《汽車計算機基礎》 課件 2 汽車嵌入式技術(shù)基礎

第7單元：閃燈的設計與實現(xiàn)第8單元：開關(guān)狀態(tài)指示燈的設計與實現(xiàn)第9單元：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈第10單元：利用PWM實現(xiàn)小燈亮度控制第11單元：利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信第12單元：利用ADC設計簡易數(shù)字電壓表汽車嵌入式技術(shù)基礎篇

第7單元

閃燈的設計與實現(xiàn)

在汽車中，燈光除了用于照明，還被廣泛用于狀態(tài)指示（如交通信號燈、汽車指示燈、設備狀態(tài)指示燈等）。在嵌入式系統(tǒng)中，LED小燈是必備的狀態(tài)指示設備。【單元導讀】

單元學習目標：通過編程，使微控制器點亮一個LED小燈，在此基礎上再實現(xiàn)流水燈的效果。第7單元

閃燈的設計與實現(xiàn)

單元學習任務：（1）熟悉嵌入式系統(tǒng)的組成以及嵌入式技術(shù)學習方法。（2）熟悉車規(guī)級微控制器KEA128的芯片資源和硬件最小系統(tǒng)。（3）理解通用輸入/輸出（GPIO）的通用知識，掌握GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件頭文件的使用方法。（4）掌握小燈硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件的使用方法。（5）掌握在嵌入式軟件最小系統(tǒng)的框架下實現(xiàn)LED小燈閃爍的應用層程序設計方法，并在此基礎上，自行完成流水燈的應用層程序設計。（6）掌握嵌入式軟件集成開發(fā)環(huán)境KeilMDK及目標程序下載軟件J-Flash的使用方法，以便為后續(xù)的學習奠定良好的基礎。任務7.1熟悉嵌入式系統(tǒng)的組成及嵌入式技術(shù)學習方法7.1.1嵌入式系統(tǒng)的組成

目前，ARM主要有以下3個系列的內(nèi)核，對應不同的應用領域：（1）Cortex-A內(nèi)核的應用處理器（ApplicationProcessor，AP），主要面向智能手機、平板電腦、智能終端等多媒體領域；（2）Cortex-R內(nèi)核的實時處理器（Real-TimeProcessor，RTP），主要面向汽車電子等對實時性要求很高的領域；（3）Cortex-M內(nèi)核的微控制器（MicroControllerUnit，MCU，國內(nèi)也稱為單片機），主要面向汽車電子、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)控制、智能儀器儀表、智能家電、機電產(chǎn)品等測控領域。

在緒論中，曾介紹過嵌入式系統(tǒng)的概念。目前，以32位/64位ARM微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)應用越來越廣泛。1、ARM微處理器的分類7.1.1嵌入式系統(tǒng)的組成2、MCU的基本結(jié)構(gòu)

MCU的基本含義：在一塊芯片上集成了CPU、ROM、RAM、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、看門狗及通用輸入輸出（GPIO）、模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換、數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換、串行通信I/O等多種輸入輸出接口的比較完整的數(shù)字處理系統(tǒng)。CPU與其他部件交互是通過MCU內(nèi)部總線實現(xiàn)的。任務7.1熟悉嵌入式系統(tǒng)的組成及嵌入式技術(shù)學習方法7.1.1嵌入式系統(tǒng)的組成3、以MCU為核心的嵌入式系統(tǒng)的基本組成任務7.1熟悉嵌入式系統(tǒng)的組成及嵌入式技術(shù)學習方法7.1.2嵌入式系統(tǒng)的知識體系和學習建議任務7.1熟悉嵌入式系統(tǒng)的組成及嵌入式技術(shù)學習方法

嵌入式硬件構(gòu)件設計主要包括MCU硬件最小系統(tǒng)（硬件核心構(gòu)件）設計和應用外設硬件構(gòu)件（小燈LIGHT、蜂鳴器BZ、開關(guān)SW、鍵盤KB、數(shù)碼管LED、液晶LCD等）設計。

嵌入式軟件構(gòu)件設計采用分層設計思想，自下而上依次是“底層驅(qū)動構(gòu)件”、“應用外設軟件構(gòu)件”和“應用層軟件構(gòu)件”共3層軟件設計。為了實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設計的可移植和可復用，大幅度降低嵌入式技術(shù)學習難度和開發(fā)難度，嵌入式硬件和軟件均需采用“構(gòu)件化”設計。

