22物電科協軟件招新題學習流程

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題目簡介

使用stm32驅動單一ws2812b燈珠實現呼吸燈效果，驅動及實現方法不限

演示效果

快速入門，在stm32核心板上點燈

單片機介紹

采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統
入門階段可以粗略的將其認為一個可以控制電路的小計算機
招新題所用的單片機型號為stm32f103c6t6，開發語言為c語言

前置軟件

• 組合一：stm32cubeide
• 組合二：stm32cubemx+keil5
• 可選軟件：flymcu

軟件介紹

• 32單片機程序編寫分為配置和寫程序，組合二中配置過程我們選擇stm32cubemx，這是一個可以圖形化配置軟件，比較直觀，不需要自己寫配置代碼，軟件會根據你的圖形配置自己生成，寫程序采用keil5，這是一個面向單片機C語言軟件開發系統，集成了完善的開發環境，使用時需要破解。
• 組合一中的cubeide則集成了兩個功能，具有圖形化配置界面，配置生成的代碼可以直接開始編寫，較為方便，缺點是使用非官方的stlink燒寫程序較為麻煩，下面的教程的環境均為stm32cubeide。
• flymcu為一款串口燒錄軟件，如果同學們選擇串口燒錄則可以選擇下載這個軟件。
• cubeide官網 https://www.st.com/zh/development-tools/stm32cubeide.html
  cubemx官網 https://www.st.com/en/development-tools/stm32cubemx.html
  flymcu與keil5群文件

程序燒錄

這里介紹的是編寫好程序后的燒寫方式，可以先學習完程序的編寫再學習如何燒寫
燒寫/燒錄是指將我們在電腦上寫的程序寫入我們的單片機，從而讓單片機可以執行我們的程序

燒寫工具

• USB轉TTL
  
• 正版stlink
  
• 盜版stlink
  
  淘寶購買即可

燒寫方法

• 使用正版stlink下載,寫完程序并連接好單片機后點擊run即可
• 使用盜版stlink下載（在keil5上可以直接使用（應該），在cubeide上如果點擊run后顯示需要更新固件，要先把stlink與單片機斷開，然后open upgrade mode 進行更新，如果報錯就refresh一下再次更新，直到下方出現進度條開始更新，更新完畢即可，然后再連接單片機，此時就可以正常下載程序了）
• 使用串口下載，首先確定代碼生成的hex文件，cubeide可以點擊工程屬性>c/c++ build>setting>MCU Post build outputs>打鉤生成hex，然后單片機需要接usb轉TTL，RX接PA9,TX接PA10,5V，gnd分別與單片機5v，gnd燒錄前將boot0接為1，然后使用flymcu下載，flymcu下方編程到flash時寫入選項字節取消打鉤，然后開始編程，燒錄成功后將boot0改為0即可

開始點燈

配置程序

這一部分網上也有很多教程，這里提供的是我的配置過程，更詳細的也可以參考其他教程，這里提供一個博客

1. 打開軟件，建立一個新的工程
   選擇Flie》new》stm32 project (qq截圖不了這個地方，自己找一下這幾個的位置)
2. 選擇我們的單片機型號
   
   然后點擊next
3. 填入我們工程的名字
   建議用英文，防止可能出現的路徑錯誤，工程地址可以自己修改，也可以使用默認
   
   然后直接點擊finish即可
4. 配置圖形化頁面
   
   這個就是我們的單片機芯片了，是一個很直觀的圖形頁面，可以自由拖動和配置，我們首先來配置單片機的時鐘
   
   將RCC配置為如圖所示，這里是使用的外部晶振，更加穩定
   
   將SYS配置為如圖所示，便于串口調試
   下面來配置IO口
   
   將PC13 設置為GPIO_Output，即輸出電平，這里就設計到我們點燈的原理了

點燈原理

在我們單片機上的led連接方法是這樣的，我們知道二極管具有單向導通性，而led也就是發光二極管也具有這樣的性質，因此，當led2為0v也就是接地時，led導通，燈亮，當led2為3.3V時，led兩端電壓一樣，不會導通，燈滅。而我們的GPIO_output正是可以控制輸出電壓，控制的方法就是控制高低電平，我們已經學過的C/C++，二進制是由0,1構成，而在32單片機中，0就代表0v，1就代表3.3V（有誤差），當我們把這個引腳設置為0時，led便會亮起。
5. 生成代碼
直接點擊保存或者ctrl+s即可，彈出窗口點解generation code

