摘要：為了鍛煉學(xué)生單片機(jī)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)能力，為工程實(shí)際應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，根據(jù)學(xué)生專業(yè)特點(diǎn)，精心設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的信號(hào)測(cè)量實(shí)踐教學(xué)案例。本案例實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的周期、頻率測(cè)量和通過(guò)串口傳輸，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后還可以實(shí)現(xiàn)占空比的測(cè)量。

關(guān)鍵詞：CubeMx，前后臺(tái)編程，輸入捕獲，占空比

一、引言

《單片機(jī)原理及應(yīng)用》是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)嵌入式方向的一門研究微機(jī)原理、接口技術(shù)及程序設(shè)計(jì)的專業(yè)拓展課程。本課程擔(dān)負(fù)著認(rèn)識(shí)理解微控制器工作原理、掌握單片機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，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(jiǎn)明扼要地講授STM32單片機(jī)芯片的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理，系統(tǒng)討論了單片機(jī)主要系統(tǒng)資源的設(shè)計(jì)方法，并為單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了必要準(zhǔn)備。主要內(nèi)容包括STM32單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)內(nèi)部主要模塊的功能實(shí)現(xiàn)、外部接口的應(yīng)用設(shè)計(jì)以及初步的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

考慮到課程應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，為了鍛煉學(xué)生單片機(jī)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)能力，為工程實(shí)際應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，課程以STM32CubeMX軟件和MDK-ARM軟件來(lái)學(xué)習(xí)單片機(jī)編程，其中STM32CubeMX采用圖形化方式完成外設(shè)初始化的設(shè)計(jì)[3]，在MDK-ARM編程中，引入了較多先進(jìn)的編程思想，硬件采用較新的STM32Nucleo開(kāi)發(fā)板和STM32F411RE控制器。

課程在鍛煉學(xué)生軟硬件設(shè)計(jì)能力的同時(shí)，引入了前后臺(tái)編程思想、圖形化的初始化設(shè)計(jì)思想、狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)思想等，并引入了實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中自定義幀格式、復(fù)雜信號(hào)測(cè)量等常用的綜合性技能項(xiàng)目，對(duì)于學(xué)生實(shí)踐能力的鍛煉很有好處。本文以信號(hào)測(cè)量項(xiàng)目為案例，可以在較短的課時(shí)內(nèi)讓學(xué)生掌握單片機(jī)定時(shí)器、串口的實(shí)踐應(yīng)用。

二、信號(hào)測(cè)量案例分析

1、任務(wù)內(nèi)容

本次信號(hào)測(cè)量任務(wù)屬于定時(shí)器的輸入捕獲功能應(yīng)用[4-5]，并用到之前學(xué)習(xí)的定時(shí)器PWM輸出功能，以及后續(xù)將要介紹的串口通訊。知識(shí)點(diǎn)包括引腳選擇、參數(shù)計(jì)算，數(shù)據(jù)定義，接口函數(shù)調(diào)用等，具體實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的周期、頻率測(cè)量和通過(guò)串口傳輸，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后還可以實(shí)現(xiàn)占空比的測(cè)量。

外部脈沖信號(hào)利用A定時(shí)器的某通道產(chǎn)生，利用B定時(shí)器的某通道來(lái)測(cè)量一個(gè)外部脈沖信號(hào)的周期、頻率和占空比，通過(guò)杜邦線與前述測(cè)量通道連接。如圖1所示，通過(guò)計(jì)算t2，t3與t1的時(shí)間差，即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)測(cè)量，時(shí)間差為對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)乘以計(jì)數(shù)脈沖周期數(shù)，計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)通過(guò)輸入捕獲功能進(jìn)行記錄。

2、設(shè)計(jì)思路

1）、設(shè)置某引腳為定時(shí)器A的通道，利用定時(shí)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(shí)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(yù)分頻系數(shù)和最大計(jì)數(shù)值;

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

三、項(xiàng)目設(shè)置

1、引腳選擇

引導(dǎo)學(xué)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(shí)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(shí)器作輸入捕獲，也需要作PWM輸出來(lái)使用，經(jīng)觀察，在排除PA3、PA2引腳的條件下，定時(shí)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(wèn)學(xué)生的意見(jiàn)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(shí)物中將兩引腳連接起來(lái)。選擇的引腳如圖2所示。

2、TIM1配置：

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

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

3）如果輸出一個(gè)頻率為50KHz，占空比60%的方波，該如何設(shè)計(jì)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(dǎo)學(xué)生計(jì)算ARR和PSC的取值，從學(xué)生計(jì)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(shí)鐘源為內(nèi)部時(shí)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(dǎo)學(xué)生分析ARR和PSC的值該如何選?。狠斎氲姆讲ㄐ盘?hào)在邊沿處將進(jìn)行捕獲，此時(shí)記錄下計(jì)數(shù)值（最大為ARR），顯然ARR越大，可以測(cè)量的信號(hào)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(jì)數(shù)的周期越小，對(duì)信號(hào)周期的測(cè)量越準(zhǔn)確，故沒(méi)必要預(yù)分頻，建議PSC（CounterSettings的Prescaler參數(shù)）取0;

4）在邊沿處進(jìn)行捕獲時(shí)，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(lái)源設(shè)為旁路時(shí)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(shí)鐘配置

1）Inputfrequency（輸入時(shí)鐘頻率）：8MHz;

2）PLLSourceMux（鎖相環(huán)時(shí)鐘源）：HSE;