其中底層驅(qū)動構(gòu)件和應用外設軟件構(gòu)件都包括對應的.h頭文件和.c源文件，而應用層軟件構(gòu)件包括總頭文件includes.h、主程序源文件main.c和中斷服務程序源文件isr.c。

通用軟件構(gòu)件與CPU和MCU基本無關(guān)，是服務于以上3層軟件設計的。

隨著技術(shù)的發(fā)展，MCU的硬件集成度越來越高，使得嵌入式硬件設計難度不斷降低，因此嵌入式軟件設計在整個嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中所占的分量越來越大。7.1.2嵌入式系統(tǒng)的知識體系和學習建議任務7.1熟悉嵌入式系統(tǒng)的組成及嵌入式技術(shù)學習方法

嵌入式軟件設計主要采用C語言及少量的匯編語言。

嵌入式軟件設計與調(diào)試是在嵌入式硬件的基礎上協(xié)同進行的，其過程是在PC上利用嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境（如KeilMDK、IAR等）進行程序的編輯、編譯和連接，生成工程對應的目標代碼；最后將生成的目標代碼通過寫入器下載到嵌入式芯片中運行與調(diào)試。MCU寫入器任務7.2熟悉KEA128資源和硬件最小系統(tǒng)KinetisEA（簡稱KEA）系列MCU是恩智浦公司開發(fā)的基于ARMCortex-M0+（簡稱CM0+）內(nèi)核的車規(guī)級MCU。任務7.2熟悉KEA128資源和硬件最小系統(tǒng)

片內(nèi)Flash區(qū)（0x0000_0000～0x0001_FFFF），共128KB，一般被用來存放中斷向量、程序代碼、常數(shù)等，其中前192B為中斷向量表（中斷函數(shù)的入口地址）。

片內(nèi)RAM區(qū)（0x1FFF_F000～0x2000_2FFF），共16KB，一般被用來存儲全局變量、靜態(tài)變量、臨時變量（堆?？臻g）等。1、KEA128的存儲映像

KEA128把CM0+內(nèi)核之外的模塊用類似存儲器編址的方式統(tǒng)一分配地址。在4GB的存儲映像空間內(nèi)，分布著片內(nèi)Flash、RAM、系統(tǒng)配置寄存器及其他外設等，以便CPU通過直接地址進行訪問。任務7.2熟悉KEA128資源和硬件最小系統(tǒng)2、KEA128的引腳功能

從需求和供給的角度，把MCU的引腳分為硬件最小系統(tǒng)引腳和I/O端口資源類引腳兩大類。（1）硬件最小系統(tǒng)引腳：需要服務的引腳，包括電源、復位、晶振、程序?qū)懭虢涌冢⊿WD）等引腳。任務7.2熟悉KEA128資源和硬件最小系統(tǒng)2、KEA128的引腳功能

從需求和供給的角度，把MCU的引腳分為硬件最小系統(tǒng)引腳和I/O端口資源類引腳兩大類。（2）I/O端口資源類引腳：對外提供服務。

I/O引腳一般具有多個復用功能，詳見附錄D的KEA128引腳功能分配表，在實際應用時只能使用其中的一個功能。在嵌入式系統(tǒng)設計中，需要根據(jù)所使用的外設（含片內(nèi)外設）對MCU的引腳資源進行統(tǒng)籌規(guī)劃，以免多個外設使用相同的引腳而相互沖突。任務7.2熟悉KEA128資源和硬件最小系統(tǒng)3、KEA128的硬件最小系統(tǒng)

MCU硬件最小系統(tǒng)是可以使MCU內(nèi)部程序正常運行的最小規(guī)模的電路，主要包括MCU和電源、晶振、復位、寫入調(diào)試器接口等外圍電路。見圖7-6。

需要說明的是，若使用MCU內(nèi)部的時鐘作為系統(tǒng)時鐘源，則外部晶振電路可省略。【課后作業(yè)】同步練習7-1：鞏固知識。任務7.3

掌握GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法7.3.1GPIO的通用知識1、GPIO概念

GPIO（GeneralPurposeInputOutput

），通用輸入/輸出，它是I/O的最基本形式。

MCU的大多數(shù)GPIO引腳可以通過編程來設定其工作方式為輸入或輸出，稱之為雙向GPIO。

某個引腳作為通用輸入引腳，MCU可以通過讀取其內(nèi)部寄存器的值“1”或“0”，以確定該引腳的輸入狀態(tài)是高電平還是低電平，即開關(guān)量輸入。

