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各位同学大家好

我是清华大学工程物理系的曾鸣老师

欢迎大家继续回到我们

ARM微控制器与嵌入式系统的课堂

那么我们开始进行我们真真正正的第一次实验

在这次实验里呢

我们接着上次第零次实验那些小小的体会

真真正正把我们学的第一类外设IO给用起来

来点灯 来各种点灯 来花式点灯

那么作为实验的一个良好习惯

我们一般首先先回顾一下

这次实验所涉及到的知识内容

从我们这门课的范畴来讲

这节课用的是第一类最简单的外设

就是我们在第四章第一节学的IO这一类外设

那我们所用到所有的寄存器的知识

和编程所用的内容呢除了在这门课里

我希望大家学会看我们的芯片手册

那么本次实验的内容

都在我们MKL25Z128的Reference Manual

这个芯片手册的第11章、第12章

和第41章这三个章节

分别讲了物理的引脚以及这些引脚怎么配置成IO

以及IO的寄存器他们的含义

都可以在这三个章节找到

那么我们来看看我们的实验任务

其实在第零次实验里我们做了一个非常小的任务

有一个灯在核心子板

也就是在我们开发板的背面

接在了一个引脚

叫这个LEDTEST也就是PTB0

PORTB的第0个引脚上

我们通过写一个小程序

曾老师给了大家一段delay的函数

我们尝试着去写这个main函数写几段代码

配置这个引脚当IO用

配置这个当IO用了以后是输出

配置了它的初值

当然前面其实把它时钟打开

最后在delay函数下定时翻转

最后我们看到了这个引脚上电压忽高忽低

看到这个灯亮和灭

我不知道大家还有没有印象

那么写出来的程序就是像这个样子的

我希望大家不是照着它copy或者敲进去

而是一句话一句话对照我们课件理解他的含义

那么在真真正正的实验一里头

我们要把我们这块开发板正面下方

那4个绚丽多彩的LED

教大家一点一点的把它给点亮和玩起来

我们看看这个LED灯的电路

大家一看会觉得很晕很复杂

但实际上你静下心来看你会发现并不是那么复杂

在电路图里所有这个英文的这个字符串

这个net名是等价于引线的

它接到我们一个又一个的单片机IO引脚上

所以我们会发现左侧接了三个独立的IO引脚

PORTB两个引脚

PTC9一个引脚

右侧接了四个独立的IO引脚

PTC12、13一直下来

一共是四个PORTC的引脚

那么这些引脚往里头走

中间区域大家很明显会看到有四个块

每个块画了红绿蓝三个颜色的LED

对 在我们这个板子上

大家看到有四个灯

其实这四个灯比较高级

每个灯里都是红绿蓝三色

它们可以分别点亮

也可以一起点亮

所以分别可以形成红绿蓝、红加蓝、绿加蓝

红加绿不同的组合颜色达到七彩的效果对吧

那么一共实际上看着是四个

实际上是有三四一十二个LED要被控制

而我们实际上从控制上来讲

会发现他们每个都串联了一个电阻

而这张图的右边

一组一组的三色LED

他们的阳极是在一起

通过了一个起着开关作用的

场效应管被一个IO所控制

所以右边每一个IO

控制一个独立LED的模组的阳极是否有电

然后每一种颜色到了左边

所有的红色 所有的绿色

所有的蓝色被串接在了一起

接到了左边一个独立的MOS管、场效应管

然后有一个IO来控制

所以大家会发现这是节约了IO

这个电路图并没有想象中复杂

四个IO控制这四个模块的阳极是否有电

左边三个IO控制这每个模块里头的红色

绿色、蓝色是否在阴极导通

也就是它们的组合形成一个回路的时候

对应的那一个灯就可以点亮

所以3乘以4可以刚好控制12个LED是否发光

就这么个简单的道理

那么在右侧的IO

因为MOS管的型号

它是以低电平控制表示导通也就逻辑0

而在左侧这三个IO是高电平表示表示导通

也就是逻辑1表示这个开关导通

能够点亮

所以我们在左侧设1

右侧设0的时候就会有一个回路

导通是一个灯点亮

那么我们来看看我们的任务

第一个任务

把我们板子上 头两个LED像这样闪烁起来

大家注意颜色是红色的

也就说我们希望

让头两个LED的红色灯同亮同灭的闪烁

那么我们读一读我们上一页

