模块 8
8.0 目标 本实验的目的是学习如何使用 TI 的 Launchpad 开发板将开关和 LED 连接到微控制器 1. 您将首先在面包板上构建电路并执行明确的测量, 以验证它们是否正常运行, 并提高您对它们如何工作的理解 2. 您将使用此知识设计自己的窗口入侵探测器警报系统 8.1.4 本实验所需组件 数量组件描述制造商型号 1 MSP-EXP432P401R LaunchPad TI MSP- EXP432P401R 小知识 : 实验中连接的开关将成为机器人上的撞击探测器 机器人将使用 LED 输出作为调试工具, 以便您可视化软件正在执行的操作 8.1 入门 8.1.1 从下面的软件工程起步 1 1 3 Red 2mA 5mm diffused LED Carbon 1/6W, 5%, 470 B3F tactile push button switches 浏览以下 4 个工程 : InputOutput (LaunchPad 上的开关和 LED 的输入 / 输出 ) GPIO ( 简单的输出到四个引脚 ) Switch ( 输入开关的软件驱动程序 ) Lab_Switches_LED ( 本实验的入门项目 ) 8.1.2 参考资料 B3F-1052.pdf Switch Datasheet HLMP-4700.pdf LED Datasheet MSP432P4xx Technical Reference Manual (SLAU356) Meet the MSP432 LaunchPad (SLAU596) MSP432 LaunchPad User s Guide (SLAU597) MSP432P401R Datasheet msp432p401m.pdf (SLAS826) 1 solderless breadboard 8.1.5 所需实验设备电压表示波器 ( 一个至少 10 khz 采样的通道 ) 逻辑分析仪 (4 个至少 10 khz 采样的通道 ) 8.1.3 阅读材料 Volume 1 Section 2.7, 4.1, 4.2.2, 4.3, and 4.6 Embedded Systems: Introduction to the MSP432 Microcontroller Volume 2 Section 2.4, and 2.6 Embedded Systems: Real-Time Interfacing to the MSP432 Microcontroller 2 Texas Instruments
8.2 系统设计要求 在本实验, 你将设计和测试一个窗口入侵探测器报警系统 如图 8.1 的框图所示, 我们的简易窗口入侵探测器报警系统有三个输入和一个输出 输入是三个开关, 用正逻辑实现, 见图 8.2 第一个开关输入称为 Activate, 用作布防 / 撤防控制 有两个窗口传感器, 称为 Window1 和 Window2 当 Activate 按下或为 true 时, 将激活安全系统 当 Activate 没有按下或为 false 时, 系统将被禁用, 这意味着无论窗口传感器的状态如何, 警报都将关闭 当窗口传感器被按下或为 true 时, 窗口处于安全位置 如果未按下任一窗口传感器, 则不安全 输出是一个名为 Alarm 的 LED, 它以正逻辑实现 您将以 5 Hz( 开启 100ms, 关闭 100ms) 闪烁 LED 以表示不安全状况 换一种说法, 当传感器 Window1 或 Window2 检测到入侵者时,LED 应快速闪烁 您将把这些开关和 LED 连接到面包板, 并根据表 8.1 中显示的真值表将它们连接到 MSP432 LaunchPad 开发板 Sensors Activate 2 bits 1 bit MSP432 Software 1-bit flashing Alarm Activate switch Window1 sensor Window2 sensor Alarm ( LED) 图 8.1. 窗口入侵探测器报警系统 OFF X X OFF ON Not Pressed Not Pressed Flash at 5 Hz ON Not Pressed Pressed Flash at 5 Hz ON Pressed Not Pressed Flash at 5 Hz ON Pressed Pressed OFF 表 8.1. 窗口入侵探测器报警系统真值表 图 8.2. MSP432 LaunchPad 和外部电路 3 Texas Instruments
8.3 实验准备 8.3.1 开关接口 您最终将需要三个开关 但是, 您需要首先将一个开关连接到 TI LaunchPad 开发板 图 8.3 显示了将开关连接到微控制器的一种可能方法 当未按下开关时, 您可以使用内部或外部下拉电阻使引脚上的电压为零 Warning: 限制流入和流出端口引脚的电流小于 6 ma 构建开关接口的一个非常糟糕的方法是将开关的一侧置于 + 3.3V 而另一侧接地, 每当按下开关时都会导致 3.3V 接地短路 提示 : 使用 P5.0 将一个开关与内部上拉接口连接的示例代码 uint8_t sensor; int Program8_1(void){ Clock_Init48MHz(); // makes bus clock 48 MHz P5->SEL0 &= ~0x01; // configure P5.0 GPIO P5->SEL1 &= ~0x01; P5->DIR &= ~0x01; // make P5.0 in P5->REN = 0x01; // enable pull resistor on P5.0 P5->OUT &= ~0x01; // P5.0 pull-down while(1){ sensor = P5->IN&0x01; // read switch 图 8.3. 使用内部下拉将开关连接到 P5.0 的接口 当 Program8_1 运行时, 使用电压表测量未按下开关和按下开关时引脚上的电压 未按下开关时, 您应该获得 0 V, 按下开关时, 您应该获得 3.3V 读取输入后, 将引脚上的电压与软件中的值进行比较 使用调试器观察全局变量传感器 您最终将系统扩展为具有三个输入, 并且软件将读取三个开关的状态 我们有意给这个例子用一个开关, 知道你需要修改三个开关输入的硬件和软件 您将在项目中找到类似于 8_1 的 Program8_2, 但会激活 TExaS 逻辑分析器 (CircuitMaker) 为了标准化整个级别的时序, 我们将激活外部晶振并以 48 MHz 运行 4 Texas Instruments