某個引腳作為通用輸出引腳，MCU可以通過向其內(nèi)部寄存器寫“1”或“0”，以控制該引腳輸出高電平或低電平，即開關(guān)量輸出。7.3.1GPIO的通用知識2、上拉電阻、下拉電阻與輸入引腳的基本接法任務7.3

掌握GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法

若MCU的某個引腳通過一個電阻接電源（VCC），則該電阻被稱為“上拉電阻”。

若MCU的某個引腳通過一個電阻接地（GND），則該電阻被稱為“下拉電阻”。7.3.1GPIO的通用知識3、輸出引腳的基本接法任務7.3

掌握GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法

作為通用輸出引腳，MCU內(nèi)部程序向該引腳輸出高電平或低電平驅(qū)動外部設備工作，即開關(guān)量輸出。輸出引腳O1和O2分別采用了直接驅(qū)動和放大驅(qū)動方式。任務7.3

掌握GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法7.3.2KEA128的GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件及使用方法

為了實現(xiàn)程序的可移植和可復用，減小重復勞動，MCU底層驅(qū)動程序封裝成構(gòu)件。GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件由gpio.h頭文件和gpio.c源文件組成，若要使用GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件，只需將這兩個文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底層驅(qū)動構(gòu)件）文件夾中，即可實現(xiàn)對GPIO引腳的操作。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\KEA128\KEA128.uvprojx

其中，gpio.h頭文件主要包括相關(guān)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gpio.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gpio.h頭文件的內(nèi)容，即可使用GPIO底層驅(qū)動構(gòu)件進行編程，實現(xiàn)通過GPIO對不同外設進行檢測或控制的功能（如檢測開關(guān)的狀態(tài)、控制小燈的亮滅等）。任務7.4小燈構(gòu)件化設計及閃燈的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設計在不同MCU和不同應用場合中的可移植和可復用，降低嵌入式技術(shù)學習難度和開發(fā)難度，嵌入式硬件和軟件均需采用“構(gòu)件化”設計?，F(xiàn)以小燈構(gòu)件設計為例，說明嵌入式硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件的設計方法。7.4.1小燈硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件的設計及使用方法1、小燈硬件構(gòu)件及使用方法a）小燈硬件構(gòu)件b）小燈硬件構(gòu)件與MCU的引腳連接

圖中虛線框內(nèi)的粗體標識為硬件構(gòu)件的接口注釋，以便于理解該接口的含義和功能；虛線框外的正體標識為硬件構(gòu)件的接口網(wǎng)標，具有電氣連接特性，表示硬件構(gòu)件的接口與MCU的引腳相連接。硬件構(gòu)件在不同應用系統(tǒng)中移植和復用時，僅需修改接口網(wǎng)標。7.4.1小燈硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件的設計及使用方法2、小燈軟件構(gòu)件的設計及使用方法

任務7.4小燈構(gòu)件化設計及閃燈的實現(xiàn)

小燈軟件構(gòu)件由

light.h

頭文件

和

light.c

源文件組成，若要使用小燈軟件構(gòu)件，只需將這兩個文件添加到所建工程的05_App（應用外設軟件構(gòu)件）文件夾中即可實現(xiàn)對小燈的控制。

其中，light.h

頭文件主要包括相關(guān)頭文件的包含、小燈硬件構(gòu)件相關(guān)的宏定義、小燈構(gòu)件對外接口函數(shù)的聲明。light.c

源文件是小燈構(gòu)件對外接口函數(shù)的具體實現(xiàn)。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\KEA128\KEA128.uvprojx用戶只要熟悉light.h頭文件的內(nèi)容，即可使用小燈軟件構(gòu)件進行編程。7.4.2嵌入式軟件最小系統(tǒng)設計——實現(xiàn)閃燈1、嵌入式軟件最小系統(tǒng)任務7.4小燈構(gòu)件化設計及閃燈的實現(xiàn)