或者刚才看到的电路图会发现

头两个模组分别他们的阳极是由PTC12

和PTC13来确定的

而他们的红色串联到一起

是由左下角的PTC9来控制

所有的红色灯的阴极是否导通

所以这三个引脚配合

就能控制头两个灯的里头的红色是亮还是灭

所以这个提示已经很清楚了

所以我们跟刚才那个实验零里头小任务类比

是不是我们就要编程把PTC9、PTC12

和PTC13这三个引脚

PORTC的时钟打开

引脚当成IO用

IO设成输出模式

然后根据亮和灭的需求

让他们分别输出0或者1

并且在delay函数的下面循环起来

我们来写这个程序

涉及到的寄存器就是GPIOC_PDDR方向寄存器

和GPIOC的PDOR数值寄存器

所以我给大家一个代码的框架

还是给了大家一个delay函数

每次耽误大概半秒钟

main函数该怎么写呢

是不是就是刚才我说的那几个步骤

所以我建议大家看到这里的时候暂停一下

然后自己在程序里

在CodeWarrior里头在那个main函数里头

把代码写出来

去调试 去编译 去尝试

任何的知识和调试的知识自己通过编写写出来的

自己通过debug找出来错误提升的经验

比老师给你的要好100倍

那么涉及到MOOC课的形式呢

在下一页我会给出这样一个程序的例程

有困难的同学或者已经做完同学

可以跟他加以对照 接着往下看

那么我们最终给出的代码

能是这个样子的

我们打开时钟 指定为IO用

给他们分别赋上初值

这几个寄存器的初值用与或关系

为什么是刚好赋成我们要的值

希望大家认真读懂和电路图对应哪个比特置0了

哪个比特置1了

然后在这里我就不展开讲

然后我们在底下的for循环里头

有个delay 有个整个GPIOC的翻转

也就所有的开关是你高我低

导通状态

那一翻转就两边都关了

再一翻转两边都开了

是不是实现这两个灯同亮或者同灭呢

那么我们将我们写好的程序烧写到这个板子当中

点一下运行

就能看到两个小灯开始了同时的亮和灭的闪烁

好我多问一个问题

也是后面几个实验大家会遇到的问题呢

就这个代码是否完美

还可以怎么修改 我给点提示

就是可能在for循环里头

那几句话写的还不够漂亮还不够严谨

那么有兴趣同学或者有能力同学可以再想一想

那么实验2 实验2的任务稍微变了变

还是这两个灯

我们的任务变成了要让这两个灯交替亮灭

你亮我灭 你灭我亮

这个任务好像有点不一样了

我们回忆一下刚才那个电路图

控制红色的是左下角的阴极对吧

然后控制阳极的每一个模组有PTC12

和PTC13两个引脚分别控制

那么因为在任意时刻都至少有一个红灯亮

所以这个时候那个PTC9共同的那个

红色的阴极的那个引脚就得一直保证开关是导通的

就不能变了

而这两个灯谁亮谁灭

主要靠这两个模组各自阳极的那个IO

谁高电平谁低电平来切换

是不是这么一个思想

所以我教大家的一件事情是你要把你要做的功能

慢慢的抽象成对引脚

对电路时序的操作 再锻炼一种能力

把这种引脚和电路的操作

再抽象成程序的语言把它写出来

这就是开发的过程

那么我们有了这么一个思想

我们再来想想在刚才的程序上

我们怎么来对照这个电路图修改我们的程序

让左下角一直导通

让右上角让两个模组分别有电没电

导通不导通

那么我们程序

我给大家一个例程对吧

说我们同样还是时钟打开指定为引脚用

然后IO配置方向和初值

然后我给了一个全局变量

或者叫局部变量叫bLED

它只有两个值

0或者1 或者0或者非0

在for循环里逐次翻转

那么当bLED为1的时候

你亮我灭给PORTC赋个值

当bLED为0的时候

我灭你亮给PORTC再赋一个值

这样子在delay的驱动下来回循环

是不是实现了这两个灯

亮灭亮灭之间来回变换啊

这是一种写法吧

那我想问大家的是

除了这个之外还有别的写法吗

或者在想法上跟他有点不一样

或者说比他更简单一点

大家想一想

那么有的同学可能会自己开始尝试

开始编程 这就是编程的魅力

同样的问题每个人的实现是不一样的

那么有的同学如果我不给他例程

他上来写可能会写成这样

说老师我很简单啊

你这两个灯一个亮一个灭

我更简单的写法是