3）SystemClockMux（系統(tǒng)時(shí)鐘源）：PLLCLK;

4）HCLK：100MHz。

四、程序設(shè)計(jì)

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(dòng)生成的外設(shè)初始化代碼之后，由用戶編寫(xiě)的初始化代碼，實(shí)現(xiàn)了啟動(dòng)TIM2_CH1的輸入捕獲和啟動(dòng)TIM1_CH1的PWM輸出功能。

3、前臺(tái)程序

前臺(tái)程序如圖3（b）所示，其中第一、第二次捕獲分別對(duì)應(yīng)圖1的t1和t3時(shí)刻，完成2次捕獲后，將置位測(cè)量完成標(biāo)志MeasureFlag = 1，供后臺(tái)程序使用。

4、后臺(tái)程序

當(dāng)前臺(tái)（即TIM2的輸入捕獲中斷函數(shù)）測(cè)量完成，即捕獲到圖1中的t1和t3時(shí)刻計(jì)數(shù)值，后臺(tái)將在死循環(huán)中計(jì)算捕獲差值，并計(jì)算信號(hào)周期、頻率通過(guò)串口輸出，當(dāng)然還要清除測(cè)量完成標(biāo)志，以利于新的捕獲，其流程如圖4（a）所示。

討論：程序中通過(guò)計(jì)算TIM2兩次捕獲值之差，乘以1個(gè)脈沖的周期（1/100000000s），計(jì)算得到測(cè)量信號(hào)周期。很明顯只適用于測(cè)量信號(hào)周期不太大的情況，因?yàn)橐坏y(cè)量信號(hào)周期太大，TIM2的第二個(gè)捕獲值可能溢出。引導(dǎo)學(xué)生討論測(cè)量信號(hào)周期的最大值，易于計(jì)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(kuò)大對(duì)被測(cè)信號(hào)周期的測(cè)量，可以考慮第二次捕獲加上計(jì)數(shù)溢出值即可。對(duì)應(yīng)的程序流程如圖4（b）所示。當(dāng)然修改后的程序，對(duì)測(cè)量信號(hào)周期仍然有范圍限制，易于想到，其值約為42.95×2=84s。

5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

編譯并燒寫(xiě)可執(zhí)行文件后，可在實(shí)物上觀察對(duì)信號(hào)周期和頻率的測(cè)量結(jié)果。連接串口，接收到的結(jié)果如下框所示，非常準(zhǔn)確。

五、案例的改進(jìn)

在上述案例中，通過(guò)捕獲t1，t3時(shí)刻的計(jì)數(shù)值后計(jì)算差值，即可完成對(duì)信號(hào)周期和頻率的測(cè)量。如果想實(shí)現(xiàn)占空比的測(cè)量，思路也較為簡(jiǎn)單，下面從前后臺(tái)程序分別進(jìn)行介紹。

1、前臺(tái)程序

如圖5所示，第一次捕獲對(duì)應(yīng)t1時(shí)刻（見(jiàn)圖1），將保存捕獲值CapVal1，修改捕獲標(biāo)識(shí)CapIndex=1，以及設(shè)置為下降沿中斷。接下來(lái)在下降沿時(shí)，將再次成功捕獲對(duì)應(yīng)t2時(shí)刻，根據(jù)捕獲標(biāo)志即可判斷出屬于第二次捕獲，此時(shí)保存捕獲值CapVal2，修改捕獲標(biāo)識(shí)CapIndex=2，以及設(shè)置為上升沿中斷。接下來(lái)在上升沿時(shí)，將再次成功捕獲對(duì)應(yīng)t3時(shí)刻，根據(jù)捕獲標(biāo)志即可判斷出屬于第三次捕獲，此時(shí)保存捕獲值CapVal3，重置捕獲標(biāo)識(shí)CapIndex=0，并置位測(cè)量完成標(biāo)識(shí)MeasureFlag=1，供后臺(tái)程序查詢使用。

2、后臺(tái)程序

后臺(tái)程序流程圖見(jiàn)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(jì)數(shù)溢出情況，如存在將分別加上2^32，從而擴(kuò)大了對(duì)信號(hào)周期的測(cè)量范圍，具體分析與四、4節(jié)的分析類似。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

編譯并燒寫(xiě)可執(zhí)行文件后，可在實(shí)物上觀察對(duì)信號(hào)周期、頻率和占空比的測(cè)量結(jié)果。連接串口，接收到的結(jié)果如下所示，非常準(zhǔn)確。

六、總結(jié)

從本案例可以看出，課程體現(xiàn)了較強(qiáng)的應(yīng)用性，學(xué)生通過(guò)STM32CubeMX軟件的圖形化操作完成外設(shè)初始化的設(shè)計(jì)，將在MDK-ARM軟件中自動(dòng)生成初始化代碼;在MDK-ARM編程應(yīng)用時(shí)，采用了前后臺(tái)的編程思想，使得程序結(jié)構(gòu)較為清晰;案例實(shí)踐中，引入了定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出、通過(guò)修改邊沿捕獲方式計(jì)算信號(hào)占空比等討論，對(duì)定時(shí)器的設(shè)計(jì)應(yīng)用學(xué)習(xí)更為深入。通過(guò)對(duì)本案例的設(shè)計(jì)、討論與實(shí)現(xiàn)，培養(yǎng)了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)技能，開(kāi)發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的自學(xué)、分析和解決問(wèn)題的能力。

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作者簡(jiǎn)介：李向陽(yáng)（1984-），男，浙江寧波人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開(kāi)發(fā)

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