8.3.2 LED 接口 使用其数据手册查找用于本实验的 LED 的所需 (Vf,If) 工作点 假设微控制器引脚为 3.3V, 则计算获得该工作点所需的电阻 选择接近该值的标准电阻值 ( 例如, 100,220,270,330,470,680,820 或 1000Ω) 确定将用于 LED 输出的引脚, 并绘制 LED 的接口电路, 类似于图 8.4 您必须重新绘制图 8.4, 将 LED 移动到开关未使用的引脚 运行修改后的 Program8_3 并单步执行, 直到 LED 亮起 测量电阻两端的电压和 LED 两端的电压 单步执行软件, 直到 LED 熄灭并再次测量两个电压 在电阻器上使用欧姆定律来计算通过电阻器的电流 电阻器电流也将等于 LED 电流 将 LED 的实际 (Vf,If) 工作点与设计期间计算的预期值进行比较 当软件停止且微控制器的输出为高电平时, 测量微控制器引脚上的电压 将此测量电压与 3.3V 的预期值进行比较 提示 : 使用此程序测试 LED 接口 void LED_Init(void){ P5->SEL0 &= ~0x01; // configure P5.0 GPIO P5->SEL1 &= ~0x01; P5->DIR = 0x01; // make P5.0 output void LED_On(void){ P5->OUT = 0x01; // turn on void LED_Off(void){ P5->OUT &= ~0x01; // turn off 图 8.4. 将 LED 输出连接到 P5.4 的示例接口 (CircuitMaker) 当软件输出一个高电平 ( 假设为 3.3 V 输出 ) 时, 根据您构建的电路估算 LED 的电流和 LED 两端的电压 但是, 在测量实际 LED 电流和电压时, 您需要单步执行, 因为如果运行, 引脚将每秒振荡大约一百万次, 并且 LED 看起来会变暗 修改 Program8_3, 使微控制器将相应的引脚作为输出 例如, 如果你将 LED 连接到 P5.4, 你必须编辑它, 因此 Port5 bit 4 是一个输出, 主循环振荡第 4 位 我们有意使用与上一个示例中输入相同的引脚编写 Program8_3, 因为您知道需要修改此程序以输出到连接 LED 的特定端口引脚 程序应该只需打开和关闭 LED 请注意,Program8_3 中的 LED 操作被写为软件驱动程序, 这是一组便于 LED 操作的函数 此外, 看看 LED 功能如何构成抽象, 将它的作用 (LED 初始化 / 开 / 关 / 切换 ) 与其工作原理分开 (P5 引脚 0) void LED_Toggle(void){ P5->OUT ^= 0x01; // change int Program8_3(void){ Clock_Init48MHz(); // makes bus clock 48 MHz LED_Init(); // activate output for LED while(1){ LED_On(); LED_Off(); 8.3.3 LED 切换 接下来, 您将开发并测试闪烁 LED 5 次 / 秒的软件 基本上, 您需要去写 Wait1ms() 函数 在下一个实验中, 我们将使用 SysTick 计时器进行延时 但是在这个实验中, 你可以使用两个嵌套的 for 循环 软件循环对于时间延迟非常不准 5 Texas Instruments
确 因此, 在这个实验里, 延迟可以是任何值, 使得 LED 每秒闪烁 4 到 6 次 使用秒表, 逻辑分析仪或示波器验证 LED 是否以所需速率闪烁 图 8.5 显示了在 Logic Analyzer 处于活动状态时运行的程序 8.4 要激活逻辑分析仪以显示端口 5, 请执行 TExaS_Init(LOGICANALYZER_P5); 8.4 窗口探测器报警系统 8.4.1 硬件实现 我们将使用 MSP432 上的四个引脚来实现报警系统 建议您不要使用已连接硬件的引脚 选择您想要使用的四个引脚, 并绘制硬件电路图, 如图 8.6 所示 图 8.5. TExaS 逻辑分析仪运行程序 8.4, 显示 P5.0 以 5 Hz 切换 提示 : 使用此程序测试 LED 闪烁 int Program8_4(void) Clock_Init48MHz(); // makes bus clock 48 MHz TExaS_Init(LOGICANALYZER_P5); LED_Init(); // activate output for LED while(1){ LED_Toggle(); Clock_Delay1ms(100); // approximately 100 ms 图 8.6 硬件原理图接口输入和输出引脚 6 Texas Instruments
8.4.2 软件实现 这个伪代码描述了这个系统的基本方法, 并将其绘制成图 8.7 中的流程图 1. 将 LED 引脚作为输出并使三个开关引脚作为输入 2. 系统启动时 LED 熄灭 3. 等待 100 ms 4. 着眼于这三个开关 ; 如果 Activate 被按下, 一个或两个 Window1 和 Window2 没有被按下, 则切换 LED 一次, 否则关闭 LED 5. 一遍又一遍地重复步骤 3-5 察三个输入和一个输出 首先, 使用 step over debugger 命令验证正确的功能行为 然后, 你可以启动程序并测试系统全速运行 您可以使用示波器或逻辑分析仪来验证 LED 以 5 Hz 的频率闪烁, 当按下 Activate 并且未按下一个或两个 Window1 和 Window2 时 8.5 疑难解答 无法编程 LaunchPad: 检查 LaunchPad 开发板上的电缆, 跳线 检查 Windows 驱动程序以查看操作系统是否识别该板 在此计算机上尝试另一个 LaunchPad 在另一台计算机上试用此 LaunchPad LED 没有打开 : 检查 LED 的极性 重复测量, 参见第 8.3.2 节 与 LED 串联的电阻应介于 220 和 2000 欧姆之间 如果 LED 上有 2 到 3V 且 LED 很暗, 则它会断开 ( 开路 ) 或反向 Switches 不工作 : 许多开关有 4 个引脚, 您可能会混淆开关所连接的引脚 使用欧姆表测量开关上的电阻, 以确定按下和非按下的条件 调试器允许您可视化端口寄存器 ; 因此, 最好使用调试器检查初始化是否正确配置了方向和下拉模式 图 8.7. 系统可能的软件算法绘制为流程图 本实验的结构让您分别构建和测试每个子系统 在这个部分, 我们结合开关和 LED 接口来实现窗口入侵探测器报警系统 要测试整个系统, 首先应该单步执行软件, 以验证它是否按照表 8.1 中列出的八种情况的预期运行 使用调试器同时观 7 Texas Instruments
