位起始位——邏輯“0”，用于通知接收方通信同步。

（2）依次發(fā)送8位數(shù)據D0～D7（低位在前、高位在后）。

（3）發(fā)送1位奇偶校驗位（可選），便于接收方檢測數(shù)據發(fā)送是否正確。

（4）發(fā)送1～2位停止位——邏輯“1”，用于通知接收方該幀數(shù)據已發(fā)送完成。

若發(fā)送方無數(shù)據發(fā)送，則通信線路上保持空閑狀態(tài)——邏輯“1”。若發(fā)送方發(fā)送下一個UART數(shù)據幀，則要重新發(fā)送起始位，然后發(fā)送一字節(jié)的新數(shù)據。任務4.1理解UART的通用知識3、數(shù)據通信的波特率

波特率：每秒鐘傳輸二進制數(shù)碼的位數(shù)，單位是bit/s。波特率越高，數(shù)據傳輸?shù)乃俣染驮娇臁Ｖ挥型ㄐ烹p方的波特率相同時才可以正常通信。

串口通信常用的波特率：1200、1800、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200等（bit/s）。4、串行通信的傳輸方式

（3）半雙工通信：通信雙方雙向傳輸信息，但在任何時刻，只能由一方發(fā)送數(shù)據，另一方接收數(shù)據，不能同時收發(fā)。如，對講機通信。

（2）全雙工通信：通信雙方雙向傳輸信息，且可以同時發(fā)送和接收。如，手機通信。一般情況下，MCU的UART通信接口均是全雙工的。

（1）單工通信：通信的發(fā)送方與接收方，單向傳輸信息。如，無線電廣播、有線電視廣播。

任務4.1理解UART的通用知識5、MCU的UART內部結構及編程模型將8位串行數(shù)據轉換為1字節(jié)的并行數(shù)據用于存放接收的數(shù)據將1字節(jié)的并行數(shù)據轉換為8位串行數(shù)據用于存放待發(fā)送的數(shù)據用于判斷是否接收到數(shù)據、數(shù)據是否發(fā)送完成等用于設置數(shù)據幀格式（8位或9位數(shù)據）、是否校驗、是否允許中斷等用于設置UART通信波特率任務4.1理解UART的通用知識【知識鞏固】

（1）MCU的UART通信一般需要幾根線？分別是什么？

（2）畫出UART通信的數(shù)據幀格式示意圖。

（3）串行通信速率是否越高越好？

（4）串行通信有哪些傳輸方式？任務4.2掌握MCU的UART底層驅動構件使用方法4.2.1MCU的UART主要特性和引腳

STM32F103C8T6中有

3個

USART模塊：USART1、USART2和USART3。既支持全雙工通信，也支持同步單向通信和半雙工單線通信。利用分數(shù)波特率發(fā)生器提供寬范圍的波特率選擇，波特率最高可達4.5Mbit/s。

UART發(fā)送數(shù)據引腳為UART_TX，接收數(shù)據引腳為UART_RX。UART1使用的引腳，見

uart.h中的宏定義任務4.2掌握MCU的UART底層驅動構件使用方法4.2.2MCU的UART底層驅動構件的組成及使用方法

UART具有初始化、發(fā)送和接收三種基本操作。其中，UART發(fā)送是主動任務，不必采用中斷方式；而UART接收是被動任務，為了確保及時接收到對方發(fā)送來的每幀數(shù)據，一般采用中斷方式。

UART底層驅動構件由uart.h頭文件和uart.c源文件組成，若要使用UART底層驅動構件，只需將這兩個文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底層驅動構件）文件夾中，即可實現(xiàn)對UART的操作。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx

其中，uart.h頭文件主要包括相關頭文件的包含、一些必要的宏定義、對外接口函數(shù)的聲明，而uart.c源文件則是對外接口函數(shù)的具體實現(xiàn)，初學者不必深究。

用戶只要熟悉uart.h頭文件的內容，即可使用UART底層驅動構件進行編程。任務4.2掌握MCU的UART底層驅動構件使用方法4.2.2MCU的UART底層驅動構件的組成及使用方法【學以致用】

根據uart.h頭文件，寫出實現(xiàn)下列功能的函數(shù)調用語句。

（1）初始化UART1，波特率為9600bit/s。

（2）通過UART1發(fā)送1個字符'A'。

（3）通過UART1發(fā)送保存在數(shù)組str中的字符串"ABCDEFG"。

（4）使能UART1接收中斷。

（5）通過UART1接收1個字符，將其保存至變量re_data中，并將接收標志保存至變量re_flag中。任務4.3UART通信應用層程序設計與功能測試4.3.1UART通信的應用層程序設計

在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設計07_Source（應用層軟件構件）的文件，以實現(xiàn)：上位機PC

