是單片機高手還是菜鳥?看看你的程序框架就知道了

2021-02-14 單片機與嵌入式

從大學參加電子設計大賽到現在，在單片機學習的道路上也有幾年的摸索了，把自己的一些心得體會分享給大家。

初學單片機時，往往都會糾結於其各個模塊功能的應用，如串口（232，485）對各種功能IC的控制,電機控制PWM，中斷應用，定時器應用，人機界面應用，CAN總線等. 這是一個學習過程中必需的階段，是基本功。很慶幸，在參加電子設計大賽賽前培訓時，MCU周圍的控制都訓練的很紮實。經過這個階段後，後來接觸不同的MCU就會發現，都大同小異，各有各的優勢而已，學任何一種新的MCU都很容易入手包括一些複雜的處理器。而且對MCU的編程控制會提升一個高度概況——就是對各種外圍進行控制(如果是對複雜算法的運算就會用DSP了），而外圍與MCU的通信方式一般也就幾種時序：IIC,SPI,intel8080,M6800。這樣看來MCU周圍的編程就是一個很簡單的東西了。


然而這只是嵌入式開發中的一點皮毛而已，在接觸過多種MCU,接觸過複雜設計要求，跑過作業系統等等後，我們在回到單片機的裸機開發時，就不知不覺的就會考慮到整個程序設計的架構問題；一個好的程序架構，是一個有經驗的工程師和一個初學者的分水嶺。


以下是我對單片機程序框架以及開發中一些常用部分的認識總結：


任何對時間要求苛刻的需求都是我們的敵人，在必要的時候我們只有增加硬體成本來消滅它；比如你要8個數碼管來顯示，我們在沒有相關的硬體支持的時候必須用MCU以動態掃描的方式來使其工作良好；而動態掃描將或多或少的阻止了MCU處理其他的事情。在MCU負擔很重的場合，我會選擇選用一個類似max8279外圍ic來解決這個困擾；


然而慶幸的是，有著許多不是對時間要求苛刻的事情：


例如鍵盤的掃描，人們敲擊鍵盤的速率是有限的，我們無需實時掃描著鍵盤，甚至可以每隔幾十ms才去掃描一下；然而這個幾十ms的間隔，我們的MCU還可以完成許多的事情；


單片機雖然是裸機奔跑，但是往往現實的需要決定了我們必須跑出作業系統的姿態——多任務程序；


比如一個常用的情況有4個任務：

1 鍵盤掃描；
2 led數碼管顯示；
3 串口數據需要接受和處理;
4 串口需要發送數據；


如何來構架這個單片機的程序將是我們的重點；

讀書時代的我會把鍵盤掃描用查詢的方式放在主循環中，而串口接收數據用中斷，在中斷服務函數中組成相應的幀格式後置位相應的標誌位，在主函數的循環中進行數據的處理，串口發送數據以及led的顯示也放在主循環中；

這樣整個程序就以標誌變量的通信方式，相互配合的在主循環和後臺中斷中執行；
然而必須指出其不妥之處：
每個任務的時間片可能過長，這將導致程序的實時性能差。如果以這樣的方式在多加幾個任務，使得一個循環的時間過長，可能鍵盤掃描將很不靈敏。所以若要建立一個良好的通用編程模型，我們必須想辦法，消去每個任務中費時間的部分以及把每個任務再次分解；下面來細談每個任務的具體措施：


鍵盤掃描是單片機的常用函數，以下指出常用的鍵盤掃描程序中，嚴重阻礙系統實時性能的地方；
眾所周知，一個鍵按下之後的波形是這樣的（假定低有效）：


在有鍵按下後，數據線上的信號出現一段時間的抖動，然後為低，然後當按鍵釋放時，信號抖動一段時間後變高。當然，在數據線為低或者為高的過程中，都有可能出現一些很窄的幹擾信號。

unsigned char kbscan(void)
{
unsigned char sccode,recode;
P2=0xf8; 
if ((P2&0xf8)!=0xf8) 
{
delay(100); //延時20ms去抖---這裡太費時了，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);
}


