单片机实践 (Part 1)

1.6.1 LED灯

env: macOS / sdcc
asm (gas): 汇编语言入门 · Issue #148
c

vscode需要做两个设置:

c/c++ configuration: include path, 添加sdcc header
c/c++: enable error squiggles, 关闭错误提示

app.c

#include <8051.h>

void main() {
  P1_0 = 0;

  while(1) {}
}

8051.h中定义的了寄存器的变量

/*  BYTE Register  */
__sfr __at (0x80) P0   ;
__sfr __at (0x81) SP   ;
__sfr __at (0x82) DPL  ;
__sfr __at (0x83) DPH  ;
__sfr __at (0x87) PCON ;
__sfr __at (0x88) TCON ;
__sfr __at (0x89) TMOD ;
__sfr __at (0x8A) TL0  ;
__sfr __at (0x8B) TL1  ;
__sfr __at (0x8C) TH0  ;
__sfr __at (0x8D) TH1  ;
__sfr __at (0x90) P1   ;
__sfr __at (0x98) SCON ;
__sfr __at (0x99) SBUF ;
__sfr __at (0xA0) P2   ;
__sfr __at (0xA8) IE   ;
__sfr __at (0xB0) P3   ;
__sfr __at (0xB8) IP   ;
__sfr __at (0xD0) PSW  ;
__sfr __at (0xE0) ACC  ;
__sfr __at (0xF0) B    ;

/*  BIT Register  */
/* P0 */
__sbit __at (0x80) P0_0 ;
__sbit __at (0x81) P0_1 ;
__sbit __at (0x82) P0_2 ;
__sbit __at (0x83) P0_3 ;
__sbit __at (0x84) P0_4 ;
__sbit __at (0x85) P0_5 ;
__sbit __at (0x86) P0_6 ;
__sbit __at (0x87) P0_7 ;
...

跑马灯所需要的C语言基础:

#include <stdio.h>  /* printf */
#include <stdlib.h> /* strtol */
#include <string.h> /* strcat */

const char* getBitString(int x) {
  static char b[9];
  b[0] = '\0';

  int z;
  for (z = 128; z > 0; z >>= 1) {
    strcat(b, ((x & z) == z) ? "1" : "0");
  }

  return b;
}

int main() {
  printf("0x01:\t\t%s\n", getBitString(0x01));
  printf("!0x01:\t\t%s\n", getBitString(!0x01));
  printf("!0x00:\t\t%s\n", getBitString(!0x00));
  printf("~0x01:\t\t%s\n", getBitString(~0x01));
  printf("0x01<<1:\t%s\n", getBitString(0x01 << 1));
  printf("~(0x01<<1):\t%s\n", getBitString(~(0x01 << 1)));

  printf("0xfe:\t\t%s\n", getBitString(0xfe));
  printf("0xfe<<1:\t%s\n", getBitString(0xfe<<1));

  printf("---\n");

  int i = 0;
  int P0 = 0xff;
  for (i = 0; i < 8; ++i) {
    P0 = ~(0x01 << i);
    printf("P0: %s\n", getBitString(P0));
  }

  return 0;
}

输出:

0x01:           00000001
!0x01:          00000000
!0x00:          00000001
~0x01:          11111110
0x01<<1:        00000010
~(0x01<<1):     11111101
0xfe:           11111110
0xfe<<1:        11111100
---
P0: 11111110
P0: 11111101
P0: 11111011
P0: 11110111
P0: 11101111
P0: 11011111
P0: 10111111
P0: 01111111