與

下位機MCU之間的串口通信。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：

定義字符數(shù)組（存放待發(fā)送的字符型數(shù)據）；

初始化；使能UART接收中斷；

在主循環(huán)中，MCU通過UART使用發(fā)送函數(shù)向PC發(fā)送數(shù)據在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx【思路總結】請畫出上述程序的設計和執(zhí)行流程圖。3）中斷服務程序源文件isr.c：在UART接收中斷服務程序中，MCU使用UART接收函數(shù)

接收PC發(fā)來的數(shù)據，并向PC回送接收到的字符任務4.3UART通信應用層程序設計與功能測試4.3.2UART通信的測試方法

（1）將USB-TTL轉換器TTL端的RX、TX、GND端子分別與MCU的TX、RX、GND引腳（參照uart.h中的引腳宏定義）相連接，將USB-TTL轉換器的USB端與PC的USB接口連接；

（2）打開PC串口調試軟件，打開串口，并且設置與MCU的UART相同的波特率；

（3）運行MCU程序，通過PC串口調試窗口查看MCU發(fā)送給PC的信息；

（4）在PC串口調試窗口中寫入字符或字符串并發(fā)送給MCU，在串口調試窗口中查看是否有MCU回送到PC的信息；

（5）調試結束后，先在PC串口調試軟件中關閉串口，然后將USB-TTL轉換器從PC的USB接口斷開。任務4.3UART通信應用層程序設計與功能測試【學以致用與創(chuàng)新】

當通過PC串口調試窗口向MCU發(fā)送不同的字符時，可改變項目1中不同小燈的狀態(tài)。任務4.3UART通信應用層程序設計與功能測試4.3.3使用printf函數(shù)輸出數(shù)據1、通過UART使用

printf

函數(shù)的方法

使用printf函數(shù)時，需要將printf軟件構件對應的printf.h頭文件和printf.c源文件添加到所建工程的06_Soft（通用軟件構件）文件夾中。

在printf.h頭文件中，添加了以下兩條預處理命令：

2、printf函數(shù)的調用形式：printf(格式控制字符串,輸出列表)（1）格式控制字符串：由雙撇號括起來的一個字符串，它包含兩種信息。

①由%開頭的格式符，用于指定數(shù)據的輸出格式。例如，%d：以十進制形式輸出帶符號整數(shù)；%c：輸出單個字符；%x：以十六進制形式輸出無符號整數(shù)；%s：輸出字符串；%f：以小數(shù)形式輸出實數(shù)；%e：以指數(shù)形式輸出實數(shù)。②原樣輸出的字符，在顯示中起提示作用。（2）輸出列表：是需要輸出的一些數(shù)據，可以是常量、變量或表達式。

多個數(shù)據之間要用逗號隔開。

任務4.3UART通信應用層程序設計與功能測試4.3.3使用printf函數(shù)輸出數(shù)據3、通過UART使用printf函數(shù)輸出數(shù)據的應用層程序設計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：

定義局部變量（存放待發(fā)送的數(shù)據）；

初始化；MCU通過UART使用printf函數(shù)向PC發(fā)送數(shù)據在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx【學以致用與創(chuàng)新】

（1）使用printf函數(shù)替代上節(jié)所給出的文件main.c和isr.c中的UART發(fā)送函數(shù)，以實現(xiàn)相同的實驗效果。

（2）使用printf函數(shù)輸出常見數(shù)據類型（char、shortint、int、longint、float、double）在KeilMDK編譯系統(tǒng)中的字節(jié)數(shù)。

嵌入式系統(tǒng)設計

為了實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設計的可移植和可復用，嵌入式硬件和嵌入式軟件均采用構件化的設計思想，即對嵌入式硬件和嵌入式軟件進行封裝，供系統(tǒng)設計者調用，并倡導嵌入式軟件分層設計的理念，以大幅度降低嵌入式技術學習難度和開發(fā)難度。

本書特色：項目任務驅動，突出學以致用，注重實踐創(chuàng)新。每個項目且均采用了“通用知識”→“嵌入式構件設計”→“應用層程序設計”→“學以致用與創(chuàng)新”的學習流程。采用“搭積木”的思想，逐步提高嵌入式系統(tǒng)設計能力。

本書可作為高等學校電子信息類、計算機類、自動化類等專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)設計教材，也可作為嵌入式技術培訓教材，還可供從事嵌入式技術開發(fā)的工程技術人員參考。項目1：GPIO基礎應用—實現(xiàn)閃燈和開關狀態(tài)檢測與控制功能項目2：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈項目3：GPIO和定時器的綜合應用—實現(xiàn)數(shù)碼管顯示、鍵盤測控、測溫功能項目4：利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信項目5：利用Timer實現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能項目6：利用

