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由浅入深说单片机:看大神们总结的经验

发布时间:2019-07-04 02:46 来源:未知 编辑:admin

  你会运用单片机吗?我想你一定学过,但不一定会运用。因为学习单片机比学习其他学科需要付出更多的努力和代价,不仅要学习理论知识还要练习实际操作,而且主要是在实际操作中才能真正学到单片机技术。此外,学习单片机还需要投入一定的学习成本,随着你学习知识的扩展成本还会增加。

  学习单片机的动机不外乎有四种:一是为兴趣爱好而学,二是为专业而学;三是为饭碗而学;四是在工作中被逼而学。不管是哪种动机,因主修专业的不同以及电子基础的深浅不同,对于不同的人可能采用不同的学习方法,根据笔者的亲身学习经验和教授徒弟学习的感受,提出笔者的学习方法和步骤。

  基础理论知识包括模拟电路、数字电路和C语言知识。模拟电路和数字电路属于抽象学科,要把它学好还得费点精神。在你学习单片机之前,觉得模拟电路和数字电路基础不好的话,不要急着学习单片机,应该先回顾所学过的模拟电路和数字电路知识,为学习单片机加强基础。

  否则,你的单片机学习之路不仅会很艰难和漫长,还可能半途而废。笔者始终认为,扎实的电子技术基础是学好单片机的关键,直接影响单片机学习入门的快慢。

  有些同学觉得单片机很难,越学越复杂,最后学不下去了。有的同学看书时似乎明白了,可是动起手来却一塌糊涂,究其原因就是电子技术基础没有打好,首先被表面知识给困惑了。

  单片机属于数字电路,其概念、术语、硬件结构和原理都源自数字电路,如果数字电路基础扎实,对复杂的单片机硬件结构和原理就能容易理解,就能轻松地迈开学习的第一步,自信心也会树立起来。

  相反,基础不好,这个看不懂那个也弄不明白,越学问题越多,越学越没有信心。如果你觉得单片机很难,那就应该先放下单片机教材,去重温数字电路,搞清楚触发器、寄存器、门电路、COMS电路、时序逻辑和时序图、进制转换等理论知识。理解了这些知识之后再去看看单片机的结构和原理,我想你会大彻大悟,信心倍增。

  模拟电路是电子技术最基础的学科,她让你知道什么是电阻、电容、电感、二极管、三极管、场效应管、放大器等等以及它们的工作原理和在电路中的作用,这是学习电子技术必须掌握的基础知识。

  一般是先学习模拟电路再去学习数字电路。扎实的模拟电路基础不仅让你容易看懂别人设计的电路,而且让你的设计的电路更可靠,提高产品质量。

  C语言知识并不难,没有任何编程基础的人都可以学,在我看来,初中生、高中生、中专生、大学生都能学会。当然,数学基础好、逻辑思维好的人学起来相对轻松一些。

  C语言需要掌握的知识就那么3个条件判断语句、3个循环语句、3个跳转语句和1个开关语句。别小看这10个语句,用他们组合形成的逻辑要多复杂有多复杂。学习时要一条语句一条语句的学,学一条活用一条,全部学过用过这些关键语句后,相信你的C基础建立了。

  当基础打好以后,你会感觉到单片机不再难学了,而且越学越起劲。当单片机乖乖的依照你的逻辑思维和算法去执行指令,实现预期控制效果的时候,成就感会让你信心十足、夜以续日、废寝忘食的投入到单片机的世界里。可以这么说,扎实的电子技术基础和C语言基础能增强学习单片机信心,较快掌握单片机技术。