在嵌入式基礎實踐中，一般以“MCU控制小燈閃爍”作為入門實驗，對應的程序框架稱為“嵌入式軟件最小系統(tǒng)”（具體解釋詳見表7-5）。

在此框架下可通過添加其他軟件構(gòu)件和修改應用層程序（工程源程序）完成不同功能的軟件設計。

對初學者，學習重點是：①熟悉04_Driver（MCU底層驅(qū)動構(gòu)件）、05_App（應用外設軟件構(gòu)件）和

06_Soft（通用軟件構(gòu)件）這幾個文件夾中的頭文件內(nèi)容，掌握對外接口函數(shù)的調(diào)用方法；②根據(jù)系統(tǒng)功能需求，進行應用層程序設計和優(yōu)化，即設計07_Source（應用層軟件構(gòu)件）文件夾中的文件。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\KEA128\KEA128.uvprojx

其中，“04底層驅(qū)動構(gòu)件”、“05應用外設軟件構(gòu)件”、“06通用軟件構(gòu)件”、“07應用層軟件構(gòu)件”的文件都是由本構(gòu)件的.h和.c文件組成。

7.4.2嵌入式軟件最小系統(tǒng)設計——實現(xiàn)閃燈2、閃燈的應用層程序設計任務7.4小燈構(gòu)件化設計及閃燈的實現(xiàn)

在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設計07_Source（應用層軟件構(gòu)件）的文件，以實現(xiàn)小燈閃爍的效果。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：

小燈初始化，在主循環(huán)中實現(xiàn)閃燈效果在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\KEA128\KEA128.uvprojx7.4.3程序的下載與測試1.編譯工程文件，生成MCU可執(zhí)行的代碼文件（.hex文件）任務7.4小燈構(gòu)件化設計及閃燈的實現(xiàn)2.將編譯生成的.hex文件下載至目標MCU中，運行程序【同步練習7-2】請通過修改主程序的代碼，分別完成：（1）改變小燈閃爍的頻率；（2）控制其他小燈閃爍；（3）實現(xiàn)流水燈的效果。第7單元：閃燈的設計與實現(xiàn)第8單元：開關(guān)狀態(tài)指示燈的設計與實現(xiàn)第9單元：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈第10單元：利用PWM實現(xiàn)小燈亮度控制第11單元：利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信第12單元：利用ADC設計簡易數(shù)字電壓表汽車嵌入式技術(shù)基礎篇

第8單元

開關(guān)狀態(tài)指示燈的設計與實現(xiàn)【單元導讀】

在汽車上有很多開關(guān)（switch），可以通過開關(guān)控制用電設備。例如，在大眾車系中，汽車ECU（J519）通過獲取車燈開關(guān)的狀態(tài)而控制對應的車燈。

單元學習任務和目標：在第7單元的基礎上，實現(xiàn)通過指示燈反映開關(guān)狀態(tài)的功能。在本單元中，重點掌握開關(guān)硬件構(gòu)件和開關(guān)軟件構(gòu)件的設計及使用方法，并在此基礎上學會開關(guān)檢測與控制功能的應用層程序設計方法。任務8.1掌握開關(guān)硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件的設計及使用方法1、開關(guān)硬件構(gòu)件的設計及使用方法a）開關(guān)硬件構(gòu)件b）開關(guān)硬件構(gòu)件與MCU的引腳連接2、開關(guān)軟件構(gòu)件的設計及使用方法

任務8.1掌握開關(guān)硬件構(gòu)件和軟件構(gòu)件的設計及使用方法

開關(guān)軟件構(gòu)件由

sw.h頭文件

和

sw.c

源文件組成，若要使用開關(guān)軟件構(gòu)件，只需將這兩個文件添加到所建工程的05_App（應用外設軟件構(gòu)件）文件夾中，即可實現(xiàn)對開關(guān)的操作。

其中，sw.h

頭文件主要包括相關(guān)頭文件的包含、開關(guān)硬件構(gòu)件相關(guān)的宏定義、開關(guān)構(gòu)件對外接口函數(shù)的聲明。sw.c

源文件是開關(guān)構(gòu)件對外接口函數(shù)的具體實現(xiàn)。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\KEA128\KEA128.uvprojx用戶只要熟悉sw.h

頭文件的內(nèi)容，即可使用開關(guān)軟件構(gòu)件進行編程。任務8.2開關(guān)狀態(tài)指示燈的應用層程序設計

利用小燈軟件構(gòu)件和開關(guān)軟件構(gòu)件，編程實現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能：開關(guān)SW1閉合時，小燈LIGHT1亮；SW1斷開時，小燈LIGHT1滅。任務8.2開關(guān)狀態(tài)指示燈的應用層程序設計見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\KEA128\KEA128.uvprojx