ADC

設計簡易數(shù)字電壓表項目7：利用

SPI

實現(xiàn)多機串行通信項目8：利用

CAN

實現(xiàn)多機通信教

材

內

容

項目5利用Timer實現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能【項目導讀】

在項目2中已學習STM32F103C8T6中的16位定時器（Timer）的基本定時功能。在本項目中學習利用Timer實現(xiàn)PWM功能和輸入捕獲功能。

脈寬調制（PulseWidthModulation，PWM）信號是一個高電平和低電平重復交替的輸出信號，PWM廣泛應用于電機轉速控制、燈光亮度控制等領域。輸入捕獲（InputCapture）可用于測量脈沖信號的周期和脈寬。【學習目標】1）理解PWM的通用知識，包括PWM的相關概念、技術指標及應用場合。2）理解輸入捕獲的通用知識，包括輸入捕獲的過程、原理及應用場合。3）熟悉MCU的Timer通道引腳，掌握MCU的PWM和輸入捕獲底層驅動構件的使用方法，能利用其底層驅動構件頭文件進行PWM功能和輸入捕獲功能的應用層程序設計，能利用PWM控制小燈的亮度、利用輸入捕獲測量脈沖信號的周期和脈寬。*4）熟悉MCU的PWM和輸入捕獲底層驅動構件源文件的設計方法。項目5利用Timer實現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能任務5.1理解PWM和輸入捕獲的通用知識5.1.1PWM的通用知識1、

PWM的基本概念與技術指標

PWM信號是一個高電平和低電平重復交替的輸出信號。

目前經常使用的PWM信號主要是通過MCU編程實現(xiàn)的。利用MCU輸出PWM信號時，需要一個產生PWM信號的時鐘源，設其周期為TCLK。任務5.1理解PWM和輸入捕獲的通用知識5.1.1PWM的通用知識1、

PWM的基本概念與技術指標（1）周期：持續(xù)的時鐘周期個數(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PWM周期內PWM信號

處于高電平的時間。

圖（a）：25%

圖（b）：50%

圖（c）：75%任務5.1理解PWM和輸入捕獲的通用知識5.1.1PWM的通用知識1、

PWM的基本概念與技術指標（4）極性：決定了PWM信號的有效電平

正極性：PWM信號的有效電平為高電平，平時電平（空閑電平）為低電平；

負極性：PWM信號的有效電平為低電平，平時電平（空閑電平）為高電平。（5）分辨率△T

：PWM脈寬的最小時間增量，等于計數(shù)時鐘周期。

脈沖寬度的增加與減少只能是△T的整數(shù)倍。

任務5.1理解PWM和輸入捕獲的通用知識5.1.1PWM的通用知識1、

PWM的基本概念與技術指標（6）對齊方式——邊沿對齊

向上單向計數(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5.1理解PWM和輸入捕獲的通用知識5.1.1PWM的通用知識1、

PWM的基本概念與技術指標（6）對齊方式——中心對齊

向上/向下雙向計數(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5.1理解PWM和輸入捕獲的通用知識5.1.1PWM的通用知識2、

PWM的應用場合

（1）利用PWM為其他設備產生類似于時鐘的信號。例如，PWM可用來控制燈以一定的頻率閃爍。

（2）利用PWM控制輸入到某個設備的平均電流或電壓。例如，PWM可用來控制直流電動機轉速。

（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，控制無線遙控車做不同的動作（左轉、右轉、前進等）。任務5.1理解PWM和輸入捕獲的通用知識

【知識鞏固】

（1）PWM涉及哪些基本概念和技術指標？

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

MCU的定時/計數(shù)器的通道引腳在捕獲到外部脈沖信號的沿跳變（上升沿或下降沿）時，會將計數(shù)器的當前值鎖存到對應的通道值寄存器；若允許輸入捕獲中斷（通道中斷），則可在中斷服務程序中通過讀取通道值寄存器的值得到沿跳變對應的時刻。

脈沖信號的周期

=

時刻3－時刻1=時刻4－時刻2

脈沖信號的脈寬

=時刻2－時刻1=時刻4－時刻3

當被測脈沖信號的周期或脈寬小于定時器的溢出周期時：脈沖信號的周期或脈寬=對應的計數(shù)次數(shù)*計數(shù)周期

=對應的計數(shù)次數(shù)/計數(shù)頻率【知識鞏固】簡述利用輸入捕獲測量脈沖信號的周期和脈寬的基本原理。

任務5.2掌握Timer_PWM_INCAP底層驅動構件使用方法5.2.1MCU的Timer通道引腳

每個Timer的4個通道引腳有不同的組合，具體由復用功能I/O引腳的配置決定，其實現(xiàn)請參閱后續(xù)底層驅動構件頭文件中的宏定義。5.2.2Timer_PWM_INCAP底層驅動構件的組成及使用方法

Timer_PWM_INCAP底層驅動構件由timer_pwm_incap.h頭文件和timer_pwm_incap.c源文件組成，若要使用Timer_PWM_INCAP底層驅動構件，只需將這兩個文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底層驅動構件）文件夾中，即可實現(xiàn)對PWM功能和輸入捕獲功能的操作。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx

其中，timer_pwm_incap.h頭文件主要包括相關頭文件的包含、一些必要的宏定義、對外接口函數(shù)的聲明，而timer_pwm_incap.c源文件則是對外接口函數(shù)的具體實現(xiàn)，初學者不必深究。

