奔也精彩之單片機(jī)程序架構(gòu)

ID:99624 · 發(fā)表于 2015-12-27 05:21

從參加全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽初次接觸單片機(jī)開發(fā)至今已經(jīng)有4年了，初學(xué)單片機(jī)時(shí)，都會(huì)糾結(jié)于其各個(gè)模塊功能的應(yīng)用，如串口（232，485）對(duì)各種功能IC的控制,電機(jī)控制PWM，中斷應(yīng)用，定時(shí)器應(yīng)用，人機(jī)界面應(yīng)用，CAN總線等.這是一個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中必需的階段，是基本功。很慶幸，在參加電子設(shè)計(jì)大賽賽前培訓(xùn)時(shí)，MCU周圍的控制都訓(xùn)練的很扎實(shí)。經(jīng)過(guò)這個(gè)階段后，后來(lái)接觸不同的MCU就會(huì)發(fā)現(xiàn)，都大同小異，各有各的優(yōu)勢(shì)而已，學(xué)任何一種新的MCU都很容易入手包括一些復(fù)雜的處理器。而且對(duì)MCU的編程控制會(huì)提升一個(gè)高度概況——就是對(duì)各種外圍進(jìn)行控制(如果是對(duì)復(fù)雜算法的運(yùn)算就會(huì)用DSP了），而外圍與MCU的通信方式一般也就幾種時(shí)序：IIC,SPI,intel8080,M6800。這樣看來(lái)MCU周圍的編程就是一個(gè)很簡(jiǎn)單的東西了。
   然而這只是嵌入式開發(fā)中的一點(diǎn)皮毛而已，在接觸過(guò)多種MCU,接觸過(guò)復(fù)雜設(shè)計(jì)要求，跑過(guò)操作系統(tǒng)等等后，我們?cè)诨氐絾纹瑱C(jī)的裸機(jī)開發(fā)時(shí)，就不知不覺的就會(huì)考慮到整個(gè)程序設(shè)計(jì)的架構(gòu)問(wèn)題；一個(gè)好的程序架構(gòu)，是一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的工程師和一個(gè)初學(xué)者的分水嶺。
  以下是我對(duì)單片機(jī)程序框架以及開發(fā)中一些常用部分的認(rèn)識(shí)總結(jié)：
  任何對(duì)時(shí)間要求苛刻的需求都是我們的敵人，在必要的時(shí)候我們只有增加硬件成本來(lái)消滅它；比如你要8個(gè)數(shù)碼管來(lái)顯示，我們?cè)跊](méi)有相關(guān)的硬件支持的時(shí)候必須用MCU以動(dòng)態(tài)掃描的方式來(lái)使其工作良好；而動(dòng)態(tài)掃描將或多或少的阻止了MCU處理其他的事情。在MCU負(fù)擔(dān)很重的場(chǎng)合，我會(huì)選擇選用一個(gè)類似max8279外圍ic來(lái)解決這個(gè)困擾；
  然而慶幸的是，有著許多不是對(duì)時(shí)間要求苛刻的事情：
  例如鍵盤的掃描，人們敲擊鍵盤的速率是有限的，我們無(wú)需實(shí)時(shí)掃描著鍵盤，甚至可以每隔幾十ms才去掃描一下；然而這個(gè)幾十ms的間隔，我們的MCU還可以完成許多的事情；單片機(jī)雖然是裸機(jī)奔跑，但是往往現(xiàn)實(shí)的需要決定了我們必須跑出操作系統(tǒng)的姿態(tài)——多任務(wù)程序；
比如一個(gè)常用的情況有4個(gè)任務(wù)：
  1 鍵盤掃描；