1.7 数码管

数码管本质上就是LED组成的，分为静态和动态，已经没啥用，都用液晶屏了。
38译码器就是输入3个引脚，然后解释为8个输出，节省引脚

1.8 LED点阵

串行: 通过一个引脚发送电压时序来表达数据
并行: 通过多个引脚来表示多个数据
串转并: 74HC595
并转串: 74HC165

74HC595

如果没有74HC595，则16x16 LED点阵需要32个IO口，通过74HC595则只需要4个数据IO口+2个时钟IO口
通过QH'则最终只需要1个IO来实现级联，则最终是1个IO口+2个时钟IO口
数据从14引脚(SER)顺序(串行)进入，然后锁定(latch)
时序就是时间顺序，芯片和芯片的通信引脚上电平变化以时间轴为参考的变化顺序。按照595的芯片手册中的时序描述(时序图)发送数据
74HC595的时序关键是: SCK和RCK。SCK是移位时钟，595芯片内部会在每个SCK的上升沿(从低电平到高电平的瞬间)采集一次SER输入，就向595内部输入了1位，如此循环8次就输入了8个二进制。RCK是所存时钟，当RCK在上升沿时进行一次锁存。
SCK表示shift click, RCK表示Storage Register Clock。当SER进行数据的串行输入时，通过SCK移位，通过RCK锁存
SCK会顺序先填满自己8个位，再SCK会给到级联的595，所以需要给32个SCK填满4个595，然后通过RCK锁一次即可
根据原理图，32个位子的顺序是POS1-POS8, POS9-POS16, NEG1-NEG8, NEG9-NEG16

app.c: 点亮16x16所有LED

#include <8051.h>
#include <stdbool.h>

typedef unsigned int u16;
typedef unsigned char u8;

#define SER P3_4  // serial
#define RCK P3_5  // storage register clock
#define SCK P3_6  // shift clock
#define _nop_() __asm NOP __endasm

void delay(u16 i) {
  while (i--)
    ;
}

void main() {
  u8 i = 0;

  // POS[0-15] = 0
  for (i = 0; i < 16; ++i) {
    SER = 0;
    SCK = 0;
    SCK = 1;
  }

  // NEG[0-15] = 1
  for (i = 0; i < 16; ++i) {
    SER = 1;
    SCK = 0;
    SCK = 1;
  }

  RCK = 0;
  RCK = 1;

  while (true) {
  }
}

random led:

void main() {
  u8 i = 0;

  while (true) {
    for (i = 0; i < 32; ++i) {
      SER = rand() % 2;
      SCK = 0;
      SCK = 1;
    }

    RCK = 0;
    RCK = 1;
  }
}

1.9 按键处理

独立按键 (轮询和中断)
矩阵按键
input: 默认通过上拉电阻接VCC，输入呈现高电平，如果按键按下形成短路，呈现低电平

app.c: 将按键和LED关联起来

#include <8051.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

typedef unsigned int u16;
typedef unsigned char u8;

#define BUTTON1 P1_0
#define LED1 P0_0

void delay(u16 i);
void init();
void loop();

void main() {
  init();
  while (true) {
    loop();
  }
}

void init() {
  LED1 = 1;
}

void loop() {
  LED1 = BUTTON1;
}

中断

P0: 静态数码管
P1: 8个按键
P2: 8个独立LED

void main() {
  init();
  while (true) {
    loop();
  }
}

void init() {}

void loop() {
  u8 i = 0;
  for (i = 0; i < 16; ++i) {
    P0 = ~segments[i];
    delay(20000);
  }

  P2 = P1;
}

如果需要静态数码管循环显示0-F，但是这是按键就会被delay耽误掉，按键就会被延迟执行。
单片机只可以有一个主线任务，其他要作为插入任务，这就是中断的价值
外部中断类型: 外部中断、定时器中断、串口中断， STC89C52RD根据数据手册就有8个中断，4个外部中断
每一个外部中断就对应一个单片机IO引脚，比如INT0对应P3.2, INT1对应P3.3，当硬件产生一个外部中断时CPU就会执行对应的中断对应的处理程序
设置中断触发模式：下降沿触发 (Falling)或者低电平出发(Low level)，通过IT0(寄存器IE中)
启用INT0: EX0=1
启用全局中断: EA=1