用戶只要熟悉timer_pwm_incap.h頭文件的內容，即可使用Timer_PWM_INCAP底層驅動構件進行編程。任務5.2掌握Timer_PWM_INCAP底層驅動構件使用方法【學以致用】

根據

timer_pwm_incap.h頭文件，寫出實現(xiàn)下列功能的函數(shù)調用語句。

（1）初始化TIMER1_CH1通道PWM，正極性、邊沿對齊、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TIMER2_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底層驅動構件的組成及使用方法任務5.2掌握Timer_PWM_INCAP底層驅動構件使用方法任務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，設計07_Source（應用層軟件構件）的文件，以實現(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【學以致用與創(chuàng)新】

（1）利用PWM實現(xiàn)頻閃燈。

（2）利用PWM控制小燈逐漸變亮。任務5.4利用輸入捕獲測量脈沖信號的周期和脈寬

在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設計07_Source（應用層軟件構件）的文件，以實現(xiàn)：利用Timer的輸入捕獲功能（采用通道中斷方式）測量PWM信號的周期和脈寬，并通過UART使用printf函數(shù)向PC串口調試窗口輸出對應的測量信息。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（存放脈沖信號的周期和脈寬對應的計數(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（周期和脈寬對應的計數(shù)次數(shù)）在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx3）中斷服務程序源文件isr.c：聲明全局變量

在Timer通道中斷服務程序中，獲取通道捕獲值，計算并

更新全局變量的值（脈沖信號周期和脈寬對應的計數(shù)次數(shù)）任務5.4利用輸入捕獲測量脈沖信號的周期和脈寬【學以致用與創(chuàng)新】

（1）根據脈沖信號的輸入捕獲原理，畫出上述程序的設計和執(zhí)行流程圖，理解上述中斷服務程序。

（2）計算并輸出脈沖信號的周期和脈寬。

嵌入式系統(tǒng)設計

為了實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設計的可移植和可復用，嵌入式硬件和嵌入式軟件均采用構件化的設計思想，即對嵌入式硬件和嵌入式軟件進行封裝，供系統(tǒng)設計者調用，并倡導嵌入式軟件分層設計的理念，以大幅度降低嵌入式技術學習難度和開發(fā)難度。

本書特色：項目任務驅動，突出學以致用，注重實踐創(chuàng)新。每個項目且均采用了“通用知識”→“嵌入式構件設計”→“應用層程序設計”→“學以致用與創(chuàng)新”的學習流程。采用“搭積木”的思想，逐步提高嵌入式系統(tǒng)設計能力。

本書可作為高等學校電子信息類、計算機類、自動化類等專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)設計教材，也可作為嵌入式技術培訓教材，還可供從事嵌入式技術開發(fā)的工程技術人員參考。項目1：GPIO基礎應用—實現(xiàn)閃燈和開關狀態(tài)檢測與控制功能項目2：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈項目3：GPIO和定時器的綜合應用—實現(xiàn)數(shù)碼管顯示、鍵盤測控、測溫功能項目4：利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信項目5：利用Timer實現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能項目6：利用ADC設計簡易數(shù)字電壓表項目7：利用

SPI

實現(xiàn)多機串行通信項目8：利用

CAN

實現(xiàn)多機通信教

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項目6利用ADC設計簡易數(shù)字電壓表【項目導讀】

在嵌入式測控系統(tǒng)中，往往需要通過ADC（AnalogtoDigitalConverter，模/數(shù)轉換器）將模擬輸入量轉換為數(shù)字量，以供MCU接收和處理。

【學習目標】（1）理解ADC的通用知識，包括ADC的相關概念和最簡單的A/D轉換采樣電路。（2）熟悉MCU的ADC主要特性和引腳，掌握MCU的ADC底層驅動構件的使用方法。（3）掌握簡易數(shù)字電壓表的硬件電路組成和工作原理，以及利用MCU的ADC底層驅動構件頭文件進行ADC應用層程序設計的方法。*（4）熟悉MCU的ADC底層驅動構件源文件的設計方法。任務6.1理解ADC的通用知識1、

ADC的相關概念（1）轉換精度

設ADC的二進制位數(shù)為n，則其分辨率為1/2n。例如，某一ADC是12位，若模擬輸入信號的量程為5V，則該ADC可以檢測到的模擬量變化最小值（理論上的轉換精度）為

5V/212

≈

1.22mV。任務6.1理解ADC的通用知識1、

ADC的相關概念（2）轉換速度

完成一次A/D轉換所要花費的時間。（3）單端輸入與差分輸入

單端輸入：只有一個輸入引腳，使用公共地GND作為參考電平。輸入電路簡單，但A/D轉換值易因受到干擾而變化。

差分輸入：兩個輸入引腳（VIN+、VIN-），ADC的采樣值是兩個輸入引腳的電平差值，從而降低了干擾。任務6.1理解ADC的通用知識1、

ADC的相關概念（4）ADC參考電壓

A/D轉換需要一個參考電壓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參考電壓使用單獨電源。（5）軟件濾波