這里便是我們的主程序了
下面我們來嘗試按照我們上面的講解點亮這個led
6. 點燈
在main內找到while（1）循環，在前面寫上
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_13,GPIO_PIN_RESET)
這個函數使將我們的GPIO設置為某一電平，前兩個參數較容易理解，我們選的的是PC13，所以就是C13,第三個參數其實就是低電平

注意，程序一定要寫在注釋的begin與end之間，在這之外的都會被再次配置后的代碼覆蓋
下面我們燒寫程序觀察我們的核心板。
燒寫方法在上面

可以看到燈已經亮起
7. 讓燈閃爍起來
在我們的主程序中，有一個while(1){},我們學習c語言時，都是不會出現死循環的，但是在單片機中死循環是一個非常正常的事情，我們為了讓程序一直循環一直我們設定的東西。
于是我們在主程序中添加如下代碼

HAL_Delay();是延時程序，單位為ms，即讓程序延時1s，如此我們便知道，這個程序的含義是讓燈亮一秒滅一秒，并不停循環。
下面我們燒寫程序觀察我們的核心板

進階——產生一個pwm波

波/信號

下面討論的波/信號可以粗略的認為是電壓的變化，這種變化可以承載著信息的傳遞，比如我們上面提到的二進制，比如我們想用波傳遞一個數字六，六在二進制下是110，那我們可以讓波在兩個時間單位下為高電平，一個時間單位下為低電平，這樣就把信息傳遞了出去

pwm波的定義

PWM就是脈沖寬度調制，也就是占空比可變的脈沖波形。脈沖寬度調制是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。
可以簡單理解為一個只由高低電平組成的周期波形，高低電平的持續時間可調

pwm波圖示

根據上一節的知識，我們很容易知道ton指的就是高電平，toff就是指的低電平，而這樣一個pwm波有兩個參數是我們需要關注的，第一個是周期/頻率，高中知識我們可以知道周期就是頻率的倒數，即\(T={{1}\over{f}}\),而在圖示中，我們可以知道\(T=ton+toff\),而另一個參數叫做占空比，其定義是一個周期中高電平占整個周期的時間，即\(D={{ton}\over{ton+toff}}={ton \over T}\)

嘗試產生一個pwm波

在上一節的學習中，我們其實已經產生過一個pwm波，即讓燈閃爍的波，根據延時的時間，我們很容易知道這個pwm波的占空比為\(50\%\),周期為\(2s\),頻率為\(0.5HZ\)
下面我們將嘗試產生兩個不同方法下的pwm波，第一個是基于上一種方法使led有呼吸的效果，第二個是使用定時器產生更為精準的pwm波，并為招新題做好基礎。

呼吸燈的定義與實現方法

原理

呼吸燈是指燈光在微電腦的控制之下完成由亮到暗的逐漸變化，感覺好像是人在呼吸。
舉個不太恰當的例子，在生活中有一種可以發光的熒光棒，快速揮舞便可以看出圖案，這個的原理是利用人的視覺暫留，基于人眼的分辨率不超過\(60HZ\)。而呼吸燈的實現也有類似的地方，如果我們以比較高頻率的pwm波驅動led，那么led的閃爍頻率就會高于我們人眼的分辨率，這樣人眼看起來led就不會閃爍，是一直亮的，但是亮與亮之間也有不同。很顯然，占空比90%和占空比10%的燈肯定是前者更亮一點，因為亮的時間更長一點，于是我們就可以利用這個實現呼吸燈——改變pwm的占空比。

實現

將主函數中的while(1)循環修改為

此流程介紹中均不會涉及c語言語法講解，若對循環判斷函數等有疑惑可以自行查閱課本及線上教程，這里提供一個較為全面的線上教程https://www.runoob.com/
根據上面的學習與上一節led原理，我們知道當引腳輸出為低電平時led才會亮，因此占空比低時led亮，占空比高是led暗，因此循環中的兩個for循環可以很容易知道分別是從暗到亮與從亮到暗，因為HAL_Delay中的參數單位是ms，因此這個pwm的周期為20ms，即50hz，這里沒有超過60hz是因為HAL_Delay的分辨率不足的原因，無法實現ms級以下延時，在下面的討論中我們會學習更為精準且分辨率更高的延時。下面是延時效果(手機拍攝效果不佳)

使用定時器產生一個pwm波

定時器介紹

定時器最基本的功能就是定時處理事情。比如定時發送USART數據、定時采集AD數據、定時檢測IO口電位、還可以通過IO口輸出波形等。可以實現非常豐富的功能。定時器是一個很強大的外設，不同行業使用的方式不同，知識面很廣。
可以簡單理解為秒表，鬧鐘，倒計時等等等。