简而言之，就是P3.2引脚给出一个下降沿，比如按键触发，就会调用程序中的interrupt, 最简单就是将P3.2连接到GND就可以直接给出一个下降沿触发中断。

#include <8051.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

typedef unsigned int u16;
typedef unsigned char u8;

u8 status;
void delay(u16 i);
void init();
void loop();

void main() {
  init();
  while (true) {
    // loop();
  }
}

void init() {
  IT0 = 1;  // set INT0 interrupt type: (1: falling, 0: low level)
  EX0 = 1;  // enable INT0 interrupt
  EA = 1;   // open global interrupt switch
  P2_1 = 1;
}

void int0() __interrupt(0) {
  delay(1000);
  P2_1 = !P2_1;
}

void loop() {}

void delay(u16 i) {
  while (i--)
    ;
}

1.10 定时器和计数器

定时器是SoC的一种内部外设
计数器是定时器的实现方式，通过计数来实现定时
STC90C51RC/RD内部有两个16位定时器/计数器, 16位最大计数到65535
如果采用12MHz晶振，单片机工作在12T模式下，则内部时钟频率位1MHz，则时钟脉冲宽度为1us(1s/1MHz)
计数器脉冲来自外部引脚(T0对应P3.4, T1对应P3.5)
时钟相关寄存器
- TCON (Timer Control): TF (timer flag, 溢出标志位)
- TF (timer flag, 溢出标志位, readonly)，当计数完成TF=1，CPU内部使用，程序一般不需要使用
- TR (timer run), 启动timer
- IE: 中断触发式置1
- IT: 外部中断触发条件 (falling or low level)
- TMOD (Timer Mode)
- GATE: 门控位，在INT激活时才开启计数，可以理解为条件计数
- C/T: counter or timer, 设置模式, 1表示counter, 0表示timer, 这也是T上面横线的意思，和INT0相同，低电平触发
- M1, M0: 2个bit组合4种模式
- TL (Timer Low) 低8位
- TH (Timer High) 高8位
单片机12MHz, 内部频率1M，时钟周期1us，16位的定时器最大的65535，则定时器最大间隔为65535x1us=65.535ms。需要通过多次定时构成一个较长的时间(比如2s)
51单片机采用的是加法定时器，即计数到65535会触发中断，所以需要反向设置65535-1000表示计1000次

app.c

#include <8051.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

typedef unsigned int word;
typedef unsigned char byte;

void init();
void loop();

void main() {
  init();
  while (true) {
    loop();
  }
}

word count = 0;

void init() {
  // 设置模式: 16位计时器
  TMOD = 0x01;
  // 设置时钟周期: 1ms (1ms/1us=1000次, 如果需要溢出触发则65536-1000=0xfc18)
  TH0 = 0xfc;
  TL0 = 0x18;
  TR0 = 1;
  ET0 = 1;
  EA = 1;

  count = 1000;
}

void timer0() __interrupt(1) {
  TH0 = 0xfc;
  TL0 = 0x18;

  if (--count == 0) {
    P0_0 = !P0_0;
    count = 1000;
  }
}

void loop() {}

1.11 蜂鸣器

有源和无源蜂鸣器：无源便宜, 早期都是无源，需要给出一个方形波，高低电平不断切换，通过切换使蜂鸣器内部两个金属片形成震动，进而发出声音。但是有源蜂鸣器内置了震荡电路，可以将一个持续的电平，内部自身转换为方形波，但是无法改变音调，实际上，有源蜂鸣器也完全兼容频率信号驱动
原理图: 单片机引脚电流不够驱动蜂鸣器，所以需要一个三极管用5V驱动
音量: 硬件决定，软件无法控制
音调: 震动频率, 频率越短越尖锐

1.12 电机

分为直流电机(永磁、励磁)和交流电机(两相、三相)
不需要精确控制选直流电机或直流电机，提供动力，需要精确控制就需要选择步进电机或伺服电机，伺服电机精度价格高于步进电机