2 LED數(shù)碼管顯示；

  3 串口數(shù)據(jù)需要接受和處理;
  4 串口需要發(fā)送數(shù)據(jù)；

  如何來(lái)構(gòu)架這個(gè)單片機(jī)的程序?qū)⑹俏覀兊闹攸c(diǎn)；
  讀書時(shí)代的我會(huì)把鍵盤掃描用查詢的方式放在主循環(huán)中，而串口接收數(shù)據(jù)用中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中組成相應(yīng)的幀格式后置位相應(yīng)的標(biāo)志位，在主函數(shù)的循環(huán)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，串口發(fā)送數(shù)據(jù)以及l(fā)ed的顯示也放在主循環(huán)中；這樣整個(gè)程序就以標(biāo)志變量的通信方式，相互配合的在主循環(huán)和后臺(tái)中斷中執(zhí)行；
  然而必須指出其不妥之處：每個(gè)任務(wù)的時(shí)間片可能過(guò)長(zhǎng)，這將導(dǎo)致程序的實(shí)時(shí)性能差。如果以這樣的方式在多加幾個(gè)任務(wù)，使得一個(gè)循環(huán)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能鍵盤掃描將很不靈敏。所以若要建立一個(gè)良好的通用編程模型，我們必須想辦法，消去每個(gè)任務(wù)中費(fèi)時(shí)間的部分以及把每個(gè)任務(wù)再次分解；下面來(lái)細(xì)談每個(gè)任務(wù)的具體措施：
1 鍵盤掃描
鍵盤掃描是單片機(jī)的常用函數(shù)，以下指出常用的鍵盤掃描程序中，嚴(yán)重阻礙系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的地方；
眾所周知，一個(gè)鍵按下之后的波形是這樣的（假定低有效）：在有鍵按下后，數(shù)據(jù)線上的信號(hào)出現(xiàn)一段時(shí)間的抖動(dòng)，然后為低，然后當(dāng)按鍵釋放時(shí)，信號(hào)抖動(dòng)一段時(shí)間后變高。當(dāng)然，在數(shù)據(jù)線為低或者為高的過(guò)程中，都有可能出現(xiàn)一些很窄的干擾信號(hào)。
unsigned char kbscan(void)
{
unsigned char sccode,recode;
P2=0xf8;
if((P2&0xf8)!=0xf8)
{
   delay(100);  //延時(shí)20ms去抖--------這里太費(fèi)時(shí)了，很糟糕
   if((P2&0xf8)!=0xf8)
   {
      sccode=0xfe;
      while((sccode&0x08)!=0)
      {
         P2=sccode;
            if((P2&0xf8)!=0xf8)
               break;
         sccode=(sccode<<1)|0x01;
            }
         recode=(P2&0xf8)|0x0f;
         return(sccode&recode);
      }
}
return(KEY_NONE);
}
鍵盤掃描是需要軟件去抖的，這沒(méi)有爭(zhēng)議，然而該函數(shù)中用軟件延時(shí)來(lái)去抖（ms級(jí)別的延時(shí)），這是一個(gè)維持系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的一個(gè)大忌諱；
一般還有一個(gè)判斷按鍵釋放的代碼：
While( kbscan() != KEY_NONE)
; //死循環(huán)等待
  這樣很糟糕，如果把鍵盤按下一直不放，這將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)其它的任務(wù)也不能執(zhí)行，這將是個(gè)很嚴(yán)重的bug。
有人會(huì)這樣進(jìn)行處理：
While(kbsan() != KEY_NONE )
{
Delay(10);
If(Num++> 10)
   Break;
}
即在一定得時(shí)間內(nèi)，如果鍵盤一直按下，將作為有效鍵處理。這樣雖然不導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)其它任務(wù)不能運(yùn)行，但也很大程度上，削弱了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，因?yàn)樗昧搜訒r(shí)函數(shù).

  我們用兩種有效的方法來(lái)解決此問(wèn)題：
1、在按鍵功能比較簡(jiǎn)單的情況下，我們?nèi)匀挥蒙厦娴膋bscan()函數(shù)進(jìn)行掃描，只是把其中去抖用的軟件延時(shí)去了，把去抖以及判斷按鍵的釋放用一個(gè)函數(shù)來(lái)處理，它不用軟件延時(shí)，而是用定時(shí)器的計(jì)時(shí)（用一般的計(jì)時(shí)也行）來(lái)完成；代碼如下
void ClearKeyFlag(void)
{
KeyDebounceFlg  = 0;
KeyReleaseFlg = 0;
}

void ScanKey(void)
{
   ++KeyDebounceCnt;//去抖計(jì)時(shí)（這個(gè)計(jì)時(shí)也可以放在后臺(tái)定時(shí)器計(jì)時(shí)函數(shù)中處理）
   KeyCode = kbscan();
   if (KeyCode != KEY_NONE)
   {
         if (KeyDebounceFlg)//進(jìn)入去抖狀態(tài)的標(biāo)志位
         {
            if (KeyDebounceCnt > DEBOUNCE_TIME)//大于了去抖規(guī)定的時(shí)間
            {
               if (KeyCode == KeyOldCode)//按鍵依然存在，則返回鍵值
               {
                     KeyDebounceFlg  = 0;
                     KeyReleaseFlg = 1;//釋放標(biāo)志
                     return;                      //Here exit with keycode
               }
               ClearKeyFlag();  //KeyCode !=KeyOldCode，只是抖動(dòng)而已
            }
         }
      else
         {
            if (KeyReleaseFlg == 0)
            {
               KeyOldCode    = KeyCode;
               KeyDebounceFlg  = 1;
               KeyDebounceCnt = 0;
            }
            else{
               if (KeyCode != KeyOldCode)
                     ClearKeyFlag();
            }
         }
   }else{
         ClearKeyFlag();//沒(méi)有按鍵則清零標(biāo)志
   }
KeyCode =KEY_NONE;
}