利用stm32自帶的pwm功能產生一個波形

定時器的使用這里暫時不會用到，只講如何使用定時器的pwm輸出產生波形，想學習的同學可以自行查閱資料配置學習，這里提供一個講解定時器的博客

1. 首先打開我們的圖形化配置界面
   
2. 修改單片機時鐘頻率
   
   圈出地方本來值應該為8，直接修改為72然后點回車確定即可，這個頁面配置的是單片機各個模塊的工作頻率，這里修改的原因是提高定時器的能力，下面也會講這個值對定時器的影響
3. 選擇定時器的輸出
   
   注意選擇PWM Generation，不要選擇錯了
4. 修改定時器的預分頻系數與計數周期
   
   有關于這里數值選擇與計算，這里提供一個講解的博客
   這里也簡單講一下pwm頻率的計算，在第二步的時鐘樹頻率修改，我們可以看到修改后
   APB1 Timer的值為72M，這里就是我們定時器的總頻率
   
   而參數一Prescaler便是對這個值的預分頻，如果將這個設為71，那么定時器的頻率就會變成\(72M/(71+1)=1M\),即1MHZ，參數二Counter Period是自動重裝值，即計數到多少時自動重新計數，也可以理解為計數周期，將這個地方設置為999，則定時器的頻率就會變成\(1M/(999+1)=1K\)，即1KHZ,這里兩個值都加一是因為單片機定時器計數的方式決定的，類似于for循環中的開區間，對這里理解有困難的同學可以參考上面的博客，也可以先暫且記住，在以后的學習中逐漸理解。
5. ctrl+s保存配置并更新代碼
6. 修改主函數
   
   這里的函數HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_1);是打開pwm的輸出，將Start改為Stop即為關閉，函數內的參數與之前的配置相對應。
   這里的函數__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, 500);是修改pwm的占空比，初始值為0，所以這里要修改，也可以在之前配置的下方的pusle處修改，注意第三個參數是高電平的持續時間，是與計數周期相對比，因此不能大于1000，此時占空比易知\(D={500 \over 1000}*100\%=50\%\)
   修改占空比的函數可以在程序內任意地方執行，因此同學們可以嘗試利用這個函數實現呼吸燈
7. 燒寫程序，使用示波器觀察
   這里我們的pwm輸出口在圖形化配置界面中有，是PAB
   有關于示波器的使用這里不會涉及，如果在宿舍想測試可以買一個小蜂鳴器或者喇叭，在下面的內容會簡單說一下去年招新題的內容，就是用pwm驅動喇叭
   
   可以看到這個pwm的占空比為50%，左上角頻率為1KHZ

利用pwm波產生七個音符

我們知道聲音是有頻率的，而我們使用的發聲器件喇叭或者無源蜂鳴器便是使用信號驅動的。如果我們用不同頻率的pwm波驅動喇叭或者蜂鳴器就會發出不同的聲音，下面是C調的七音符對應的頻率

下面是有關這個題的一些點

• 這里占空比對聲音的音調沒有影響，因此默認為50%。
• 去年的招新題是利用七個按鍵控制喇叭發出七種音符，如何用按鍵控制這里暫且不會涉及，可以自行查閱GPIO_Input的使用。
• 需要注意的是，核心板帶載能力有限，喇叭建議一邊接電源一邊接pwm輸出口，或者連接功放或者三極管，或者使用帶有供電端的無源蜂鳴器。
• 因為這個是去年的招新題，因此此處不做演示，有興趣的同學可以自行制作。
• 下面提供的是小星星的簡譜
  

進進階，點亮N個WS2812燈珠

WS2812燈珠介紹

WS2812B是一款智能控制LED光源,控制電路和RGB芯片集成在一個5050個組件的封裝中。

原理

ws2812有四個腳，一對供電腳與數據輸入DIN與數據輸出DOUT

控制方式為總線控制。
我們知道，顏色的表示方法有很多種，我們這里需要用到的有兩種，第一種是RGB表示，第二種是HSV表示，這里先介紹RGB表示
RGB分別表示RED，GREEN,BLUE,三個的值都在0-255之間，不同的取值對應不同的顏色，類似于美術中的三原色混合，如果我們想表示一個紅色，那么rgb的值就是255,0,0。
而ws2812的控制就是基于rgb值的控制，每一次傳輸24位數據，從前向后每8位分別是G,R,B，8位也正好是rgb的范圍，因此我們想傳輸紅色的值就是00000000 11111111 00000000.
如果我們想要驅動多個ws2812產生不同的顏色，就需要讓其級聯，將第一個的DOUT連接第二個的DIN，因為ws2812的數據傳輸原理，就像切蛋糕一樣，每次經過一個就會切去一片，我們傳輸一個48位的數據，前24位進入第一個燈珠然后切去，后24位就會進入第二個燈珠