在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設計07_Source（應用層軟件構(gòu)件）的文件，以實現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)檢測與控制功能。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，在主循環(huán)中查詢開關(guān)狀態(tài)，并控制小燈亮、滅【同步練習8】

實現(xiàn)：多路開關(guān)狀態(tài)指示功能，即4個開關(guān)SW1、SW2、SW3、SW4的狀態(tài)分別由小燈LIGHT1、LIGHT2、LIGHT3、LIGHT4指示。第7單元：閃燈的設計與實現(xiàn)第8單元：開關(guān)狀態(tài)指示燈的設計與實現(xiàn)第9單元：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈第10單元：利用PWM實現(xiàn)小燈亮度控制第11單元：利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信第12單元：利用ADC設計簡易數(shù)字電壓表汽車嵌入式技術(shù)基礎篇

第9單元利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈

在第7單元中，利用軟件延時Delay_ms函數(shù)（循環(huán)計數(shù)）實現(xiàn)閃燈的效果。

該方式有兩大缺點：

①軟件延時一般用于粗略延時的場合；

②執(zhí)行延時子程序期間，CPU一直被占用而不能做其他事情，從而降低了CPU的利用率?！締卧獙ёx】第9單元利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈

為此，可使用MCU內(nèi)部可編程的定時/計數(shù)器實現(xiàn)延時。用戶根據(jù)需要設置定時時間，并啟動定時/計數(shù)器計數(shù)，當定時時間到時，它將自動產(chǎn)生一個定時輸出信號（通常是中斷請求信號）告知CPU，使CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行定時中斷服務程序，從而實現(xiàn)某些定時功能（如改變小燈的狀態(tài)）。定時/計數(shù)器在計數(shù)期間，與CPU并行工作，不占用CPU的工作時間。該方式通過簡單的程序設置即可實現(xiàn)準確的定時。單元學習任務和目標：（1）理解定時器的定時原理。（2）理解中斷的通用知識，熟知使用非內(nèi)核中斷的嵌入式應用層程序構(gòu)成。（3）熟悉MCU內(nèi)部定時器的功能特性，掌握MCU內(nèi)部定時器底層驅(qū)動構(gòu)件頭文件的使用方法。（4）學會利用MCU內(nèi)部定時中斷實現(xiàn)頻閃燈或流水燈的應用層程序設計方法。任務9.1理解中斷的通用知識1、中斷的含義

中斷，是指MCU在正常運行程序時，由于MCU內(nèi)核異常（內(nèi)核中斷）或

MCU各功能模塊發(fā)出請求事件（非內(nèi)核中斷），使MCU停止正在運行的程序，而轉(zhuǎn)去處理異常（使芯片復位或使MCU做出其他處理）或

執(zhí)行處理內(nèi)核外部事件的程序（中斷服務程序）。2、中斷源

引起MCU中斷的事件稱為中斷源。MCU的中斷源分為兩類：內(nèi)核中斷源和非內(nèi)核中斷源。KEA128的中斷源見表9-1。任務9.1理解中斷的通用知識4、使用非內(nèi)核中斷的嵌入式應用層程序設計方法

（1）在main.c文件的主程序中，進行非內(nèi)核中斷模塊初始化，并使能模塊中斷（使CPU能夠響應模塊發(fā)出的中斷請求，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務函數(shù)）。

（2）在isr.c文件中，設計中斷服務程序函數(shù)，在中斷服務函數(shù)中實現(xiàn)某些中斷功能（如改變小燈狀態(tài)等）。3、使用非內(nèi)核中斷的嵌入式應用層程序構(gòu)成

使用中斷的嵌入式應用層程序，共有兩條獨立的程序運行線：

（1）main.c文件中的主程序運行線；

（2）isr.c文件中的中斷服務程序運行線。任務9.2利用FTM定時中斷實現(xiàn)頻閃燈定時器本質(zhì)上是一個對計數(shù)時鐘進行周期統(tǒng)計的計數(shù)器。

上圖中，計數(shù)器采用增1計數(shù)。計數(shù)器從初值0開始計數(shù)，每經(jīng)過一個計數(shù)時鐘周期，計數(shù)器的值就加1，若計數(shù)器的值達到終值4，則在下一個時鐘到來時，計數(shù)器溢出，計數(shù)器的值恢復至初值0，然后進行下一輪的加1計數(shù)，如此重復。