在按鍵情況較復(fù)雜的情況，如有長(zhǎng)按鍵，組合鍵，連鍵等一些復(fù)雜功能的按鍵時(shí)候，我們跟傾向于用狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤的掃描；
//avr 單片機(jī) 中4*3掃描狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)
char read_keyboard_FUN2()
{
staticchar key_state = 0, key_value, key_line,key_time;
charkey_return = No_key,i;
switch(key_state)
{
case 0://最初的狀態(tài)，進(jìn)行3*4的鍵盤掃描
   key_line = 0b00001000;
   for (i=1; i<=4; i++) // 掃描鍵盤
   {
         PORTD = ~key_line; // 輸出行線電平
         PORTD = ~key_line; // 必須送2次！�。。ㄗ�1）
         key_value = Key_mask & PIND; // 讀列電平
         if (key_value == Key_mask)
            key_line <<= 1; // 沒(méi)有按鍵，繼續(xù)掃描
         else
         {
            key_state++; // 有按鍵，停止掃描
            break; // 轉(zhuǎn)消抖確認(rèn)狀態(tài)
         }
   }
break;
case 1://此狀態(tài)來(lái)判斷按鍵是不是抖動(dòng)引起的
   if (key_value== (Key_mask & PIND)) // 再次讀列電平，
   {
         key_state++; // 轉(zhuǎn)入等待按鍵釋放狀態(tài)
         key_time=0;
   }
   else
         key_state--; // 兩次列電平不同返回狀態(tài)0，（消抖處理）
break;
case 2:// 等待按鍵釋放狀態(tài)
   PORTD = 0b00000111; // 行線全部輸出低電平
   PORTD = 0b00000111; // 重復(fù)送一次
   if ( (Key_mask & PIND) == Key_mask)
   {
         key_state=0; // 列線全部為高電平返回狀態(tài)0
         key_return=  (key_line | key_value);//獲得了鍵值
   }
   else if(++key_time>=100)//如果長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有釋放
   {
            key_time=0;
            key_state=3;//進(jìn)入連鍵狀態(tài)
            key_return= (key_line | key_value);
      }
break;
case3://對(duì)于連鍵，每隔50ms就得到一次鍵值，windows xp 系統(tǒng)就是這樣做的
   PORTD = 0b00000111; // 行線全部輸出低電平
   PORTD = 0b00000111; // 重復(fù)送一次
   if ( (Key_mask & PIND) == Key_mask)
         key_state=0; // 列線全部為高電平返回狀態(tài)0
   elseif(++key_time>=5) //每隔50MS為一次連擊的按鍵
   {
            key_time=0;
            key_return= (key_line | key_value);
      }
break;
}
returnkey_return;
}

以上用了4個(gè)狀態(tài)，一般的鍵盤掃描只用前面3個(gè)狀態(tài)就可以了，后面一個(gè)狀態(tài)是為增加“連鍵”功能設(shè)計(jì)的。連鍵——即如果按下某個(gè)鍵不放，則迅速的多次響應(yīng)該鍵值，直到其釋放。在主循環(huán)中每隔10ms讓該鍵盤掃描函數(shù)執(zhí)行一次即可；我們定其時(shí)限為10ms,當(dāng)然要求并不嚴(yán)格。

2 、數(shù)碼管的顯示
一般情況下我們用的八位一體的數(shù)碼管，采用動(dòng)態(tài)掃描的方法來(lái)完成顯示；非常慶幸人眼在高于50hz以上的閃爍時(shí)發(fā)現(xiàn)不了的。所以我們?cè)趧?dòng)態(tài)掃描數(shù)碼管的間隔時(shí)間是充裕的。這里我們定其時(shí)限為4ms(250HZ)，用定時(shí)器定時(shí)為2ms,在定時(shí)中斷程序中進(jìn)行掃描的顯示，每次只顯示其中的一位；當(dāng)然時(shí)限也可以弄長(zhǎng)一些，更推薦的方法是把顯示函數(shù)放入主循環(huán)中，而定時(shí)中斷中置位相應(yīng)的標(biāo)志位即可；