在單片機上的實現

原理

這里使用的方法是PWM+DMA傳輸，也有SPI和直接延時等方法，方法不唯一，有興趣的同學可以自行查閱資料
首先我們要確定的是，WS2812的0與1實現方式，與之前點燈時的01不同，燈珠的01碼是根據占空比來判斷的
可以看到，1碼的占空比高，0碼的占空比低，下面是具體的參數范圍

正是因為這種特性，我們才選用pwm的傳輸方式，下面我們來進行一個簡單的計算

如果我們將預分頻設為0，自動重載值設為89，那么pwm的頻率就是\({72M \over {(0+1)*(89+1)}}=800K\),當我們把高電平比較值設置為61時，高電平持續時間就為\({61 \over (89+1)}*{1 \over 800K}=847us\),當我們把高電平比較值設置為28時，高電平持續時間就為\({28 \over (89+1)}*{1 \over 800K}=388us\),兩個高電平持續時間正好滿足1碼與0碼的高電平的范圍，同理，可以計算出低電平的值也符合，因此，我們按照之前學習的方法控制單片機產生這兩種占空比不同的pwm波，就可以傳輸數據

但是，這樣是比較麻煩的實現，并且會有一定的延時，針對這種問題，32單片機提供了一種數據搬運的方法，DMA傳輸

DMA傳輸

介紹

DMA(Direct Memory Access，直接存儲器訪問) 是所有現代電腦的重要特色，它允許不同速度的硬件裝置來溝通，而不需要依賴于 CPU 的大量中斷負載。DMA 傳輸將數據從一個地址空間復制到另外一個地址空間。當CPU 初始化這個傳輸動作，傳輸動作本身是由 DMA 控制器來實行和完成。典型的例子就是移動一個外部內存的區塊到芯片內部更快的內存區。像是這樣的操作并沒有讓處理器工作拖延，反而可以被重新排程去處理其他的工作。DMA 傳輸對于高效能 嵌入式系統算法和網絡是很重要的。
這里我們只要了解如何使用與配置方法即可

配置與程序

1. 首先按照上面所說配置預分頻與重載值
   
2. 按照下圖配置DMA
   
   點擊ADD添加DMA，然后選擇通道并如圖配置即可（注意dma的方向是內存到外設，需要更改）
   有關如此配置的含義，有興趣的同學可以自行查找資料，這里提供了一個博客
3. 配置工程生成單獨.c/.h文件
   
   這樣配置的目的是為了我們下面代碼的結構
4. ctrl+s保存并更新代碼
5. 在工程的文件結構中添加兩個文件
   
   添加方式為右鍵創建一個文本文檔，并將原本的文件名XX.TXT改為ws2812.c/ws2812.h(不顯示后綴自行搜索如何顯示后綴)
6. 在我們的cubeide中打開這兩個文件，并寫入如下代碼（已經掌握原理的同學可以根據下面的講解自行寫，這里僅作為參考）

//ws2812.c
#include "ws2812.h"
unsigned char color_data[24*led_num+4];//實際GRB數據
void show()
{
	HAL_TIM_PWM_Start_DMA(&htim1,TIM_CHANNEL_1,(uint32_t *)(&color_data),sizeof(color_data));
}
void color_set(unsigned short int index,unsigned char r,unsigned char g,unsigned char b)
{
	unsigned char j;
	if(index >led_num)
		return;
	for(j = 0; j < 8; j++)
	{
		color_data [24 * index + j+3]        = (g & (0x80 >> j)) ? bit1 : bit0;  //G 將高位先發
		color_data [24 * index + j + 8+3]    = (r & (0x80 >> j)) ? bit1 : bit0;  //R將高位先發
		color_data [24 * index + j + 16+3]   = (b & (0x80 >> j)) ? bit1 : bit0;  //B將高位先發
	}
}
void hsv_to_rgb(int h,int s,int v,float *R,float *G,float *B)
{
    float C = 0,X = 0,Y = 0,Z = 0;
    int i=0;
    float H=(float)(h),S=(float)(s)/100.0,V=(float)(v)/100.0;
    if(S == 0)
        *R = *G = *B = V;
    else
    {
        H = H/60;
        i = (int)H;
        C = H - i;
        X = V * (1 - S);
        Y = V * (1 - S*C);
        Z = V * (1 - S*(1-C));
        switch(i){
            case 0 : *R = V; *G = Z; *B = X; break;
            case 1 : *R = Y; *G = V; *B = X; break;
            case 2 : *R = X; *G = V; *B = Z; break;
            case 3 : *R = X; *G = Y; *B = V; break;
            case 4 : *R = Z; *G = X; *B = V; break;
            case 5 : *R = V; *G = X; *B = Y; break;
        }
    }
    *R = *R *255;
    *G = *G *255;
    *B = *B *255;
}