  这是真正学习单片机的过程,既让人兴奋又让人疲惫,既让人无奈又让人不服,既让人孤独又让人充实,既让人气愤又让人欣慰,既有失落感又有成就感。

  其中的酸甜苦辣只有学过的人深有体会。思想上要有刻苦学习的决心,硬件上要有一套完整的学习开发工具,软件上要注重理论和实践相结合。

  首先,明确学习目的。先认真回答两个问题:我学单片机来做什么?需要多长时间把它学会?这是你学单片机的动力。没有动力,我想你坚持不了多久。

  其次,端正学习心态。单片机学习过程是枯燥乏味、孤独寂寞的过程。要知道,学习知识没有捷径,只有循序渐进,脚踏实地,一步一个脚印,才能学到真功夫。

  再次,要多动脑勤动手。单片机的学习具有很强的实践性,是一门很注重实际动手操作的技术学科。不动手实践你是学不会单片机的。最后,虚心交流。在单片机学习过程中每个人都会遇到无数不能解决的问题,需要你向有经验的过来人虚心求教,否则,一味的自己埋头摸索会走许多弯路,浪费很多时间。

  学习单片机是需要成本的。必须有一台电脑、一块单片机开发板(如果开发板不能直接下载程序代码的话还得需要一个编程器)、一套视频教程、一本单片机教材和一本C语言教材。

  电脑是用来编写和编译程序,并将程序代码下载到单片机上;开发板用来运行单片机程序,验证实际效果;视频教程就是手把手教你单片机开发环境的使用、单片机编程和调试。

  对于单片机初学者来说,视频教程必须看,要不然,哪怕把教材看了几遍,还是不知道如何下手,尤其是院校里的单片机教材,学了之后,面对真正的单片机时可能还是束手无策;单片机教材和C语言教材是理论学习资料,备忘备查。不要为了节约成本不用开发板而光用Protur软件仿真调试,这和纸上谈兵没什么区别。

  单片机C语言编程理论知识并不深奥,光看书不动手也能明白。但在实际编程的时候就没那么简单了。一个程序的形成不仅需要有C语言知识,更多需要融入你个人的编程思路和算法。

  编程思路和算法决定一个程序的优劣,是单片机编程的大问题,只有在实际动手编写的时候才会有深切的感悟。一个程序能否按照你的意愿正常运行就要看你的思路和算法是否正确、合理。

  如果程序不正常则要反复调试(检查、修改思路和算法),直到成功。这个过程耗时、费脑、疲精神,意志不坚强者往往被绊倒在这里半途而废。

  学习编写程序应该按照以下过程学习,效果会更好。看到例程题目先试着构思自己的编程思路,然后再看教材或视频教程里的代码,研究人家的编程思路,注意与自己思路的差异;接下来就照搬人家的思路亲自动手编写这个程序,领会其中每一条语句的作用;对有疑问的地方试着按照自己的思路修改程序,比较程序运行效果,领会其中的奥妙。

  每一个例程都坚持按照这个过程学习,你很快会找到编程的感觉,取其精华去其糟粕,久而久之会形成你独特的编程思想。当然,刚开始,看别人的程序源代码就像看天书一样,只要硬着头皮看,看到不懂的关键字和语句就翻书查阅、对照。只要能坚持下来,学习收获会事半功倍。

  在实践过程中不仅要学会别人的例程,还要在别人的程序上改进和拓展,让程序产生更强大的功能。同时,还要懂得通过查阅芯片数据手册(DATASHEET)里有关芯片命令和数据的读写时序来核对别人例程的可靠性,如果你觉得例程不可靠就把它修改过来,成为是你自己的程序。

  当编写自己的程序信手拈来、阅读别人的程序能够发现问题的时候,说明你的单片机编程水平相当不错了。接下来就应该研究的硬件了。硬件设计包括电路原理设计和PCB板设计。学习做硬件要比学习做软件麻烦,成本更高,周期更长。

  但是,学习单片机的最终目的是做产品开发----软件和硬件相结合形成完整的控制系统。所以,做硬件也是学习单片机技术的一个必学内容。

  电路原理设计涉及到各种芯片的应用,而这些芯片外围电路的设计、典型应用电路和与单片机的连接等在芯片数据手册(DATASHEET)都能找到答案,前提是要看得懂全英文的数据手册。

  否则,照搬别人的设计永远落在别人的后面,你做的产品就没有创意。电子技术领域的第一手资料(DATASHEET)都是英文,从第一手资料里你所获得的知识可能是在教科书、网络文档和课外读物等所没有的知识。