// Timer 0 比較匹配中斷服務(wù),4ms定時(shí)
interrupt [TIM0_COMP] void timer0_comp_isr(void)
{
display(); // 調(diào)用LED掃描顯示
……………………
}
void display(void) // 8位LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描函數(shù)
{
PORTC = 0xff; // 這里把段選都關(guān)閉是很必要的，否則數(shù)碼管會(huì)產(chǎn)生拖影
PORTA = led_7[dis_buff[posit]];
PORTC = position[posit];
if (++posit >=8 )
posit =0;
}
3 、串口接收數(shù)據(jù)幀
串口接收時(shí)用中斷方式的，這無(wú)可厚非。但如果你試圖在中斷服務(wù)程序中完成一幀數(shù)據(jù)的接收就麻煩大了。永遠(yuǎn)記住，中斷服務(wù)函數(shù)越短越好，否則影響這個(gè)程序的實(shí)時(shí)性能。一個(gè)數(shù)據(jù)幀一般包括若干個(gè)字節(jié)，我們需要判斷一幀是否完成，校驗(yàn)是否正確。在這個(gè)過(guò)程中我們不能用軟件延時(shí)，更不能用死循環(huán)等待等方式。所以我們在串口接收中斷函數(shù)中，只是把數(shù)據(jù)放置于一個(gè)緩沖隊(duì)列中。
  至于組成幀，以及檢查幀的工作我們?cè)谥餮h(huán)中解決，并且每次循環(huán)中我們只處理一個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的處理間隔的彈性比較大，因?yàn)槲覀円呀?jīng)緩存在了隊(duì)列里面。
void UARTimeEvent(void)
{
if(TxTimer != 0)//發(fā)送需要等待的時(shí)間遞減
   --TxTimer;
if(++RxTimer > RX__RESET)  //
   RxCnt = 0; //如果接受超時(shí)（即不完整的幀或者接收一幀完成），把接收的不完整幀覆蓋
}
interrupt [USART_RXC] void uart_rx_isr(void)
{
INT8Ustatus,data;
status  = UCSRA;
data =UDR;
if((status & (FRAMING_ERROR | PARITY_ERROR |DATA_OVERRUN))==0){
   RxBuf[RxBufWrIdx] = data;
   if (++RxBufWrIdx == RX_BUFFER_SIZE) //接收數(shù)據(jù)于緩沖中
         RxBufWrIdx  = 0；
   if (++RxBufCnt == RX_BUFFER_SIZE){
         RxBufCnt =0;
         //RxBufferOvf=1;
   }
}
}

INT8U ChkRx(void)
{
INT8U dat;
INT8U cnt;
INT8U sum;
INT8U ret;
ret= RX_NULL;
if(RxBufCnt != 0){
   RxTimer = 0; //清接收計(jì)數(shù)時(shí)間，UARTimeEvent()中對(duì)于接收超時(shí)做了放棄整幀數(shù)據(jù)的處理
   //Display();
   cnt = RxCnt;
   dat =RxBuf[RxBufRdIdx];          // Get Char
   if (++RxBufRdIdx == RX_BUFFER_SIZE)
         RxBufRdIdx = 0;
   Cli();
   --RxBufCnt;
   Sei();
   Buf[cnt++] = dat;
   if (cnt >= _LEN)// 組成一幀
   {
         sum = 0;
         for (cnt = 0;cnt < (_LEN - 1);cnt++)
            sum+= Buf[cnt];
         if (sum == dat)
            ret = Buf[0];
         cnt = 0;
   }
   RxCnt = cnt;
}
returnret;
}
以上的代碼ChkRx()可以放于串口接收數(shù)據(jù)處理函數(shù)RxProcess()中，然后放入主循環(huán)中執(zhí)行即可。以上用一個(gè)計(jì)時(shí)變量RxTimer，很微妙的解決了接收幀超時(shí)的放棄幀處理，它沒(méi)有用任何等待，而且主循環(huán)中每次只是接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，時(shí)間很短。

  我們開始架構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)的框架：
我們選用一個(gè)系統(tǒng)不常用的TIMER來(lái)產(chǎn)生系統(tǒng)所需的系統(tǒng)基準(zhǔn)節(jié)拍，這里我們選用4ms；
在meg8中我們代碼如下：