8.6 请思考 在这节中, 我们列出了完成本实验后要考虑的思考问题 这些问题旨在测试您对本实验中概念的理解 怎么让 LED 更亮? 如果你反向插入 LED 会发生什么? 如果颠倒 LED 和电阻会发生什么? 即, 将微控制器输出连接到 LED 的 + 侧, 并将 LED 的 - 侧连接到电阻器的一端, 将电阻器的另一端连接到地 它还能用吗? 为什么? 每次你按下开关, 开关就会打开 / 关闭 / 打开大约 1-2 毫秒 同样的, 当开关被释放时, 开关会关闭 / 打开 / 关闭 这个实验实际上对开关进行了去抖 主程序中的哪些操作会导致软件忽略触摸和释放时发生的开关弹跳? 去抖意味着软件仅响应开关触摸事件一次, 而不是在开关反弹时多次响应 8.7 其它挑战 在这节中, 我们列出了您可以做的其他活动, 以进一步探索此模块的概念 您可以扩展安全系统或提出完全不同的东西 例如 : 添加第二个 LED 以指示系统是否已激活 添加绿色 LED 指示一切正常 将这个实验实现为一个有限状态机 添加更多开关并实现数字门锁 ( 用户按特定顺序点击键, 并通过 LED 模拟锁 ) 实现一个起搏器需求, 用户按下开关来模拟心房传感器, 并且通过 LED 模拟心室起搏 修改下面挑战函数, 以便系统移除开关弹跳并正确计算按下开关的次数 8.8 接来是哪些模块? 在这节中, 我们列出了基于模块中所学概念的未来模块 模块 9) 使用 SysTick 实现延时, 调暗 LED 模块 10) 使用开关为机器人添加碰撞传感器模块 13) 使用周期性中断在后台运行任务模块 14) 使用中断触发来识别已按下的开关 8.9 您应该已经学会 在这节中, 我们回顾了在这个模块中应该学习的重要概念是 : 使用欧姆表 电压表和逻辑分析仪 使用 CircuitMaker 之类的程序绘制电路 使用面包板构建电路 编程方向寄存器 使用数字端口执行输入 / 输出, 将函数编写为软件驱动程序 通过下拉连接一个正逻辑开关 连接一个正逻辑低电流 LED 使用 for 循环创建软件延迟 使用软件延迟切换 LED int Challenge(void){ uint32_t Count=0; Clock_Init48MHz(); // makes bus clock 48 MHz Switch_Init(); // activate input from switch while(1){ while(switch_input()==0){; // wait for touch Count++; // number of times switch is touched while(switch_input()!=0){; // wait for release 8 Texas Instruments
IMPORTANT NOTICE FOR TI DESIGN INFORMATION AND RESOURCES Texas Instruments Incorporated ( TI ) technical, application or other design advice, services or information, including, but not limited to, reference designs and materials relating to evaluation modules, (collectively, TI Resources ) are intended to assist designers who are developing applications that incorporate TI products; by downloading, accessing or using any particular TI Resource in any way, you (individually or, if you are acting on behalf of a company, your company) agree to use it solely for this purpose and subject to the terms of this Notice. TI s provision of TI Resources does not expand or otherwise alter TI s applicable published warranties or warranty disclaimers for TI products, and no additional obligations or liabilities arise from TI providing such TI Resources. TI reserves the right to make corrections, enhancements, improvements and other changes to its TI Resources. You understand and agree that you remain responsible for using your independent analysis, evaluation and judgment in designing your applications and that you have full and exclusive responsibility to assure the safety of your applications and compliance of your applications (and of all TI products used in or for your applications) with all applicable regulations, laws and other applicable requirements. You represent that, with respect to your applications, you have all the necessary expertise to create and implement safeguards that (1) anticipate dangerous consequences of failures, (2) monitor failures and their consequences, and (3) lessen the likelihood of failures that might cause harm and take appropriate actions. You agree that prior to using or distributing any applications that include TI products, you will