  虽然有些资料也都是在DATASHEET的基础上撰写的,但内容不全面,甚至存在翻译上的遗漏和错误。当然,阅读DATASHEET需要具备一定的英文阅读能力,这也是阻碍单片机学习者晋级的绊脚石。良好的英文阅读能力能让你在单片机技术知识的海洋里自由遨游。

  做PCB板就比较简单了。只要懂得使用Protel软件或 AltimDesigner软件就没问题了。但要想做的板子布局美观、布线合理还得费一番功夫了。

  娴熟的单片机C语言编程、会使用Protel软件或 AltimDesigner软件设计PCB板和具备一定的英文阅读能力,你就是一个遇强则强的单片机高手了。

  当CPU受到外界干扰,有时PC指针会飞到另一段程序中,或跳到空白段去。其实,如果PC指针飞到空白段去,倒也好处理。只要在空白段设立软件陷阱(拦截指令),将程序拦截到初始化段或程序错误处理段。但是,如果PC指针飞到另一段程序中去了,系统如何办?小匠在这里推荐一种方法——程序口令,思路如下:

  1、首先,程序必须模块化。每个模块(子程序)执行一个功能。每个模块只有一个出口(RET)。

  如果正确,则继续执行;如果不正确,则表示PC指针有可能已经跳错了,子程序没有按预计的出口返回,这时将程序拦截到初始化段或程序错误处理段。

  这种方法,如同在程序中设立了若干个岗哨,每次调用子程序返回后,都要对口令(ID号),验明正身后再放行。再配合软件陷阱,基本上可以将大多数PC指针弹飞的现象检测到。到了程序错误处理段,要杀要剐(冷启动还是热启动)就由您了。

  仅以一条代码来揭示程序飞跑的本质!750102H ;MOV 01H,#02H ,如当前PC不是指向75H,而是指向01H或02H,那么51内的指令译码器将把她们忠实地翻译成AJMP X01H 或 LJMP XXXXH 而XX01H XXXXH又是什么呢?天知道!这样恶性飞跑下去那还不死定!改革一下:

  每一字节代码都不能在生成跳转和循环,且都是单字节指令!往那跑去?跑出去了都要自己回来!“在家”千日好!“跳出”事事难嘛!这样只要平时习惯了用累加器和寄存器把数倒一倒,把那些危险代码都给倒掉,这样虽说给PC的“足”上多加了两字节的“包”可它不好“跑”啊!“足包”====跑!有朋友会问:要是PC抓做02H--LJMP 又有抓做了老鼻子远的XXH,再抓做隔壁的YYH不就没用了吗?提这样的问题只有ZENYIN这种钻牛角得才会提!PC那一位最活跃啊?PC0啊!要“扯拐”显然发生在她身上,至于那PC15同志啊,睡得更死猪一样,雷爆(强干扰)来了都打不醒?此外如果干扰都强到了PC高位都出错的地步!关电!关电!不干了!“不是我们不行而是敌人太强大”!反过来要是敌人在你的专政下,只是偶尔出来捣捣乱,但一出来就冲到屁西(PC)高层,就要问问是不是你的王国根基(硬件)有问题了?而非出在意识形态(软件)上!硬件为本!软件为标!标本兼治铸就坚强体魄,方能百毒不侵!

  关于软件狗的讨论,论坛上多矣。匠人也曾经查阅过许多关于软件狗的文章。有些大师确实提出了一些比较有技巧性的方法。但是,匠人的忠告是:不要轻信软件狗!其实,软件狗相当于软件的一种自律行为。一般的思路都是通过设立一个计数器,在计时中断中对其+1,在主程序的适当地方对其清零。如果程序失控了,清零指令未被执行,但中断造常发生,则计数器溢出(狗狗叫了)。但是这里有个问题:万一干扰导致中断被屏蔽了,那软件狗就永远不会叫了!——针对这种可能,有人提出在主程序中反复刷新中断使能标志,保证不让中断被屏蔽。——但万一程序飞到某个死循环中去了,不再执行“刷新中断使能标志”这一功能了,还是有可能把狗狗活活饿死。