為了使采樣的數(shù)據更準確，必須對采樣的數(shù)據進行篩選，去掉誤差較大的數(shù)據（毛刺）。可通過中值濾波或均值濾波實現(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采樣值與實際物理量對應起來。

例如，利用MCU采集室內溫度，經A/D轉換后的數(shù)值是126，實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6.1理解ADC的通用知識2、

MCU的ADC內部結構及編程模型任務6.1理解ADC的通用知識

【知識鞏固】

（1）ADC有哪些基本概念？

（2）軟件濾波的作用是什么？任務6.2掌握MCU的ADC底層驅動構件使用方法6.2.1MCU的ADC主要特性和引腳

STM32F103C8T6具有兩個12位的ADC模塊：ADC1和ADC2，均具有10個外部模擬輸入通道（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。

輸入時鐘不得超過14MHz。ADC轉換時間≥14個ADC時鐘周期，微妙級。6.2.2MCU的ADC底層驅動構件的組成及使用方法

ADC底層驅動構件由adc.h頭文件和adc.c源文件組成，若要使用ADC底層驅動構件，只需將這兩個文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底層驅動構件）文件夾中，即可實現(xiàn)對ADC的操作。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx

其中，adc.h頭文件主要包括相關頭文件的包含、一些必要的宏定義、對外接口函數(shù)的聲明，而adc.c源文件則是對外接口函數(shù)的具體實現(xiàn)，初學者不必深究。

用戶只要熟悉adc.h頭文件的內容，即可使用ADC底層驅動構件進行編程。任務6.2掌握MCU的ADC底層驅動構件使用方法

【學以致用】

根據

adc.h頭文件，寫出實現(xiàn)下列功能的函數(shù)調用語句。

（1）對ADC1模塊進行初始化。

（2）獲取ADC1通道8的A/D轉換值。6.3.1

簡易數(shù)字電壓表的硬件電路組成和工作原理任務6.3簡易數(shù)字電壓表的設計

MCU通過ADC對A端的模擬電壓進行A/D轉換，根據A/D轉換結果可計算出A端對應的電壓值：ADCresult

：A/D轉換結果對應的十進制數(shù)n：ADC的位數(shù)VCC的具體電壓值可用萬用表測量出來

【知識鞏固】

寫出電路的工作原理。電位器10kΩ

在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設計07_Source（應用層軟件構件）的文件，以實現(xiàn)：通過UART使用printf函數(shù)向PC串口調試窗口輸出A/D轉換結果和對應的電壓值。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：

定義局部變量（存放A/D轉換結果和對應的電壓值）；

初始化（UART、ADC）；

在主循環(huán)中，啟動A/D轉換，并輸出信息（A/D轉換結果

和對應的電壓值）在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx6.3.2

簡易數(shù)字電壓表的應用層程序設計任務6.3簡易數(shù)字電壓表的設計

系統(tǒng)測試時，將電位器A端引腳與ADC通道引腳相連，轉動電位器的轉柄，觀察PC串口調試窗口輸出的A/D轉換結果變化情況。【學以致用與創(chuàng)新】

（1）結合項目3中的TM1637_LED_KB軟件構件及數(shù)碼管顯示程序，改用數(shù)碼管顯示對應的信息。

（2）利用printf函數(shù)輸出多個ADC通道的信息。

（3）利用printf函數(shù)輸出一個ADC通道的多次采樣值軟件濾波的結果。

6.3.2

簡易數(shù)字電壓表的應用層程序設計任務6.3簡易數(shù)字電壓表的設計

嵌入式系統(tǒng)設計

為了實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設計的可移植和可復用，嵌入式硬件和嵌入式軟件均采用構件化的設計思想，即對嵌入式硬件和嵌入式軟件進行封裝，供系統(tǒng)設計者調用，并倡導嵌入式軟件分層設計的理念，以大幅度降低嵌入式技術學習難度和開發(fā)難度。

本書特色：項目任務驅動，突出學以致用，注重實踐創(chuàng)新。每個項目且均采用了“通用知識”→“嵌入式構件設計”→“應用層程序設計”→“學以致用與創(chuàng)新”的學習流程。采用“搭積木”的思想，逐步提高嵌入式系統(tǒng)設計能力。

本書可作為高等學校電子信息類、計算機類、自動化類等專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)設計教材，也可作為嵌入式技術培訓教材，還可供從事嵌入式技術開發(fā)的工程技術人員參考。項目1：GPIO基礎應用—實現(xiàn)閃燈和開關狀態(tài)檢測與控制功能項目2：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈項目3：GPIO和定時器的綜合應用—實現(xiàn)數(shù)碼管顯示、鍵盤測控、測溫功能項目4：利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信項目5：利用