鍵盤掃描是需要軟體去抖的，這沒有爭議，然而該函數中用軟體延時來去抖（ms級別的延時），這是一個維持系統實時性能的一個大忌諱；


一般還有一個判斷按鍵釋放的代碼：

While( kbscan() != KEY_NONE)
; //死循環等待


這樣很糟糕，如果把鍵盤按下一直不放，這將導致整個系統其它的任務也不能執行，這將是個很嚴重的bug。


有人會這樣進行處理：

While(kbsan() != KEY_NONE )
{
Delay(10);
If(Num++ > 10)
Break;
}


即在一定得時間內，如果鍵盤一直按下，將作為有效鍵處理。這樣雖然不導致整個系統其它任務不能運行，但也很大程度上，削弱了系統的實時性能，因為他用了延時函數；

我們用兩種有效的方法來解決此問題：


1 在按鍵功能比較簡單的情況下，我們仍然用上面的kbscan()函數進行掃描，只是把其中去抖用的軟體延時去了，把去抖以及判斷按鍵的釋放用一個函數來處理，它不用軟體延時，而是用定時器的計時（用一般的計時也行）來完成；代碼如下

void ClearKeyFlag(void)
{
KeyDebounceFlg = 0;
KeyReleaseFlg = 0;
}

void ScanKey(void)
{
++KeyDebounceCnt;//去抖計時（這個計時也可以放在後臺定時器計時函數中處理）
KeyCode = kbscan();
if (KeyCode != KEY_NONE)
{
if (KeyDebounceFlg)//進入去抖狀態的標誌位
{
if (KeyDebounceCnt > DEBOUNCE_TIME)//大於了去抖規定的時間
{
if (KeyCode == KeyOldCode)//按鍵依然存在，則返回鍵值
{
KeyDebounceFlg = 0;
KeyReleaseFlg = 1;//釋放標誌
return; //Here exit with keycode
}
ClearKeyFlag(); //KeyCode != KeyOldCode，只是抖動而已
}
}else{
if (KeyReleaseFlg == 0)
{
KeyOldCode = KeyCode;
KeyDebounceFlg = 1;
KeyDebounceCnt = 0;
}else{
if (KeyCode != KeyOldCode)
ClearKeyFlag();
}
}
}else{
ClearKeyFlag();//沒有按鍵則清零標誌
}
KeyCode = KEY_NONE; 
}


在按鍵情況較複雜的情況，如有長按鍵，組合鍵，連鍵等一些複雜功能的按鍵時候，我們跟傾向於用狀態機來實現鍵盤的掃描；


//

avr 單片機 中4*3掃描狀態機實現
char read_keyboard_FUN2() 
{ 
static char key_state = 0, key_value, key_line,key_time; 
char key_return = No_key,i; 
switch (key_state) 
{ 
case 0: //最初的狀態，進行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！！！（注1） 
key_value = Key_mask & PIND; // 讀列電平 
if (key_value == Key_mask) 
key_line <<= 1; // 沒有按鍵，繼續掃描 
else 
{ 
key_state++; // 有按鍵，停止掃描 
break; // 轉消抖確認狀態 
} 
} 
break; 
case 1: //此狀態來判斷按鍵是不是抖動引起的
if (key_value == (Key_mask & PIND)) // 再次讀列電平， 
{
key_state++; // 轉入等待按鍵釋放狀態 
key_time=0;
} 
else 
key_state--; // 兩次列電平不同返回狀態0，（消抖處理） 
break; 
case 2: // 等待按鍵釋放狀態 
PORTD = 0b00000111; // 行線全部輸出低電平 
PORTD = 0b00000111; // 重複送一次 
if ( (Key_mask & PIND) == Key_mask) 
{
key_state=0; // 列線全部為高電平返回狀態0 
key_return= (key_line | key_value);//獲得了鍵值
}
else if(++key_time>=100)//如果長時間沒有釋放
{
key_time=0;
key_state=3;//進入連鍵狀態
key_return= (key_line | key_value);
} 
break; 
case 3://對於連鍵，每隔50ms就得到一次鍵值，windows xp 系統就是這樣做的
PORTD = 0b00000111; // 行線全部輸出低電平 
PORTD = 0b00000111; // 重複送一次 
if ( (Key_mask & PIND) == Key_mask) 
key_state=0; // 列線全部為高電平返回狀態0 
else if(++key_time>=5) //每隔50MS為一次連擊的按鍵
{
key_time=0;
key_return= (key_line | key_value);
} 
break; 
}
return key_return; 
}