//ws2812.h
#ifndef WS2812
#define WS2812
#include "tim.h"
#define bit1               61            //1碼比較值為61-->850us
#define bit0               28            //0碼比較值為28-->400us
#define led_num			    6             //燈的數量
void color_set(unsigned short int index,unsigned char r,unsigned char g,unsigned char b);
void show(void);
void hsv_to_rgb(int h,int s,int v,float *R,float *G,float *B);
#endif

下面來解釋代碼內容

• 首先，創建這兩個文件的目的是為了將對顏色的控制封裝在一起，然后在主函數中調用，從而讓整個代碼結構更加簡潔明了
• 然后來看.h文件，頭文件tim.h是因為這里要用定時器，所以要引用這個，前兩行的作用是為了重復引用。然后是宏定義部分，比較明了，是前面講的部分。然后是一個數組，這個數組就是數據傳輸的數組，我們知道每個燈有24位，所以是led_num*24，而這里加4是為了讓程序運行更加穩定，開始三位為0，代表reset碼，清除之前的顏色，最后一位為0，代表控制顏色結束，所以是3+1=4，多了四位。下面的是函數的定義，這里的hsv_to_rgb暫且不講，是呼吸燈用到的內容
• 最后來看.c文件，show()函數便是傳輸數據，用DMA的方式傳輸，數組中的值代表的就是pwm的比較值，比如數組中是0，0,0,61,28,61,61,28……，那么就是傳輸的10110……。下面的color_set()便是對顏色的修改，這里三目運算符與二進制運算的使用留給同學們自己研究，可以檢驗一下自己c語言學習是否清除扎實

7. 修改主函數的內容
   
   調用我們之前寫的庫，注意寫在注釋的begin與end之間
   
   控制第一個燈為紅色，注意這里傳入的值0為第一個，以此類推，同時，color_set并不會使燈的顏色修改，必須要在后面加上show()才能傳輸
8. 燒寫程序并觀察
   這里效果可以參考文章最開始的效果，這里也附上文章開始的gif程序實現

	  for(int i=1;i<=6;i++){
		  color_set(i-1,i*50,0,255);
		  show ();
		  HAL_Delay (500);
		}
	  for(int i=1;i<=6;i++)
		  color_set(i-1,255,0,255);
	   show ();
	   HAL_Delay (500);
	   for(int i=1;i<=6;i++)
		color_set(i-1,0,255,255);
	   show ();
	   HAL_Delay (500);
	   for(int i=1;i<=6;i++)
		color_set(i-1,255,255,0);
	   show ();
	   HAL_Delay (500);

呼吸燈的實現

原理

根據之前的學習，我們有一種方式使燈珠產生呼吸的效果，即不停地對燈珠進行點亮與reset，控制明暗產生呼吸的效果，同學們可以自行嘗試這種方法。下面介紹的是另一個較為簡單的方法，利用顏色的HSV值

HSV

HSV（Hue, Saturation, Value）是根據顏色的直觀特性由 A. R. Smith 在 1978 年創建的一種顏色空間, 也稱六角錐體模型（Hexcone Model）。這個模型中顏色的參數分別是色調（H）、飽和度（S）和明度（V）。
因此，我們可以通過控制V的值來實現顏色的明暗變化，這里也很好理解，顏色本來就有明暗之分，比如亮紅與暗紅。

HSV與RGB的轉換

下面提供的是HSV向RGB的轉換公式

根據轉換公式，我們便得到了之前提到的hsv_to_rgb函數
參數的范圍h(0~360),s(0~100),v(0~100)

修改主函數實現呼吸燈

這里HAL_Delay的目的是降低呼吸頻率，可以計算得到這個程序的呼吸時間為1.2s

燒寫程序觀察

這里也提供了一個常見顏色對照表,同學們可以選擇喜歡的顏色實現呼吸燈的效果

結語

本次招新題的個人建議流程到這里也就結束了，主要是講了stm32的配置與pwm波的產生，具體實現細節還需要同學們實踐學習，有疑問的地方也歡迎提問。對于本題的發揮部分這里不做講解，同學們可以自行查閱資料學習，培養好的自學能力是大學生活很重要的一環，這里也提供幾個我大一學習時參考的博客。
串口收發
OLED配置
ADC采集