定時器每一輪的定時時間t=

計數(shù)次數(shù)×計數(shù)時鐘周期

上圖中，一輪的計數(shù)次數(shù)是5，若計數(shù)時鐘頻率為1kHz（計數(shù)時鐘周期為1ms），則一輪的定時時間為5ms。任務9.2利用FTM定時中斷實現(xiàn)頻閃燈對于n位（二進制）定時/計數(shù)器，計數(shù)器的終值最大值為2n－1，結(jié)合上圖，定時/計數(shù)器一輪計數(shù)次數(shù)最大值為2n。n位定時/計數(shù)器一輪的最大定時時間t：

t=2n×計數(shù)時鐘周期

=2n/計數(shù)時鐘頻率

f若

f=

時鐘源頻率/分頻系數(shù)，則

t=2n/(時鐘源頻率/分頻系數(shù))

【同步練習9-1】計算定時時間范圍。

任務9.2利用FTM定時中斷實現(xiàn)頻閃燈

當計數(shù)器溢出時，定時器可向CPU發(fā)出中斷請求信號，使CPU暫停當前的工作，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務程序，在中斷服務程序中實現(xiàn)具體的定時功能（如改變小燈的狀態(tài)等）。任務9.2利用FTM定時中斷實現(xiàn)頻閃燈

KEA128芯片的FTM（FlexTimer）是一個具有基本定時、脈寬調(diào)制（PWM）、輸入捕捉和輸出比較等多種功能的綜合定時器。KEA128芯片中有3個FTM模塊，分別是FTM0、FTM1和FTM2，它們均是16位定時器。本單元只學習FTM模塊的基本定時功能，其PWM功能將在第10單元介紹。任務9.2利用FTM定時中斷實現(xiàn)頻閃燈9.2.1FTM基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法

FTM基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件由ftm_timer.h頭文件和ftm_timer.c源文件組成，若要使用FTM基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件，只需將這兩個文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底層驅(qū)動構(gòu)件）文件夾中即可實現(xiàn)對FTM定時器的操作。見工程文件：..EmbededSource\03-Software\KEA128\KEA128.uvprojx

用戶只要熟悉ftm_timer.h頭文件的內(nèi)容，即可使用FTM基本定時底層驅(qū)動構(gòu)件進行編程。

其中，ftm_timer.h頭文件主要包括相關(guān)頭文件的包含、相關(guān)的宏定義、對外接口函數(shù)的聲明；而ftm_timer.c源文件是對外接口函數(shù)的具體實現(xiàn)，初學者不必深究。任務9.2利用FTM定時中斷實現(xiàn)頻閃燈9.2.2利用FTM定時中斷實現(xiàn)頻閃燈的應用層程序設計

在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設計07_Source（應用層軟件構(gòu)件）的文件，以實現(xiàn)小燈閃爍的效果。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；初始化；使能定時器中斷；

在主循環(huán)中，根據(jù)全局變量的值，改變小燈的狀態(tài)在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\KEA128\KEA128.uvprojx3）中斷服務程序源文件isr.c：聲明全局變量；實現(xiàn)定時功能（更新全局變量的值）

【同步練習9-2】通過修改main.c的代碼，分別完成：

①改變小燈閃爍的頻率。

②控制其他小燈閃爍。

③實現(xiàn)流水燈的效果。汽車計算機基礎

配套教材：索明何、汪東明

等編著多資源、立體化、新形態(tài)教材《汽車計算機基礎》機械工業(yè)出版社，2023ISBN：978-7-111-72416-2

本書結(jié)合汽車技術(shù)電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化的“四化”發(fā)展和汽車類專業(yè)特點，按照“由簡到難、循序漸進”的原則，共設置了“緒論”“汽車程序設計基礎篇”“汽車嵌入式技術(shù)基礎篇”“車載網(wǎng)絡技術(shù)基礎篇”4部分內(nèi)容。通過本書的學習，可以從整體上加深理解汽車電子控制系統(tǒng)的組成和工作原理，對汽車電子控制技術(shù)和智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)學習奠定良好的汽車計算機基礎。