thoroughly test such applications and the functionality of such TI products as used in such applications. TI has not conducted any testing other than that specifically described in the published documentation for a particular TI Resource. You are authorized to use, copy and modify any individual TI Resource only in connection with the development of applications that include the TI product(s) identified in such TI Resource. NO OTHER LICENSE, EXPRESS OR IMPLIED, BY ESTOPPEL OR OTHERWISE TO ANY OTHER TI INTELLECTUAL PROPERTY RIGHT, AND NO LICENSE TO ANY TECHNOLOGY OR INTELLECTUAL PROPERTY RIGHT OF TI OR ANY THIRD PARTY IS GRANTED HEREIN, including but not limited to any patent right, copyright, mask work right, or other intellectual property right relating to any combination, machine, or process in which TI products or services are used. Information regarding or referencing third-party products or services does not constitute a license to use such products or services, or a warranty or endorsement thereof. Use of TI Resources may require a license from a third party under the patents or other intellectual property of the third party, or a license from TI under the patents or other intellectual property of TI. TI RESOURCES ARE PROVIDED AS IS AND WITH ALL FAULTS. TI DISCLAIMS ALL OTHER WARRANTIES OR REPRESENTATIONS, EXPRESS OR IMPLIED, REGARDING TI RESOURCES OR USE THEREOF, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO ACCURACY OR COMPLETENESS, TITLE, ANY EPIDEMIC FAILURE WARRANTY AND ANY IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY, FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE, AND NON-INFRINGEMENT OF ANY THIRD PARTY INTELLECTUAL PROPERTY RIGHTS. TI SHALL NOT BE LIABLE FOR AND SHALL NOT DEFEND OR INDEMNIFY YOU AGAINST ANY CLAIM, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO ANY INFRINGEMENT CLAIM THAT RELATES TO OR IS BASED ON ANY COMBINATION OF PRODUCTS EVEN IF DESCRIBED IN TI RESOURCES OR OTHERWISE. IN NO EVENT SHALL TI BE LIABLE FOR ANY ACTUAL, DIRECT, SPECIAL, COLLATERAL, INDIRECT, PUNITIVE, INCIDENTAL, CONSEQUENTIAL OR EXEMPLARY DAMAGES IN CONNECTION WITH OR ARISING OUT OF TI RESOURCES OR USE THEREOF, AND REGARDLESS OF WHETHER TI HAS BEEN ADVISED OF THE POSSIBILITY OF SUCH DAMAGES. You agree to fully indemnify TI and its representatives against any damages, costs, losses, and/or liabilities arising out of your noncompliance with the terms and provisions of this Notice. This Notice applies to TI Resources. Additional terms apply to the use and purchase of certain types of materials, TI products and services. These include; without limitation, TI s standard terms for semiconductor products http://www.ti.com/sc/docs/stdterms.htm), evaluation modules, and samples (http://www.ti.com/sc/docs/sampterms.htm). Mailing Address: Texas Instruments, Post Office Box 655303, Dallas, Texas 75265 Copyright 2018, Texas Instruments Incorporated