Timer

實現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能項目6：利用

ADC

設計簡易數(shù)字電壓表項目7：利用SPI實現(xiàn)多機串行通信項目8：利用

CAN

實現(xiàn)多機通信教

材

內

容

項目7利用SPI實現(xiàn)多機串行通信【項目導讀】

SPI（SerialPeripheralInterface，串行外設接口）是同步串行總線接口，已經成為一種工業(yè)標準。通過SPI，可以實現(xiàn)多個MCU之間的串行通信，也可以實現(xiàn)MCU與其他帶有SPI接口的外部器件（如A/D轉換器、D/A轉換器、LCD、OLED等）之間的串行通信。【學習目標】（1）理解SPI的通用知識，包括SPI的相關概念、SPI的通信過程與通信時序。（2）熟悉MCU的SPI主要特性和引腳，掌握MCU的SPI底層驅動構件的使用方法。（3）能夠利用MCU的SPI底層驅動構件頭文件進行SPI多機通信的應用層程序設計與測試。*（4）熟悉MCU的SPI底層驅動構件源文件的設計方法。任務7.1理解SPI的通用知識7.1.1SPI的相關概念

在SPI應用系統(tǒng)中，負責啟動SPI通信和產生SPI時鐘信號的器件是主器件，其他器件是從器件。SPI可以工作于單主單從、一主多從或多主方式，其中最常用的SPI單主單從全雙工通信應用系統(tǒng)如圖所示。

MISO（MasterInputSlaveOutput）：主輸入/從輸出數(shù)據。

MOSI（MasterOutputSlaveInput）：主輸出/從輸入數(shù)據。

SCK（SerialClock）：由主器件產生和輸出串行時鐘。通信速率由主器件控制，在主器件啟動一次數(shù)據傳送的過程中，在SCK引腳輸出自動產生的8個時鐘周期信號，SCK信號的一個跳變進行一位數(shù)據移位傳輸。

NSS（SlaveSelect）：從器件選擇引腳，低電平有效。作為主器件，其NSS引腳置為高電平。作為從器件，其NSS引腳置為低電平，表示主器件選中了該從器件。任務7.1理解SPI的通用知識7.1.2SPI的通信過程與通信時序

時鐘信號涉及時鐘極性和時鐘相位的問題，時鐘極性決定了當沒有數(shù)據傳輸（空閑）時，時鐘信號SCK的空閑狀態(tài)電平是高電平還是低電平。時鐘相位決定了在時鐘信號SCK的第1個邊沿或第2個邊沿捕獲和鎖存數(shù)據。圖7-2給出了CPOL和CPHA的4種組合對應的SPI通信時序。

注意：SPI主器件和從器件必須使用相同的時鐘極性和時鐘相位，才能正常通信。

【知識鞏固】

（1）SPI通信涉及幾個引腳？分別代表什么含義？

（2）如何區(qū)分SPI主器件和從器件？任務7.1理解SPI的通用知識任務7.2掌握MCU的SPI底層驅動構件使用方法7.2.1MCU的SPI主要特性和引腳

STM32F103C8T6中有

2個SPI模塊：SPI1和SPI2。既支持全雙工通信，也支持半雙工通信和單工通信。支持單主單從、一主多從和多主通信方式。可選擇4種不同的時鐘極性和時鐘相位組合。支持SPI軟件設置NSS引腳電平，設置主從模式。SPI1使用的引腳，見

spi.h中的宏定義任務7.2掌握MCU的SPI底層驅動構件使用方法7.2.2MCU的SPI底層驅動構件的組成及使用方法SPI具有初始化、發(fā)送和接收三種基本操作。其中，SPI發(fā)送是主動任務，不必采用中斷方式；而SPI接收是被動任務，為了確保及時接收到對方發(fā)送來的每幀數(shù)據，一般采用中斷方式。

SPI底層驅動構件由spi.h頭文件和spi.c源文件組成，若要使用SPI底層驅動構件，只需將這兩個文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底層驅動構件）文件夾中，即可實現(xiàn)對SPI的操作。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx

其中，spi.h頭文件主要包括相關頭文件的包含、一些必要的宏定義、對外接口函數(shù)的聲明，而spi.c源文件則是對外接口函數(shù)的具體實現(xiàn)，初學者不必深究。

用戶只要熟悉spi.h頭文件的內容，即可使用SPI底層驅動構件進行編程。【學以致用】

根據spi.h頭文件，寫出實現(xiàn)下列功能的函數(shù)調用語句。

（1）將SPI1初始化主模式，波特率為1000kbit/s。

（2）通過SPI1發(fā)送1個字符'A'。

（3）通過SPI1發(fā)送保存在數(shù)組str中的字符串"ABCDEFG"。

（4）使能SPI2接收中斷。

（5）通過SPI2接收1個字符，將其保存至變量re_data中，并將接收標志保存至變量re_flag中。任務7.2掌握MCU的SPI底層驅動構件使用方法7.2.2MCU的SPI底層驅動構件的組成及使用方法任務7.3SPI多機通信的應用層程序設計

