电子工程师(嵌入式)笔试试题及答案

电子工程师(嵌入式)笔试试题及答案一、基础知识（共30分）1.（2分）TTL电平与CMOS电平的主要区别是：A.逻辑高电平阈值不同B.驱动能力不同C.电源电压范围不同D.以上都是答案：D2.（3分）简述555定时器构成多谐振荡器时，其输出频率的计算公式，并说明影响占空比的关键元件。答案：频率公式f=1/[ln(2)×C×(R1+2R2)]，其中R1为充电电阻，R2为放电电阻，C为定时电容。占空比由R1和R2的比值决定，占空比D=(R1+R2)/(R1+2R2)。3.（5分）ARMCortex-M3内核中，NVIC（嵌套向量中断控制器）的中断优先级分组寄存器（AIRCR）有几位用于抢占优先级？几位用于子优先级？若配置为3位抢占优先级，最多可支持多少个不同的抢占优先级等级？答案：Cortex-M3的AIRCR寄存器使用4位（bit10~bit13）定义优先级分组，其中高n位为抢占优先级，低(4-n)位为子优先级（n=0~4）。当配置为3位抢占优先级时，抢占优先级等级数为2³=8个（0~7）。4.（5分）在嵌入式系统中，什么是“内存映射IO”？简述其与“独立IO”的区别及优缺点。答案：内存映射IO将外设寄存器地址映射到内存地址空间，CPU通过访问内存指令（如LOAD/STORE）操作外设；独立IO使用专用IO指令（如IN/OUT）访问外设。内存映射IO的优点是简化指令集（无需专用IO指令）、便于使用指针操作外设；缺点是占用内存地址空间，可能导致地址冲突。独立IO的优点是IO地址与内存地址分离，地址空间更大；缺点是需要专用指令，增加CPU设计复杂度。5.（5分）简述I2C总线的“仲裁”机制。当两个主设备同时发起通信时，如何确定总线控制权？答案：I2C仲裁通过SDA线的“线与”特性实现。主设备在发送数据时会检测SDA线的实际电平，若自身发送的高电平被其他主设备拉低，则判定仲裁失败，退出总线控制。仲裁过程发生在地址位或数据位的传输阶段，优先级由发送的二进制序列决定（低电平优先级更高）。6.（10分）分析以下C语言代码的输出结果，并解释原因：```cinclude<stdio.h>typedefstruct{chara;intb;shortc;}TestStruct;intmain(){TestStructs={'A',0x12345678,0x9ABC};charp=(char)&s;printf("0x%02X,0x%02X,0x%02X\n",p[0],p[4],p[8]);return0;}```（假设系统为32位小端模式，结构体对齐规则为4字节对齐）答案：输出为0x41,0x78,0x00。解析：结构体TestStruct的布局受4字节对齐影响：-chara（1字节）占0x00；-intb（4字节）需对齐到4字节边界，因此从0x04开始，存储0x78（小端模式，低位在前）、0x56、0x34、0x12；-shortc（2字节）从0x08开始，存储0xBC、0x9A；-结构体总大小为12字节（0x00~0x0B），0x01~0x03为填充字节（值为0）。因此p[0]是a的值0x41（'A'的ASCII码），p[4]是b的最低字节0x78，p[8]是c的最低字节0xBC？不，等一下，shortc的地址是0x08，小端模式下short0x9ABC存储为0xBC（0x08）、0x9A（0x09），所以p[8]是0xBC？但原题中printf的p[8]对应的是结构体第9个字节（从0开始计数），即0x08地址。但原结构体对齐后，chara（0x00），填充0x01-0x03（3字节），intb（0x04-0x07），shortc（0x08-0x09），所以结构体总大小是10字节？但4字节对齐要求结构体总大小为4的倍数，因此填充0x0A-0x0B（2字节），总大小12字节。此时p[0]是0x41（a），p[4]是b的第0字节（小端，0x78），p[8]是c的第0字节（0xBC）。