直流电机

两个接片没有正负极之分，影响转动方向
单片机引脚提供的电流只有20mA, 所以驱动直流电机需要通过三极管实现弱电控制强电

#include <8051.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

typedef unsigned int word;
typedef unsigned char byte;

void delay(word i);
void init();
void loop();

void main() {
  init();
  while (true) {
    loop();
  }
}

void init() {
  IT0 = 1; // set INT0 interrupt type: (1: falling, 0: low level)
  EX0 = 1; // enable INT0 interrupt
  EA = 1;  // open global interrupt switch
  P1_2 = 0;
}

void loop() {}

void int0() __interrupt(0) {
  delay(1000);
  if (P3_2 == 0) {
    P1_2 = !P1_2;
  }
}

void delay(word i) {
  while (i--)
    ;
}

步进电机

精确控制旋转
步长(步距角), 出长固定
相数: 绕组的个数，相数越多越精确，步距角越小，Two-phase, 其实就是两阶段
细分
极性: 单极性和双极性
驱动方式: 单相四拍、双相八拍、半步八拍
单相四拍
- 正转: A/ B A B/
- 反转: A B/ A/ B

1.13 串口通信

并行和串行
RS232采用电平信号，RS485采用差分信号，更好的抗干扰
同一概念: 串行通信、串口通信、UART、USART
特点: 低速、异步、串行、全双工
距离: 9600波特率下建议在13米以内
通途: 单片机周边芯片、调试信息输入输出
非完备通信: 去掉速率协商、校验等不重要的功能，所以只用3芯就能实现通信
3根线 (GND, RxD, TxD)或者9根线(完整功能，包括校验、调制解调，一般不需要)
串行通信的主要概念:
- 起始位、数据位、奇偶校验位、停止位(帧)
- 波特率: 1秒种传输多少个bit，9600就表示1秒发送9600个bit，1200Byte, 1.2KB
- 流控
最常用的帧格式是(N81)
- N的意思是无“奇偶校验”，即起始位
- 8的意思是数据是8位的，即数据位
- 1的意思是1个“停止位”，即停止位
- 在这种情况下一个数据帧总共包括10位：1个起始位(低电平，用于同步), 8个数据位(这是要传送的信息), 以及1个停止位(高电平，用于表示数据帧结束)
STC的51单片机中已经内置了串行通信能力
P3.0/RxD, P3.1/TxD
最常用的模式: 模式1: 8位UART，波特率可变
相关寄存器 - 会用到中断和定时器的寄存器:
- SCON (Serial Control): REN (receive enable)
- SBUF (Serial Buffer)
- PCON (Power Control)
- IE (Interrupt Enable)

app.c 发送hello world

#include <8051.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

typedef unsigned int word;
typedef unsigned char byte;

void delay(word i);
void init();
void loop();
void sendByte(byte);
void sendString(char *string);

void main() {
  init();
  while (true) {
    loop();
  }
}

void init() {
  SCON = 0x50; // 0b 0101 0000
  TMOD = 0x20; // set timer1 as 8-bit auto reload mode
  PCON = 0x80;
  TH1 = TL1 = 0xf3;

  TR1 = 1; // timer1 start run
  ES = 1;  // enable uart interrupt
  EA = 1;  // open master inerrupt switch
}

void loop() {
  sendString("hello world\n");
  P0_0 = !P0_0;
  delay(50000);
}

void sendByte(byte data) {
  SBUF = data;
  while (!TI)
    ;
  TI = 0;
}

void sendString(char *string) {
  while (*string) {
    sendByte(*string++);
  }
}

void delay(word i) {
  while (i--)
    ;
}

RS485

RS485和RS422都是采用差分信号，最大通信距离1200多米，最快通信速率10Mbps, 距离和速度成反比，usb, 网线都是采用差分信号
通过中继器可以延伸更远的距离
半双工
RS485只提供物理层通信能力，不提供数据层协议，需要用户自定义，或者使用标准协议，如MODBUS
MAX485: 将232电平信号转换为485差分信号

nonocast / hello-zhulaoshi

单片机实践 (Part 1) #2