  所以,匠人的观点是:看门狗必须拥有独立的计数器。(即硬件看门狗)好在现在好多芯片都提供了内部WDT。这种狗都是自带计数器的。即使干扰导致程序失控,WDT还是会造常计数直到溢出。当然,匠人也没有要将软件狗一棍子全部打死的意思。毕竟不管是软狗还是硬狗,逮到耗子就是好狗嘛(狗拿耗子——多管闲事?)。如果哪位训狗专家确实养过一条能看门的好软件狗,请牵出来让大伙瞧瞧。

  1、将重要的数据信息备份2份(或以上)并存放在RAM中不同的区域(指地址不相连)。

  将数据与备份做比较,采用表决方式(少数服从多数)选出正确(或可能正确?)的那个。

  5、只备份最最原始的数据。中间变量(指那些可以从原始数据重新推导出来的数据)不必备份,

  1、这种思路的理论依据,据说是源于一种“概率论”,即一个人被老婆打肿脸的概率是很大的,但如果他捂着脸去上班却发现全公司每个已婚男人的脸都青了,这种概率是很小的。同理,一个RAM寄存器数据被冲毁的概率是很大的,但地址不相连的多个RAM同时被冲毁的概率是很小的。

  2、前两年,小匠学徒时,用过一次这种方法,但效果不太理想。当时感觉可能是概率论在我这失效了?现在回想起来,可能是备份的时机选的不好。结果将已经冲毁的数据又备份进去了。这样以来,恢复出来的数据自然也就不对了。

  前面有个朋友问到指令冗余,按匠人的理解,指令冗余,就是动作冗余。举个例子,你要在某个输出口上输出一个高电平去驱动一个外部器件,你如果只送一次“1”,那么,当干扰来临时,这个“1”就有可能变成“0”了。正确的处理方式是,你定期刷新这个“1”。那么,即使偶然受了干扰,它也能恢复回来。除了I/O口动作的冗余,匠人强烈建议大家在下面各方面也采用这种方法:

  1、LCD的显示。有时,也许你会用一些LCD的专用驱动芯片(如HT1621),这种芯片有个好处,即你只要将显示数据传送给它,它就会不断的自动扫描LCD。但是,你千万不要以为这样就没你啥事了。正确的处理方式是,要记得定期刷新送显数据(即使显示内容没有改变)。对于CPU中自带LCD DRIVER 的,也要定期刷新LCD RAM。

  2、中断使能标志的设置。不要以为你在程序初始化段将中断设置好就OK了。应该在主程序中适当的地方定期刷新一下,以免你的中断被挂起来。

  下面奉献——匠人呕心沥血搜肠刮肚冥思苦想东拼西凑整理出来的10种软件滤波方法:

  A、方法:根据经验判断,确定两次采样允许的最大偏差值(设为A),每次检测到新值时判断:如果本次值与上次值之差=A,则本次值有效。如果本次值与上次值之差A,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值

  A、方法:连续采样N次(N取奇数),把N次采样值按大小排列,取中间值为本次有效值。

  A、方法:连续取N个采样值进行算术平均运算。N值较大时:信号平滑度较高,但灵敏度较低;N值较小时:信号平滑度较低,但灵敏度较高。N值的选取:一般流量,N=12;压力:N=4

  B、优点:适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波,这样信号的特点是有一个平均值,信号在某一数值范围附近上下波动。

  C、缺点:对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用,比较浪费RAM。

  A、方法:把连续取N个采样值看成一个队列,队列的长度固定为N,每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一次数据.(先进先出原则),把队列中的N个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果。N值的选取:流量,N=12;压力:N=4;液面,N=4~12;温度,N=1~4

  B、优点:对周期性干扰有良好的抑制作用,平滑度高,适用于高频振荡的系统。

  C、缺点:灵敏度低,对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差,不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差,不适用于脉冲干扰比较严重的场合,比较浪费RAM

  A、方法:相当于“中位值滤波法”+“算术平均滤波法”。连续采样N个数据,去掉一个最大值和一个最小值,然后计算N-2个数据的算术平均值。N值的选取:3~14

  B、优点:融合了两种滤波法的优点,对于偶然出现的脉冲性干扰,可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。