给他们的赋的初值就是一亮一灭的

我之后每一次

只要在for循环里头delay然后给PORTC翻转一下

你亮的变成我灭 我灭的变成你亮

我只用给初值两个不一样不就OK了吗

这是一个非常好的想法

但是大家注意的是不要忘了

在这个for循环这个翻转后面要加这么一句话

GPIOC的PDOR寄存器

跟1左移9位或了一下

为什么呢？因为电路图里

PTC9管的是我们两个LED

共同的阴极的这个电源的导通

我们不管阳极这边怎么翻转

一定记得PTC9得是导通的

所以不能因为整个寄存器的翻转

把他的值给改变了

那么也因为这句话

大家就知道对整个寄存器的值做翻转

好像是有点问题的

那我再拔高问一问

这个实验2怎么写这个代码会更漂亮呢

有基础的同学就可以回忆起

我曾经讲过有三个灰色的不常用的寄存器

他们分别是写1不起别的作用

只是设置值 只是清除值和只是翻转值

特别是最后这一个

GPIOC的PTOR寄存器

你对他写值指使对应的比特发生翻转

如果把这个寄存器当时学习掌握的同学

我们可以把我们代码改的更加漂亮就像这样

只对我们想要操作的一两个引脚产生翻转

而不影响别的IO

这样也不用再写额外的语句

去保证左下角的开关一直是开着的

所以小小一个翻转点灯

我们也可以有不同的写法

不同的寄存器

所以每个人写出来的程序

应该带有鲜明的自己的思想和特点

同样对于实验任务二呢

我们把写好的代码下载到我们的微控制器里头

那么我们点击运行

也可以看到他的相应的效果

这个时候我们会发现

第一个灯和第二个灯在进行交替的闪烁

这里要给大家提示的呢

是我们开发工具所使用的调试器

一次只能支持一个程序的调试和下载

所以大家每一个程序调试完

一定要记得点一下红色的方块

停止当前的调试

特别是当你有多个工程文件

在一个work space里调试的时候

否则第二个调试的程序

可能会发现无法下载并且报错

这个呢没有关系

最简单的一种方法就是

你退出CodeWarrior重新进来一次

这样它会终止前一次下载

那么新的下载就可以成功进行了

然后我们再来看看任务三和任务四

我就不讲这么详细了

那么任务三很简单

我们板子上有很多按键

能不能让两个灯

跟我们板子上的头两个按键的关系是一一对应的

比如说按下去这个灯就亮了

撒手这个灯就灭

让两个灯跟两个按键关联起来

那么任务四更简单了

就是能不能让两个灯

跟着板子上随意这八个按键

任意当中一个来发生关联

其实这两个任务是非常类似 等价的

你做成一个 另外一个你就会做了

那么IO引脚接的按键在我们的板子上的电路图

如果大家打开电路图发现是这样的

一个引脚后面接着一个具体的IO是直接连起来的

那么我们通过引脚的按下和放开

希望在IO上

能够用输入方式读到0或者1

从而就知道这个键有没有被按下

那么这样一种直观的想法

我们得回忆起按键的一个连接电路

在我们的单片机这个虚线的框里头

一个引脚伸出来外面接了个按键

要想正确的得到的输入信号

一定不要忘了里头得应该有一个什么

上拉电阻

有这个上拉电阻接着3.3伏

才能保证当键没有按的时候引脚悬空

IO读到的是逻辑1

当键按下去的时候跟地短路

引脚读到的是逻辑0

我们可以通过输入的IO得到按键的状态

所以我们对于这样一个引脚的配置

多了一点新的内容

这是在课上讲实验的时候没有讲的

我们要把这个引脚在配置给当IO用的时候

一定注意把PORT

比如说PORTx_PCRn这个寄存器里头

右下角比特1

我用红字标的这个比特

Pull Up上拉电阻置成1启用

也就是对应的引脚待会要配成输入

同时一定要有上拉电阻

才能读一个外接按键的IO值

那么在这个原理下面

我们再来写我们的代码

大家想一想该怎么写

如果大家有基础同学我希望还是一样暂停在这里

自己把代码写出来

那么我们会想一想我们的程序

大家先脑补整个流程

我们需要把对应的所有用到PORT的时钟打开

把对应的所有当中的引脚配置给IO用

而不是给别的功能用

然后给对应的引脚配置好他们的方向

按键是输入 点灯是输出

然后点灯的引脚要配置好他们的初值

包括他们对应的开关关系