本書特色：任務驅(qū)動，理實一體，學以致用。內(nèi)容組織由簡到難、循序漸進，靈活采用對比法、類比法、啟發(fā)法、實驗法等多種教學方法，有效降低教學難度和學習難度。

本書可作為高職院校汽車類專業(yè)的汽車計算機基礎教材，也可供從事相關(guān)技術(shù)的工程人員參考。第7單元：閃燈的設計與實現(xiàn)第8單元：開關(guān)狀態(tài)指示燈的設計與實現(xiàn)第9單元：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈第10單元：利用PWM實現(xiàn)小燈亮度控制第11單元：利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信第12單元：利用ADC設計簡易數(shù)字電壓表汽車嵌入式技術(shù)基礎篇

第10單元利用PWM實現(xiàn)小燈亮度控制

脈寬調(diào)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廣泛應用于電動機轉(zhuǎn)速控制、車燈亮度控制等領域。當車燈開關(guān)閉合時，如果MCU通過PWM控制車燈逐漸點亮，則可以延長車燈的壽命?！締卧獙ёx】

單元學習任務和目標：首先理解PWM的通用知識，包括PWM的相關(guān)概念、技術(shù)指標及應用場合；然后掌握PWM底層驅(qū)動構(gòu)件頭文件的使用方法；最后學會利用PWM實現(xiàn)小燈亮度控制的應用層程序設計方法。任務10.1理解PWM的通用知識

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(jīng)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(chǎn)生PWM信號的時鐘源，設其周期為TCLK。1、

PWM的基本概念與技術(shù)指標任務10.1理解PWM的通用知識1、

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

TPWM=8

TCLK（2）脈寬：一個PWM周期內(nèi)PWM信號

處于高電平的時間。

圖（a）：2

TCLK

圖（b）：4

TCLK

圖（c）：6

TCLK（3）占空比：脈寬/周期，百分比

圖（a）：25%

圖（b）：50%

圖（c）：75%任務10.1理解PWM的通用知識（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。1、

PWM的基本概念與技術(shù)指標任務10.1理解PWM的通用知識2、

PWM的應用場合

（1）利用PWM為其他設備產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進等）。1、KEA128的FTM_PWM模塊

在KEA128芯片中，可利用FTM定時器實現(xiàn)PWM功能，其中FTM的FTM0和FTM1各有2個通道，F(xiàn)TM2有6個通道?？梢耘渲脼镕TM通道的引腳見表10-1，具體使用的引腳，可參照ftm_pwm.h頭文件中的相關(guān)宏定義。任務10.2掌握FTM_PWM底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法任務10.2掌握FTM_PWM底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法2、KEA128的FTM_PWM底層驅(qū)動構(gòu)件及使用方法【同步練習10-1】計算PWM信號周期的合理范圍。

FTM_PWM底層驅(qū)動構(gòu)件由ftm_pwm.h頭文件和ftm_pwm.c源文件組成，若要使用FTM_PWM底層驅(qū)動構(gòu)件，只需將這兩個文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底層驅(qū)動構(gòu)件）文件夾中，即可實現(xiàn)對FTM_PWM的操作。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\KEA128\KEA128.uvprojx

其中，ftm_pwm.h頭文件主要包括相關(guān)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ftm_pwm.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ftm_pwm.h頭文件的內(nèi)容，即可使用FTM_PWM底層驅(qū)動構(gòu)件進行編程。任務10.3利用PWM實現(xiàn)小燈亮度控制的應用層程序設計

在嵌入式軟件最小系統(tǒng)框架下，設計07_Source（應用層軟件構(gòu)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\KEA128\KEA128.uvprojx【同步練習10-1】

（1）將ftm_pwm_init函數(shù)中的占空比參數(shù)依次改為100、75、50、25、0，分別運行其對應的程序，觀察小燈亮度的變化情況。

（2）使用ftm_pwm.h文件中的ftm_pwm_update函數(shù)，分別實現(xiàn)頻閃燈和小燈逐漸變亮的效果。第7單元：閃燈的設計與實現(xiàn)第8單元：開關(guān)狀態(tài)指示燈的設計與實現(xiàn)第9單元：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈第10單元：利用PWM實現(xiàn)小燈亮度控制第11單元：利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信第12單元：利用ADC設計簡易數(shù)字電壓表汽車嵌入式技術(shù)基礎篇

