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“从单片机初学者迈向单片机工程师”之LED主题讨论周第二章----学会释放CPU

2011-7-13 10:59:21  2343
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从这一章开始,我们开始迈入单片机的世界。在我们开始这一章具体的学习之前,有必要给大家先说明一下。在以后的系列文章中,我们将以51内核的单片机为载体,C语言为编程语言,开发环境为KEIL UV3。至于为什么选用C语言开发,好处不言而喻,开发速度快,效率高,代码可复用率高,结构清晰,尤其是在大型的程序中,而且随着编译器的不断升级,其编译后的代码大小与汇编语言的差距越来越小。而关于C语言和汇编之争,就像那个啥,每隔一段时间总会有人挑起这个话题,如果你感兴趣,可以到网上搜索相关的帖子自行阅读。不是说汇编不重要,在很多对时序要求非常高的场合,需要利用汇编语言和C语言混合编程才能够满足系统的需求。在我们学习掌握C语言的同时,也还需要利用闲余的时间去学习了解汇编语言。
1.从点亮LED(发光二极管)开始
在市面上众多的单片机学习资料中,最基础的实验无疑于点亮LED了,即控制单片机的I/O的电平的变化。
如同如下实例代码一般
void main(void)
{
    LedInit() ;
    While(1)
    {
        LED = ON ;
        DelayMs(500) ;
        LED = OFF ;
        DelayMs(500) ;
}
}
    程序很简单,从它的结构可以看出,LED先点亮500MS,然后熄灭500MS,如此循环下去,形成的效果就是LED以1HZ的频率进行闪烁。下面让我们分析上面的程序有没有什么问题。
看来看出,好像很正常的啊,能有什么问题呢?这个时候我们应该换一个思路去想了。试想,整个程序除了控制LED = ON ; LED = OFF; 这两条语句外,其余的时间,全消耗在了DelayMs(500)这两个函数上。而在实际应用系统中是没有哪个系统只闪烁一只LED就其它什么事情都不做了的。因此,在这里我们要想办法,把CPU解放出来,让它不要白白浪费500MS的延时等待时间。宁可让它一遍又一遍的扫描看有哪些任务需要执行,也不要让它停留在某个地方空转消耗CPU时间。
从上面我们可以总结出
(1)    无论什么时候我们都要以实际应用的角度去考虑程序的编写。
(2)    无论什么时候都不要让CPU白白浪费等待,尤其是延时(超过1MS)这样的地方。
下面让我们从另外一个角度来考虑如何点亮一颗LED。
先看看我们的硬件结构是什么样子的。

    我手上的单片机板子是电子工程师之家的开发的学习板。就以它的实际硬件连接图来分析吧。如下图所示
1.jpg

    一般的LED的正常发光电流为10~20MA而低电流LED的工作电流在2mA以下(亮度与普通发光管相同)。在上图中我们可知,当Q1~Q8引脚上面的电平为低电平时,LED发光。通过LED的电流约为(VCC - Vd)/ RA2 。其中Vd为LED导通后的压降,约为1.7V左右。这个导通压降根据LED颜色的不同,以及工作电流的大小的不同,会有一定的差别。下面一些参数是网上有人测出来的,供大家参考。
红色的压降为1.82-1.88V,电流5-8mA,
绿色的压降为1.75-1.82V,电流3-5mA,
橙色的压降为1.7-1.8V,电流3-5mA
兰色的压降为3.1-3.3V,电流8-10mA,
白色的压降为3-3.2V,电流10-15mA,
(供电电压5V,LED直径为5mm)
74HC573真值表如下:
2.jpg

    通过这个真值表我们可以看出。当OutputEnable引脚接低电平的时候,并且LatchEnable引脚为高电平的时候,Q端电平与D端电平相同。结合我们的LED硬件连接图可以知道LED_CS端为高电平时候,P0口电平的变化即Q端的电平的变化,进而引起LED的亮灭变化。由于单片机的驱动能力有限,在此,74HC573的主要作用就是起一个输出驱动的作用。需要注意的是,通过74HC573的最大电流是有限制的,否则可能会烧坏74HC573这个芯片
   3.jpg

上面这个图是从74HC573的DATASHEET中截取出来的,从上可以看出,每个引脚允许通过的最大电流为35mA 整个芯片允许通过的最大电流为75mA。在我们设计相应的驱动电路时候,这些参数是相当重要的,而且是最容易被初学者所忽略的地方。同时在设计的时候,要留出一定量的余量出来,不能说单个引脚允许通过的电流为35mA,你就设计为35mA,这个时候你应该把设计的上限值定在20mA左右才能保证能够稳定的工作。
(设计相应驱动电路时候,应该仔细阅读芯片的数据手册,了解每个引脚的驱动能力,以及整个芯片的驱动能力)
    了解了相应的硬件后,我们再来编写驱动程序。
    首先定义LED的接口
    #define LED  P0
        然后为亮灭常数定义一个宏,由硬件连接图可以,当P0输出为低电平时候LED亮,P0输出为高电平时,LED熄灭。
    #define LED_ON()    LED = 0x00 ;  //所有LED亮
    #define LED_OFF()    LED = 0xff ;  //所有LED熄灭
    下面到了重点了,究竟该如何释放CPU,避免其做延时空等待这样的事情呢。很简单,我们为系统产生一个1MS的时标。假定LED需要亮500MS,熄灭500MS,那么我们可以对这个1MS的时标进行计数,当这个计数值达到500时候,清零该计数值,同时把LED的状态改变。
unsigned int g_u16LedtimeCount = 0 ;    //LED计数器
unsigned char g_u8LedState = 0 ;      //LED状态标志, 0表示亮,1表示熄灭
void LedProcess(void)
{
    if(0 == g_u8LedState)  //如果LED的状态为亮,则点亮LED
    {
        LED_ON() ;
    }
    else                //否则熄灭LED
    {
        LED_OFF() ;
    }
}