用同一個STM32F103C8T6芯片中的SPI1（作為主器件）和SPI2（作為從器件），在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設計07_Source（應用層軟件構件）的文件，以實現(xiàn)：SPI1向SPI2發(fā)送數(shù)據，SPI2接收數(shù)據并通過UART將接收到的數(shù)據發(fā)送至PC顯示。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：

定義字符數(shù)組（存放待發(fā)送的字符型數(shù)據）；

初始化（UART、SPI）；使能SPI2接收中斷；

在主循環(huán)中，SPI1通過SPI發(fā)送函數(shù)向SPI2發(fā)送數(shù)據在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx【思路總結】請畫出上述程序的設計和執(zhí)行流程圖。3）中斷服務程序源文件isr.c：在SPI2接收中斷服務程序中，通過SPI接收函數(shù)接收由

SPI1發(fā)來的數(shù)據，并通過UART將其發(fā)送至PC顯示

【學以致用與創(chuàng)新】實現(xiàn)兩個MCU之間的SPI通信功能，其中一個MCU作為SPI主器件，而另一個MCU作為SPI從器件。

嵌入式系統(tǒng)設計

為了實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設計的可移植和可復用，嵌入式硬件和嵌入式軟件均采用構件化的設計思想，即對嵌入式硬件和嵌入式軟件進行封裝，供系統(tǒng)設計者調用，并倡導嵌入式軟件分層設計的理念，以大幅度降低嵌入式技術學習難度和開發(fā)難度。

本書特色：項目任務驅動，突出學以致用，注重實踐創(chuàng)新。每個項目且均采用了“通用知識”→“嵌入式構件設計”→“應用層程序設計”→“學以致用與創(chuàng)新”的學習流程。采用“搭積木”的思想，逐步提高嵌入式系統(tǒng)設計能力。

本書可作為高等學校電子信息類、計算機類、自動化類等專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)設計教材，也可作為嵌入式技術培訓教材，還可供從事嵌入式技術開發(fā)的工程技術人員參考。項目1：GPIO基礎應用—實現(xiàn)閃燈和開關狀態(tài)檢測與控制功能項目2：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈項目3：GPIO和定時器的綜合應用—實現(xiàn)數(shù)碼管顯示、鍵盤測控、測溫功能項目4：利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信項目5：利用

Timer

實現(xiàn)PWM和輸入捕獲功能項目6：利用

ADC

設計簡易數(shù)字電壓表項目7：利用SPI實現(xiàn)多機串行通信項目8：利用CAN實現(xiàn)多機通信教

材

內

容

項目8利用CAN實現(xiàn)多機通信【項目導讀】

CAN（ControllerAreaNetwork，控制器局域網）是德國Bosch公司針對汽車電子領域開發(fā)的具有國際標準的現(xiàn)場總線，由于CAN具有很強的可靠性、安全性和實時性，目前CAN廣泛應用于汽車電子、工業(yè)控制、農業(yè)控制、機電產品等領域的分布式測控系統(tǒng)中。利用CAN可以很方便地實現(xiàn)多機聯(lián)網。【學習目標】（1）理解CAN的通用知識，包括CAN的相關概念、硬件結構、通信原理和優(yōu)點。（2）熟悉MCU的CAN主要特性和引腳，掌握MCU的CAN底層驅動構件的使用方法。（3）能夠利用MCU的CAN底層驅動構件頭文件進行多機之間的CAN應用層程序設計，并掌握CAN通信功能測試方法。*（4）熟悉MCU的CAN底層驅動構件源文件的設計方法。任務8.1

理解CAN的通用知識8.1.1CAN系統(tǒng)的總體構成和CAN節(jié)點的硬件結構120Ω120Ω負載電阻（終端電阻）的作用是防止反射波干擾CAN系統(tǒng)主要由若干個節(jié)點、兩條數(shù)據傳輸線（CAN-H和CAN-L）及負載電阻組成。1、CAN系統(tǒng)的總體構成任務8.1

理解CAN的通用知識8.1.1CAN系統(tǒng)的總體構成和CAN節(jié)點的硬件結構2、CAN節(jié)點的硬件結構CAN節(jié)點的硬件結構主要由傳感器、MCU、CAN控制器、CAN收發(fā)器、執(zhí)行器組成。任務8.1

理解CAN的通用知識8.1.2CAN的網絡通信原理1、CAN的網絡結構：CAN控制器硬件實現(xiàn)CAN收發(fā)器硬件實現(xiàn)

CAN應用系統(tǒng)軟件設計的主要任務是對其應用層程序進行設計應用層、數(shù)據鏈路層、物理層——實時性強任務8.1

理解CAN的通用知識8.1.2CAN的網絡通信原理2、CAN的數(shù)據傳輸流程數(shù)據打包并/串轉換數(shù)字信號→電壓信號邊說邊聽電壓信號→數(shù)字信號驗收過濾串/并轉換數(shù)據解包ID