第11單元利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信

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是最簡單的通信方式，也是學習其他通信方式的基礎。

單元學習任務和目標：

（1）理解UART的通用知識，包括UART硬件、UART通信的數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)通信的波特率。（2）掌握UART底層驅(qū)動構(gòu)件頭文件的使用方法。（3）掌握PC和MCU的串口通信與調(diào)試方法，重點掌握UART應用層程序設計方法，包括主程序設計和UART接收中斷服務程序設計。（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(jù)的方法?！締卧獙ёx】任務11.1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(zhuǎn)換器連接到PC的USB接口，在PC上安裝相應的驅(qū)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(jù)幀格式

UART通信的特點：數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)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(jù)已發(fā)送完成。

若發(fā)送方無數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)。任務11.1理解UART的通用知識3、數(shù)據(jù)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(jù)傳輸?shù)乃俣染驮娇?。只有通信雙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）。任務11.2掌握UART底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法1、KEA128的UART模塊

KEA128芯片中共有3個UART模塊：UART0、UART1和UART2。每個UART模塊的發(fā)送數(shù)據(jù)引腳為UART_TX，接收數(shù)據(jù)引腳為UART_RX?？梢耘渲脼閁ART模塊的引腳見表11-1，具體使用的引腳，可參照uart.h頭文件中的相關(guān)宏定義。任務11.2掌握UART底層驅(qū)動構(gòu)件的使用方法2、KEA128的UART底層驅(qū)動構(gòu)件及使用方法

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(jù)，一般采用中斷方式。

UART底層驅(qū)動構(gòu)件由uart.h頭文件和uart.c源文件組成，若要使用UART底層驅(qū)動構(gòu)件，只需將這兩個文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底層驅(qū)動構(gòu)件）文件夾中，即可實現(xiàn)對UART的操作。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\KEA128\KEA128.uvprojx

其中，uart.h頭文件主要包括相關(guān)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(nèi)容，即可使用UART底層驅(qū)動構(gòu)件進行編程。任務11.3掌握PC與MCU的串口通信與調(diào)試方法11.3.1UART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(gòu)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(jù)）；

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(jù)在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\KEA128\KEA128.uvprojx3）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(jù)，并向PC回送接收到的字符任務11.3掌握PC與MCU的串口通信與調(diào)試方法11.3.2UART通信的測試方法

（1）將USB-TTL轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的USB端與PC的USB接口連接；

（2）打開PC串口調(diào)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(diào)試窗口查看MCU發(fā)送給PC的信息；

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

（5）調(diào)試結(jié)束后，先在PC串口調(diào)試軟件中關(guān)閉串口，然后將USB-TTL轉(zhuǎn)換器從PC的USB接口斷開。任務11.3掌握PC與MCU的串口通信與調(diào)試方法11.3.3使用printf函數(shù)輸出數(shù)據(jù)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(gòu)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(gòu)件）文件夾中。在printf.h頭文件中，添加了以下兩條預處理命令：

任務6.3學習PC與MCU的串口通信與調(diào)試方法2、通過UART使用printf函數(shù)輸出數(shù)據(jù)的應用層程序設計【同步練習11】

通過PC串口調(diào)試窗口向MCU發(fā)送不同的字符，控制小燈的狀態(tài)。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(jù)）；

初始化；MCU通過UART使用printf函數(shù)向PC發(fā)送數(shù)據(jù)在工程文件中分析代碼并編程：..EmbeddedSource\03-Software\KEA128\KEA128.uvprojx11.3.3使用printf函數(shù)輸出數(shù)據(jù)第7單元：閃燈的設計與實現(xiàn)第8單元：開關(guān)狀態(tài)指示燈的設計與實現(xiàn)第9單元：利用定時中斷實現(xiàn)頻閃燈第10單元：利用PWM實現(xiàn)小燈亮度控制第11單元：利用UART實現(xiàn)上位機和下位機的通信第12單元：利用ADC設計簡易數(shù)字電壓表汽車嵌入式技術(shù)基礎篇

第12單元利用ADC設計簡易數(shù)字電壓表

在汽車測控系統(tǒng)中，往往需要通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（AnalogtoDigitalConverter，ADC）將模擬輸入量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以供MCU接收和處理。單元學習任務和目標：（1）理解ADC的通用知識，包括ADC的相關(guān)概念和最簡單的A/D轉(zhuǎn)換采樣電路。（2）熟悉MCU的ADC主要特性和引腳，掌握ADC底