以上用了4個狀態，一般的鍵盤掃描只用前面3個狀態就可以了，後面一個狀態是為增加「連鍵」功能設計的。連鍵——即如果按下某個鍵不放，則迅速的多次響應該鍵值，直到其釋放。在主循環中每隔10ms讓該鍵盤掃描函數執行一次即可；我們定其時限為10ms,當然要求並不嚴格。


一般情況下我們用的八位一體的數碼管，採用動態掃描的方法來完成顯示；非常慶幸人眼在高於50hz以上的閃爍時發現不了的。所以我們在動態掃描數碼管的間隔時間是充裕的。這裡我們定其時限為4ms(250HZ) ，用定時器定時為2ms,在定時中斷程序中進行掃描的顯示，每次只顯示其中的一位；當然時限也可以弄長一些，更推薦的方法是把顯示函數放入主循環中，而定時中斷中置位相應的標誌位即可；

// Timer 0 比較匹配中斷服務,4ms定時 
interrupt [TIM0_COMP] void timer0_comp_isr(void) 
{ 
display(); // 調用LED掃描顯示 
……………………
}
void display(void) // 8位LED數碼管動態掃描函數 
{ 
PORTC = 0xff; // 這裡把段選都關閉是很必要的，否則數碼管會產生拖影
PORTA = led_7[dis_buff[posit]]; 
PORTC = position[posit]; 
if (++posit >=8 ) 
posit = 0; 
}


串口接收時用中斷方式的，這無可厚非。但如果你試圖在中斷服務程序中完成一幀數據的接收就麻煩大了。永遠記住，中斷服務函數越短越好，否則影響這個程序的實時性能。一個數據幀一般包括若干個字節，我們需要判斷一幀是否完成，校驗是否正確。在這個過程中我們不能用軟體延時，更不能用死循環等待等方式；


所以我們在串口接收中斷函數中，只是把數據放置於一個緩衝隊列中。
至於組成幀，以及檢查幀的工作我們在主循環中解決，並且每次循環中我們只處理一個數據，每個字節數據的處理間隔的彈性比較大，因為我們已經緩存在了隊列裡面。

/*==========================================
功能：串口發送接收的時間事件
說明：放在大循環中每10ms一次
輸出：none
輸入：none
==========================================*/
void UARTimeEvent(void)
{
if (TxTimer != 0)//發送需要等待的時間遞減
--TxTimer;
if (++RxTimer > RX_FRAME_RESET) //
RxCnt = 0; //如果接受超時（即不完整的幀或者接收一幀完成），把接收的不完整幀覆蓋
}
/*==========================================
功能：串口接收中斷
說明：接收一個數據，存入緩存
輸出：none
輸入：none
==========================================*/
interrupt [USART_RXC] void uart_rx_isr(void)
{
INT8U status,data;
status = UCSRA;
data = UDR;
if ((status & (FRAMING_ERROR | PARITY_ERROR | DATA_OVERRUN))==0){
RxBuf[RxBufWrIdx] = data;
if (++RxBufWrIdx == RX_BUFFER_SIZE) //接收數據於緩衝中
RxBufWrIdx = 0； 
if (++RxBufCnt == RX_BUFFER_SIZE){
RxBufCnt = 0;
//RxBufferOvf=1;
}
}
}