  A、方法:相当于“限幅滤波法”+“递推平均滤波法”,每次采样到的新数据先进行限幅处理,再送入队列进行递推平均滤波处理 。

  B、优点:融合了两种滤波法的优点,对于偶然出现的脉冲性干扰,可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。

  C、缺点: 相位滞后,灵敏度低,滞后程度取决于a值大小,不能消除滤波频率高于采样频率的1/2的干扰信号。

  A、方法:是对递推平均滤波法的改进,即不同时刻的数据加以不同的权。通常是,越接近现时刻的数据,权取得越大。给予新采样值的权系数越大,则灵敏度越高,但信号平滑度越低。

  C、缺点:对于纯滞后时间常数较小,采样周期较长,变化缓慢的信号不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度,滤波效果差。

  A、方法:设置一个滤波计数器将每次采样值与当前有效值比较:如果采样值=当前有效值,则计数器清零如果采样值当前有效值,则计数器+1,并判断计数器是否=上限N(溢出),如果计数器溢出,则将本次值替换当前有效值,并清计数器。

  B、优点:对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果,可避免在临界值附近控制器的反复开/关跳动或显示器上数值抖动。

  C、缺点:对于快速变化的参数不宜,如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好是干扰值,则会将干扰值当作有效值导入系统。

  B、优点: 继承了“限幅”和“消抖”的优点改进了“消抖滤波法”中的某些缺陷,避免将干扰值导入系统。

  对于单片机程序来说,大家都不陌生,但是真正使用架构,考虑架构的恐怕并不多,随着程序开发的不断增多,本人觉得架构是非常必要的。前不就发帖与大家一起讨论了一下怎样架构你的单片机程序,发现真正使用架构的并不都,而且这类书籍基本没有。

  1. 简单的前后台顺序执行程序,这类写法是大多数人使用的方法,不需用思考程序的具体架构,直接通过执行顺序编写应用程序即可。

  这种方法,这应用程序比较简单,实时性,并行性要求不太高的情况下是不错的方法,程序设计简单,思路比较清晰。但是当应用程序比较复杂的时候,如果没有一个完整的流程图,恐怕别人很难看懂程序的运行状态,而且随着程序功能的增加,编写应用程序的工程师的大脑也开始混乱。即不利于升级维护,也不利于代码优化。本人写个几个比较复杂一点的应用程序,刚开始就是使用此法,最终虽然能够实现功能,但是自己的思维一直处于混乱状态。导致程序一直不能让自己满意。

  这种方法大多数人都会采用,而且我们接受的教育也基本都是使用此法。对于我们这些基本没有学习过数据结构,程序架构的单片机工程师来说,无疑很难在应用程序的设计上有一个很大的提高,也导致了不同工程师编写的应用程序很难相互利于和学习。

  本人建议,如果喜欢使用此法的网友,如果编写比较复杂的应用程序,一定要先理清头脑,设计好完整的流程图再编写程序,否则后果很严重。当然应该程序本身很简单,此法还是一个非常必须的选择。

  时间片轮询法,在很多书籍中有提到,而且有很多时候都是与操作系统一起出现,也就是说很多时候是操作系统中使用了这一方法。不过我们这里要说的这个时间片轮询法并不是挂在操作系统下,而是在前后台程序中使用此法。也是本贴要详细说明和介绍的方法。

  对于时间片轮询法,虽然有不少书籍都有介绍,但大多说得并不系统,只是提提概念而已。下面本人将详细介绍本人模式,并参考别人的代码建立的一个时间片轮询架构程序的方法,我想将给初学者有一定的借鉴性。

  记得在前不久本人发帖《1个定时器多处复用的问题》,由于时间的问题,并没有详细说明怎样实现1个定时器多处复用。在这里我们先介绍一下定时器的复用功能。

  使用1个定时器,可以是任意的定时器,这里不做特殊说明,下面假设有3个任务,那么我们应该做如下工作:

  1. 初始化定时器,这里假设定时器的定时中断为1ms(当然你可以改成10ms,这个和操作系统一样,中断过于频繁效率就低,中断太长,实时性差)。

  #define TASK_NUM (3)// 这里定义的任务数为3,表示有三个任务会使用此定时器定时。

  代码解释:定时中断服务函数,在中断中逐个判断,如果定时值为0了,表示没有使用此定时器或此定时器已经完成定时,不着处理。否则定时器减一,知道为零时,相应标志位值1,表示此任务的定时值到了。