但原题中printf的格式是p[0],p[4],p[8]，所以正确输出应为0x41,0x78,0xBC？可能我之前分析有误，需要重新核对：结构体成员对齐规则：-chara（1字节）：偏移0，占用0；-intb（4字节）：需对齐到4的倍数，因此偏移4（0x04），占用4-7；-shortc（2字节）：需对齐到2的倍数，偏移8（0x08），占用8-9；-结构体总大小：9+（4-9%4）=12字节（填充到12）。因此各成员地址：a:0→p[0]=0x41；b:4-7→小端存储0x78（4）、0x56（5）、0x34（6）、0x12（7）；c:8-9→小端存储0xBC（8）、0x9A（9）；所以p[4]是0x78，p[8]是0xBC。原题中printf的输出应为0x41,0x78,0xBC。可能之前的错误在于对short存储的误解，正确答案应为此。二、硬件设计（共30分）7.（8分）图1为某MCU的3.3V电源滤波电路（图中C1=10μF，C2=100nF，C3=100pF），指出设计中的不合理之处，并说明改进方法。（注：图中C1靠近电源入口，C2、C3并联后靠近MCU电源引脚，三者共地）答案：不合理之处及改进：（1）大容量电容（C1）未串联ESR（等效串联电阻）抑制谐振。10μF电解电容的ESR过低，可能与PCB寄生电感形成低阻尼谐振，导致电源噪声增大。改进：可串联1Ω~10Ω电阻或选用高ESR的电容。（2）高频滤波电容（C3=100pF）容值过小，对MCU内部高频开关噪声（如100MHz以上）滤波效果不足。改进：增加1nF~10nF的陶瓷电容（如C3=1nF），覆盖10MHz~1GHz频段。（3）共地方式可能引入地弹噪声。C1、C2、C3的地引脚应通过独立过孔连接到电源地平面，避免串联接地导致噪声耦合。改进：采用星型接地，每个电容的地直接连接到地平面。8.（10分）设计一个基于LM35（温度传感器，输出10mV/℃）的温度采集电路，要求：-输入范围：-20℃~120℃（对应输出0~3.3V）；-使用OP07运放（单电源供电，输入电压范围0~Vcc）；-画出原理图并标注关键元件参数（包括放大倍数、偏置电压计算）。答案：（1）LM35输出范围：-20℃→-200mV，120℃→1200mV。（2）需将双极性输入转换为单极性输出（0~3.3V），采用加法放大电路：输出Vout=A×(V_LM35+V_bias)，其中A为放大倍数，V_bias为偏置电压。（3）当V_LM35=-200mV时，Vout=0V；当V_LM35=1200mV时，Vout=3.3V。列方程：0=A×(-200mV+V_bias)3.3V=A×(1200mV+V_bias)解得：V_bias=200mV，A=3.3V/(1400mV)=2.357。（4）电路设计：使用同相放大器，R1=10kΩ，R2=R1×(A-1)=10k×1.357≈13.57kΩ（取13.7kΩ）；偏置电压由电阻分压提供，V_bias=Vcc×(R4)/(R3+R4)，取Vcc=5V，R3=20kΩ，R4=5kΩ，则V_bias=5V×5k/(20k+5k)=1V（需调整，实际应取200mV，因此R3=40kΩ，R4=10kΩ，V_bias=5V×10k/(40k+10k)=1V？这不对，需要重新计算。正确的偏置电压应为200mV，因此分压电阻应取R3=24kΩ，R4=6kΩ（24+6=30k，5V×6k/30k=1V，还是不对）。正确方法是使用运放构成电压跟随器提供200mV偏置，例如通过R5=100kΩ和R6=25kΩ分压5V得到1V，再通过R7=8kΩ和R8=2kΩ分压得到200mV（1V×2k/(8k+2k)=200mV），然后将该偏置电压通过电阻注入同相端。最终原理图应包含LM35、OP07运放、偏置分压网络、反馈电阻（R1=10k，R2=13.7k），并确保输入共模电压不超过OP07的范围。9.（12分）某PCB设计中，MCU的UART_TX（3.3VCMOS）通过0.5m排线连接到外部RS232模块，实测通信时误码率高达30%。