void LedStateChange(void)
{
    if(g_bSystemTime1Ms)            //系统1MS时标到
  {
        g_bSystemTime1Ms = 0 ;
        g_u16LedTimeCount++ ;      //LED计数器加一
    if(g_u16LedTimeCount >= 500)  //计数达到500,即500MS到了,改变LED的状态。
    {
            g_u16LedTimeCount = 0 ;
            g_u8LedState  = ! g_u8LedState ;
      }
    }
}
上面有一个变量没有提到,就是g_bSystemTime1Ms 。这个变量可以定义为位变量或者是其它变量,在我们的定时器中断函数中对其置位,其它函数使用该变量后,应该对其复位(清0) 。
我们的主函数就可以写成如下形式(示意代码)
void main(void)
{
    while(1)
    {
        LedProcess() ;
        LedStateChange() ;
    }
}
因为LED的亮或者灭依赖于LED状态变量(g_u8LedState)的改变,而状态变量的改变,又依赖于LED计数器的计数值(g_u16LedTimeCount ,只有计数值达到一定后,状态变量才改变)所以,两个函数都没有堵塞CPU的地方。让我们来从头到尾分析一遍整个程序的流程。
程序首先执行LedProcess() ;函数
因为g_u8LedState 的初始值为0 (见定义,对于全局变量,在定义的时候最好给其一个确定的值)所以LED被点亮,然后退出LedStateChange()函数,执行下一个函数LedStateChange()
在函数LedStateChange()内部首先判断1MS的系统时标是否到了,如果没有到就直接退出函数,如果到了,就把时标清0以便下一个时标消息的到来,同时对LED计数器加一,然后再判断LED计数器是否到达我们预先想要的值500,如果没有,则退出函数,如果有,对计数器清0,以便下次重新计数,同时把LED状态变量取反,然后退出函数。
由上面整个流程可以知道,CPU所做的事情,就是对一些计数器加一,然后根据条件改变状态,再根据这个状态来决定是否点亮LED。这些函数执行所花的时间都是相当短的,如果主程序中还有其它函数,则CPU会顺次往下执行下去。对于其它的函数(如果有的话)也要采取同样的措施,保证其不堵塞CPU,如果全部基于这种方法设计,那么对于不是非常庞大的系统,我们的系统依旧可以保证多个任务(多个函数)同时执行。系统的实时性得到了一定的保证,从宏观上看来,就是多个任务并发执行。
好了,这一章就到此为止,让我们总结一下,究竟有哪些需要注意的吧。
(1)    无论什么时候我们都要以实际应用的角度去考虑程序的编写。
(2)    无论什么时候都不要让CPU白白浪费等待,尤其是延时(超过1MS)这样的地方。
(3)    设计相应驱动电路时候,应该仔细阅读芯片的数据手册,了解每个引脚的驱动能力,
          以及整个芯片的驱动能力
(4)    最重要的是,如何去释放CPU(参考本章的例子),这是写出合格程序的基础。

附完整程序代码(基于电子工程师之家的单片机开发板)
#include<reg52.h>
sbit LED_SEG  = P1^4;  //数码管段选
sbit LED_DIG  = P1^5;  //数码管位选
sbit LED_CS11 = P1^6;  //led控制位
sbit ir=P1^7;
#define LED P0            //定义LED接口
bit  g_bSystemTime1Ms = 0 ;              // 1MS系统时标
unsigned int  g_u16LedTimeCount = 0 ; //LED计数器
unsigned char g_u8LedState = 0 ;      //LED状态标志, 0表示亮,1表示熄灭
#define LED_ON()      LED = 0x00 ;  //所有LED亮
#define LED_OFF()    LED = 0xff ;  //所有LED熄灭
void Timer0Init(void)
{
    TMOD &= 0xf0 ;
    TMOD |= 0x01 ;      //定时器0工作方式1
    TH0  =    0xfc ;      //定时器初始值
    TL0  =  0x66 ;
    TR0  = 1 ;
    ET0  = 1 ;
}
void LedProcess(void)
{
    if(0 == g_u8LedState)  //如果LED的状态为亮,则点亮LED
    {
        LED_ON() ;
    }
    else                //否则熄灭LED
    {
        LED_OFF() ;
    }
}
void LedStateChange(void)
{
    if(g_bSystemTime1Ms)            //系统1MS时标到
  {
            g_bSystemTime1Ms = 0 ;
            g_u16LedTimeCount++ ;      //LED计数器加一
      if(g_u16LedTimeCount >= 500)  //计数达到500,即500MS到了,改变LED的状态。
      {
      g_u16LedTimeCount = 0 ;
      g_u8LedState  = ! g_u8LedState    ;
          }
    }
}
void main(void)
{
    Timer0Init() ;
    EA = 1 ;
                    LED_CS11 = 1 ; //74HC595输出允许
    LED_SEG = 0 ;  //数码管段选和位选禁止(因为它们和LED共用P0口)
    LED_DIG = 0 ;
    while(1)
    {
          LedProcess() ;
          LedStateChange() ;
    }
}
void Time0Isr(void) interrupt 1
{
    TH0  =    0xfc ;            //定时器重新赋初值
    TL0  =  0x66 ;
    g_bSystemTime1Ms = 1 ;    //1MS时标标志位置位
}

实际效果图如下
4.jpg
点亮
5.jpg
熄灭

本文来自电子工程师之家 红金龙吸味
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2011-7-13 10:59:21   评论 分享淘帖
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