然后在for循环里头

不停的去读取按键的输入引脚的值

把这个值成功的用If else

或者用别的语句赋值影响我们的输出引脚

换言之IO输入一个零

我们的点灯是不是就输出一个零让它亮

IO输入一个1我们点灯就输出一个1让它灭

把这样一个思想用C语言的代码写出来

那可能就是像这样一个程序

那么这个程序里头我们考虑了这些事

并且用if else

以及与或关系来检查一个PORT里

某一个引脚的值输入是0还是1

换言之就检查了这些按键的值是0还是1

好 跟前面两个任务一样的

那么我们把第三个任务的程序

下载到我们开发板里头

那么我们看看效果会发现

在默认情况下

四个灯都是灭着的

如果我们分别按键1和按键2

就会明显看到随着按键1和2的按键功能

这几个灯在对应的闪烁

而其他的按键并不会影响灯的状态

那么实验3的任务也就完成了

那么最后第五个任务呢

用一个按键 根据这个按键按一下的情况

它按一下就把两个灯的闪烁模式切换一下

比如说我一上电两个灯是同亮同灭的

我如果键按了一下

这两个灯就变成你亮我灭 交替闪烁

我再按一下又换回来变成同亮同灭

那么这样一个任务来了 以后大家会想到是什么呢

会发现刚才讲到的东西全都能用上了

按键我会做了 灯怎么闪烁我也会做了

同亮同灭我也会做 交替闪烁我也会做

然后我要用一个按键的值

在循环体里头去查它有没有被按下

以及如何控制这两个灯

切换闪烁的模式

然后这当中背后有一个关系是什么呢

是我不再是键按下灯就亮 撒手灯就灭

而是我键按一下

灯的闪烁模式持续的维持一段的发生改变

我需要有一个什么

有一个变量把键曾经按下这件事给记下来对不对

所以我们需要有一个全局变量

比如说在我这儿我给出来叫bMode

定义一个unsigned char类型的变量

每当键按过一次以后

这个变量的值比如说布尔变量

就翻转一下为零或者为一

来记载键有被按过

同时根据这个变量值决定两个灯以什么模式闪烁

所以如果大家好好想一想

就会想象出来这个程序代码该怎么写

仍然是时钟打开配置给IO用

配置好IO的初值和方向

到了for循环里头很关键

我们要通过一些定时的检查按键有没有按下

来改变bMode这个变量的值

同时在循环体里头

根据bMode的值

决定下一次两个灯要怎么闪烁

是同亮同灭还是切换成一亮一灭对不对

那么最简单的切换方法

是我们给两个灯分别赋一个同亮的值

或者是一亮一灭的值

而在之后的循环体每次只是让他们进行翻转

是不是这个程序写起来就会特别simple

那么大家想一想这件事以后

尝试着把它写出来

如果你写出来以后跟老师给的这个代码比一比

看看是不是想法上有差异

或者比老师想的还要好

那么如果跟老师的想法有差异

或者比我想的还要好

那我觉得就很棒

那么我多问一个问题

即使你写的非常好

代码如果像我给的例程这么写他会有什么问题

如果你从代码看不出来有什么问题

你把它烧到板子里按按键试一试

你看看有什么问题

进而你去想一想该怎么解决

那么我给点提示呢

这就是一个按键抖动和防抖的问题

那么第一次实验的内容就到这儿了

我最后给大家布置一个思考题

就是大家能不能给这个板子上下面这一排四个

每个有三种颜色可以组合

七彩颜色可以出现的灯

做出一个呼吸灯的效果

什么叫呼吸灯

就是这个灯单一颜色的时候

由亮慢慢的变灭 再慢慢的变亮

或者这个灯从颜色当中从一种颜色变成七种颜色

再慢慢的变回来

那么我给的提示是大家可以试一试

把这个灯的闪烁间隔改短 越改越短

改到最后你会发现

灯好像是常亮的那是视觉暂留

那么我再用两个delay

让这个灯在眼睛看不出来闪烁的时候

亮的时间和灭的时间的比例发生变化

你会看到什么

会发现他的亮度在发生变化

而如果他们的亮的时间和灭的时间的比例

再变成一个变量

随着时间的推移 缓慢地发生变化呢

你是不是就能看到

这个灯在像呼吸灯一样由亮变灭 由灭变亮

而如果三种颜色搭配

此起彼伏地由亮变灭呢

你是否会看到这三种灯会组成绚烂多彩的颜色

所以一个点灯到了最后一个任务

就是由大家自由来发挥

能不能写出一个七彩呼吸灯

那这就是第一次实验的内容