+長度+相關數(shù)據CRC應答信號任務8.1

理解CAN的通用知識8.1.2CAN的網絡通信原理3、CAN總線電壓信號與數(shù)字信號之間的關系CAN收發(fā)器11位以上的隱性位：空閑CAN-H與CAN-L的電壓值具有何特點？任務8.1

理解CAN的通用知識8.1.2CAN的網絡通信原理4、CAN的幀ID、數(shù)據優(yōu)先級、數(shù)據的仲裁

CAN為多主工作方式，任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向CAN總線上發(fā)送數(shù)據，而不分主從。

若有多個節(jié)點同時向CAN總線上發(fā)送數(shù)據，那么在CAN系統(tǒng)中是如何實現(xiàn)數(shù)據的仲裁（決定哪個數(shù)據先發(fā)，哪個數(shù)據后發(fā)）？——需要先理解幀ID和數(shù)據優(yōu)先級的關系

節(jié)點發(fā)送的數(shù)據包實時性要求越高，優(yōu)先級越高，對應的幀ID就越小。

原理：當多個節(jié)點同時向總線上發(fā)送數(shù)據時，總線上的結果是這多個數(shù)據“邏輯與”的值。節(jié)點A發(fā)送數(shù)據:

0節(jié)點B發(fā)送數(shù)據：

10—顯性位1—隱性位0優(yōu)先級高！總線上顯示數(shù)據：

0在實際應用時，應該按照數(shù)據包的優(yōu)先級，給每個數(shù)據包分配一個唯一的ID。注意：CAN協(xié)議要求ID的高7位不能同時為1。任務8.1

理解CAN的通用知識8.1.2CAN的網絡通信原理4、CAN的幀ID、數(shù)據優(yōu)先級、數(shù)據的仲裁

當一個節(jié)點向CAN總線上發(fā)送數(shù)據包時，首先向總線上發(fā)送自己的幀ID。

在發(fā)送幀ID的過程中，如果一個節(jié)點向總線上發(fā)送的數(shù)據和從總線上接收到的數(shù)據一致，那么該節(jié)點就可以繼續(xù)向總線上發(fā)送數(shù)據；否則，該節(jié)點就要停止向總線上發(fā)送數(shù)據。

3個節(jié)點通過幀ID進行優(yōu)先級競爭的結果：節(jié)點1首先獲得總線使用權；在節(jié)點1將其數(shù)據包發(fā)送完畢后，若總線處于空閑狀態(tài)，則系統(tǒng)會自動使節(jié)點2和節(jié)點3繼續(xù)通過發(fā)送幀ID重新競爭總線的使用權（自動重發(fā)）。

在仲裁過程中，不會出現(xiàn)不同優(yōu)先級數(shù)據包之間的相互破壞——“非破壞性仲裁”。【學以致用】CAN通信優(yōu)先級分析及應用。任務8.1

理解CAN的通用知識8.1.2CAN的網絡通信原理5、CAN驗收過濾功能的實現(xiàn)【學以致用】

表8-1：CAN驗收過濾應用分析。過濾器標識符寄存器：100101102

過濾器掩碼寄存器：

-----

有關有關發(fā)送：101+數(shù)據A？？接收放棄接收接收

放棄接收發(fā)送：102+數(shù)據A發(fā)送：***+數(shù)據A

過濾器掩碼寄存器：

-----

無關無關例：三個節(jié)點：A（發(fā)送）、B（接收）、C（接收）

節(jié)點A節(jié)點B節(jié)點CCAN-BUS

幀ID過濾器掩碼寄存器：

無關

-----

-----？接收過濾器標識符寄存器：100101102例：三個節(jié)點：A（接收）、B（發(fā)送）、C（發(fā)送）

節(jié)點A節(jié)點B節(jié)點CCAN-BUS發(fā)送：***+數(shù)據B

幀ID發(fā)送：***+數(shù)據C

幀ID

通過CAN控制器中過濾器的標識符寄存器和掩碼寄存器實現(xiàn)。——點對點、一點對多點（廣播式）、多點對一點任務8.1

理解CAN的通用知識8.1.2CAN的網絡通信原理6、CAN數(shù)據幀的組成

在CAN節(jié)點之間的通信中，若將數(shù)據從一個節(jié)點的發(fā)送器傳輸?shù)搅硪粋€節(jié)點的接收器，則必須發(fā)送數(shù)據幀。發(fā)送方：寫1接收方正確接收：寫0總線值：0由CAN控制器硬件自動處理幀內應答實時性強由CAN控制器硬件自動完成有效數(shù)據：0~8字節(jié)，由用戶通過編程設定主要包括有效數(shù)據的長度，由用戶通過編程設定：0~8字節(jié)

主要包括幀ID和遠程發(fā)送請求位（RTR），由用戶通過編程設定。

由CAN控制器硬件自動