/*==========================================
功能：串口接收數據幀
說明：當非0輸出時，收到一幀數據
放在大循環中執行
輸出：==0:沒有數據幀
!=0:數據幀命令字
輸入：none
==========================================*/
INT8U ChkRxFrame(void)
{
INT8U dat;
INT8U cnt;
INT8U sum;
INT8U ret;
ret = RX_NULL;
if (RxBufCnt != 0){
RxTimer = 0; //清接收計數時間，UARTimeEvent()中對於接收超時做了放棄整幀數據的處理
//Display();
cnt = RxCnt;
dat = RxBuf[RxBufRdIdx]; // Get Char
if (++RxBufRdIdx == RX_BUFFER_SIZE) 
RxBufRdIdx = 0;
Cli();
--RxBufCnt;
Sei();
FrameBuf[cnt++] = dat;
if (cnt >= FRAME_LEN)// 組成一幀
{
sum = 0;
for (cnt = 0;cnt < (FRAME_LEN - 1);cnt++)
sum+= FrameBuf[cnt];
if (sum == dat)
ret = FrameBuf[0];
cnt = 0;
}
RxCnt = cnt;
}
return ret;
}


以上的代碼ChkRxFrame()可以放於串口接收數據處理函數RxProcess() 中，然後放入主循環中執行即可。以上用一個計時變量RxTimer，很微妙的解決了接收幀超時的放棄幀處理，它沒有用任何等待，而且主循環中每次只是接收一個字節數據，時間很短。

我們開始架構整個系統的框架：


我們選用一個系統不常用的TIMER來產生系統所需的系統基準節拍，這裡我們選用4ms；
在meg8中我們代碼如下：

// Timer 0 overflow interrupt service routine
interrupt [TIM0_OVF] void timer0_ovf_isr(void)
{
// Reinitialize Timer 0 value
TCNT0=0x83;
// Place your code here
if ((++Time1ms & 0x03) == 0)
TimeIntFlg = 1;
}


然後我們設計一個TimeEvent()函數，來調用一些在以指定的頻率需要循環調用的函數，
比如每個4ms我們就進行餵狗以及數碼管動態掃描顯示，每隔1s我們就調用led閃爍程序，每隔20ms我們進行鍵盤掃描程序；

void TimeEvent (void)
{
if (TimeIntFlg){
TimeIntFlg = 0;
ClearWatchDog();
display(); // 在4ms事件中，調用LED掃描顯示，以及餵狗
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();//串口的數據接收事件，在4ms事件中處理
}
}


顯然整個思路已經很清晰了，cpu需要處理的循環事件都可以根據其對於時間的要求很方便的加入該函數中。但是我們對這事件有要求：
執行速度快，簡短，不能有太長的延時等待，其所有事件一次執行時間和必須小於系統的基準時間片4ms（根據需要可以加大系統基準節拍）。

所以我們的鍵盤掃描程序，數碼管顯示程序，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的延時（如模擬IIc時序中用到的延時）
我們設計了這樣的延時函數：
void RunTime250Hz (INT8U delay)//此延時函數的單位為4ms(系統基準節拍)

{
while (delay){
if (TimeIntFlg){
--delay;
TimeEvent();
}
TxProcess();
RxProcess(); 
}
}


我們需要延時的時間=delay*系統記住節拍4ms,此函數就確保了在延時的同時，我們其它事件（鍵盤掃描，led顯示等）也並沒有被耽誤；

好了這樣我們的主函數main()將很簡短：

Void main (voie)
{
Init_all();
while (1)
{ 
TimeEvent(); //對於循環事件的處理
RxProcess(); //串口對接收的數據處理
TxProcess();// 串口發送數據處理

}
}


整體看來我們的系統就成了將近一個萬能的模版了，根據自己所選的cpu,選個定時器，在添加自己的事件函數即可，非常靈活方便實用，一般的單片機能勝任的場合，該模版都能搞定。


整個系統以全局標誌作為主線，形散神不散；系統耗費比較小，只是犧牲了一個Timer而已，在資源缺乏的單片機中，非常適合；曾經看過一個網友的模版「單片機實用系統」，其以51為例子寫的，整體思路和這個差不多，不過他寫得更為規範緊湊，非常欣賞；但個人覺得代碼開銷量要大些，用慣了都一樣哦。但是由於本系統以全局標誌為驅動事件，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遞歸情況，千萬不要遞歸的太深哦（有的單片機不支持）。 

-END-
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