// Timer 0 oveRFlow interrupt serviceroutine

interrupt [TIM0_OVF] void timer0_ovf_isr(void)
{
//Reinitialize Timer 0 value
TCNT0=0x83;
// Placeyour code here
if((++Time1ms & 0x03) == 0)
   TimeIntFlg =1;
}
然后我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)TimeEvent()函數(shù)，來(lái)調(diào)用一些在以指定的頻率需要循環(huán)調(diào)用的函數(shù)，比如每個(gè)4ms我們就進(jìn)行喂狗以及數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示，每隔1s我們就調(diào)用led閃爍程序，每隔20ms我們進(jìn)行鍵盤掃描程序；
void TimeEvent (void)
{
if(TimeIntFlg){
   TimeIntFlg = 0;
   ClearWatchDog();
   display();// 在4ms事件中，調(diào)用LED掃描顯示，以及喂狗
   if (++Time4ms > 5){
         Time4ms = 0;
         TimeEvent20ms()；//在20ms事件中，我們處理鍵盤掃描read_keyboard_FUN2()

         if (++Time100ms > 10){
            Time100ms = 0;
            TimeEvent1Hz();// 在1s事件中，我們使工作指示燈閃爍
         }
   }
   UARTimeEvent();//串口的數(shù)據(jù)接收事件，在4ms事件中處理
}
}
  顯然整個(gè)思路已經(jīng)很清晰了，cpu需要處理的循環(huán)事件都可以根據(jù)其對(duì)于時(shí)間的要求很方便的加入該函數(shù)中。但是我們對(duì)這事件有要求：執(zhí)行速度快，簡(jiǎn)短，不能有太長(zhǎng)的延時(shí)等待，其所有事件一次執(zhí)行時(shí)間和必須小于系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)間片4ms（根據(jù)需要可以加大系統(tǒng)基準(zhǔn)節(jié)拍）。所以我們的鍵盤掃描程序，數(shù)碼管顯示程序，串口接收程序都如我先前所示。如果逼不得已需要用到較長(zhǎng)的延時(shí)（如模擬IIc時(shí)序中用到的延時(shí)）
我們?cè)O(shè)計(jì)了這樣的延時(shí)函數(shù)：
void RunTime250Hz (INT8U delay)//此延時(shí)函數(shù)的單位為4ms(系統(tǒng)基準(zhǔn)節(jié)拍)
{
while(delay){
   if (TimeIntFlg){
         --delay;
         TimeEvent();
   }
   TxProcess();
   RxProcess();
}
}
   我們需要延時(shí)的時(shí)間=delay*系統(tǒng)記住節(jié)拍4ms,此函數(shù)就確保了在延時(shí)的同時(shí)，我們其它事件（鍵盤掃描，led顯示等）也并沒(méi)有被耽誤；

  好了這樣我們的主函數(shù)main()將很簡(jiǎn)短：
Void main (voie)
{
Init_all();
while (1)
{
      TimeEvent(); //對(duì)于循環(huán)事件的處理
   RxProcess();  //串口對(duì)接收的數(shù)據(jù)處理
      TxProcess();// 串口發(fā)送數(shù)據(jù)處理

}
}
整體看來(lái)我們的系統(tǒng)就成了將近一個(gè)萬(wàn)能的模版了，根據(jù)自己所選的cpu,選個(gè)定時(shí)器，在添加自己的事件函數(shù)即可，非常靈活方便實(shí)用，一般的單片機(jī)能勝任的場(chǎng)合，該模版都能搞定。
整個(gè)系統(tǒng)以全局標(biāo)志作為主線，形散神不散；系統(tǒng)耗費(fèi)比較小，只是犧牲了一個(gè)Timer而已，在資源缺乏的單片機(jī)中，非常適；曾經(jīng)看過(guò)一個(gè)網(wǎng)友的模版“單片機(jī)實(shí)用系統(tǒng)”，其以51為例子寫的，整體思路和這個(gè)差不多，不過(guò)他寫得更為規(guī)范緊湊，非常欣賞；但個(gè)人覺得代碼開銷量要大些，用慣了都一樣哦。但是由于本系統(tǒng)以全局標(biāo)志為驅(qū)動(dòng)事件，所以比較感覺比較凌亂，全局最好都做好注釋，而其要注意一些隱形的函數(shù)遞歸情況，千萬(wàn)不要遞歸的太深哦（有的單片機(jī)不支持）。

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