  4. 在我们的应用程序中,在需要的应用定时的地方添加如下代码,下面就以任务1为例:

  到此我们只需要在任务中判断TaskMark[0]是否为0x01即可。其他任务添加相同,至此一个定时器的复用问题就实现了。用需要的朋友可以试试,效果不错哦。

  通过上面对1个定时器的复用我们可以看出,在等待一个定时的到来的同时我们可以循环判断标志位,同时也可以去执行其他函数。

  那么我们可以想想,如果循环判断标志位,是不是就和上面介绍的顺序执行程序是一样的呢?一个大循环,只是这个延时比普通的for循环精确一些,可以实现精确延时。

  那么如果我们在一个函数延时的时候去执行其他函数,充分利用CPU时间,是不是和操作系统有些类似了呢?但是操作系统的任务管理和切换是非常复杂的。下面我们就将利用此方法架构一直新的应用程序。

  这个结构体的设计非常重要,一个用4个参数,注释说的非常详细,这里不在描述。

  2. 任务运行标志出来,此函数就相当于中断服务函数,需要在定时器的中断服务函数中调用此函数,这里独立出来,并于移植和理解。

  此函数就是判断什么时候该执行那一个任务了,实现任务的管理操作,应用者只需要在main()函数中调用此函数就可以了,并不需要去分别调用和处理任务函数。

  到此,一个时间片轮询应用程序的架构就建好了,大家看看是不是非常简单呢?此架构只需要两个函数,一个结构体,为了应用方面下面将再建立一个枚举型变量。

  下面我就就说说怎样应用吧,假设我们有三个任务:时钟显示,按键扫描,和工作状态显示。

  在定义变量时,我们已经初始化了值,这些值的初始化,非常重要,跟具体的执行时间优先级等都有关系,这个需要自己掌握。

  ①大概意思是,我们有三个任务,没1s执行以下时钟显示,因为我们的时钟最小单位是1s,所以在秒变化后才显示一次就够了。

  ②由于按键在按下时会参数抖动,而我们知道一般按键的抖动大概是20ms,那么我们在顺序执行的函数中一般是延伸20ms,而这里我们每20ms扫描一次,是非常不错的出来,即达到了消抖的目的,也不会漏掉按键输入。

  ③为了能够显示按键后的其他提示和工作界面,我们这里设计每30ms显示一次,如果你觉得反应慢了,你可以让这些值小一点。后面的名称是对应的函数名,你必须在应用程序中编写这函数名称和这三个一样的任务。

  好好看看,我们这里定义这个任务清单的目的其实就是参数TASKS_MAX的值,其他值是没有具体的意义的,只是为了清晰的表面任务的关系而已。

  到此我们的时间片轮询这个应用程序的架构就完成了,你只需要在我们提示的地方添加你自己的任务函数就可以了。是不是很简单啊,有没有点操作系统的感觉在里面?

  不防试试把,看看任务之间是不是相互并不干扰?并行运行呢?当然重要的是,还需要,注意任务之间进行数据传递时,需要采用全局变量,除此之外还需要注意划分任务以及任务的执行时间,在编写任务时,尽量让任务尽快执行完成。

  操作系统的本身是一个比较复杂的东西,任务的管理,执行本事并不需要我们去了解。但是光是移植都是一件非常困难的是,虽然有人说过“你如果使用过系统,将不会在去使用前后台程序”。但是真正能使用操作系统的人并不多,不仅是因为系统的使用本身很复杂,而且还需要购买许可证(ucos也不例外,如果商用的话)。

  这里本人并不想过多的介绍操作系统本身,因为不是一两句话能过说明白的,下面列出UCOS下编写应该程序的模型。大家可以对比一下,这三种方式下的各自的优缺点。

  不难看出,时间片轮询法优势还是比较大的,即由顺序执行法的优点,也有操作系统的优点。结构清晰,简单,非常容易理解。

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