请分析可能的原因（至少5点），并提出对应的解决措施。答案：可能原因及措施：（1）信号衰减：0.5m排线的寄生电容（约50pF/m）导致高频成分衰减，上升沿变缓。措施：增加终端匹配电阻（如33Ω串联在TX端），或使用差分传输（如改用RS485）。（2）噪声干扰：排线未屏蔽，空间电磁干扰（如开关电源）耦合到信号线上。措施：使用屏蔽排线（屏蔽层单端接地），或在TX端加RC滤波（如100Ω+100pF）。（3）电平不匹配：RS232模块输入阈值（-3V~+3V）与3.3VCMOS（高电平>2V）不兼容，导致接收端误判。措施：增加MAX232电平转换芯片，将3.3VCMOS转换为RS232标准电平（-10V~+10V）。（4）地电位差：MCU与RS232模块共地不良，存在地环路电压（如2V），导致信号基准偏移。措施：使用隔离电源（如DC-DC隔离模块）或光耦隔离（如6N137）。（5）波特率过高：排线的传输延迟（约2.5ns/m）导致信号建立时间不足。措施：降低波特率（如从115200bps降至9600bps），或检查MCU的UART时序配置（如调整采样点）。三、软件编程（共40分）10.（10分）用C语言编写一个函数，实现对16位无符号整数的二进制位逆序（例如输入0x1234（0001001000110100），输出0x8C48（0100001101001000））。要求：-不使用库函数（如bitrev）；-至少两种不同的实现方法（给出代码）。答案：方法一（分治交换法）：```cuint16_treverse_bits(uint16_tx){x=((x&0x5555)<<1)|((x&0xAAAA)>>1);//交换相邻1位x=((x&0x3333)<<2)|((x&0xCCCC)>>2);//交换相邻2位x=((x&0x0F0F)<<4)|((x&0xF0F0)>>4);//交换相邻4位x=((x&0x00FF)<<8)|((x&0xFF00)>>8);//交换高8位和低8位returnx;}```方法二（循环移位法）：```cuint16_treverse_bits(uint16_tx){uint16_tresult=0;for(inti=0;i<16;i++){if(x&1){result|=(1<<(15-i));}x>>=1;}returnresult;}```11.（15分）基于STM32F103（Cortex-M3），编写一段代码实现以下功能：-使用TIM2的PWM模式驱动LED（PA0），频率1kHz，占空比从0%线性增加到100%，周期为2秒；-要求使用定时器中断实现占空比调节，不使用DMA；-给出寄存器配置步骤及关键代码（需注释）。答案：（1）寄存器配置步骤：①使能GPIOA和TIM2时钟（RCC->APB2ENR|=RCC_APB2ENR_IOPAEN；RCC->APB1ENR|=RCC_APB1ENR_TIM2EN）；②配置PA0为复用推挽输出（GPIOA->CRL&=~0xF;GPIOA->CRL|=0xB）；③配置TIM2时基单元：预分频器PSC=7199（72MHz/7200=10kHz），自动重装值ARR=9（10kHz/10=1kHz），因此TIM2->PSC=7199；TIM2->ARR=9；④配置PWM模式（通道1）：TIM2->CCMR1|=TIM_CCMR1_OC1M_2|TIM_CCMR1_OC1M_1;//模式1（高电平有效），TIM2->CCER|=TIM_CCER_CC1E;//使能输出；⑤配置定时器中断：设置更新中断（TIM2->DIER|=TIM_DIER_UIE），NVIC使能TIM2中断（NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn)）；⑥启动TIM2（TIM2->CR1|=TIM_CR1_CEN）。（2）关键代码：```cvolatileuint16_tduty_cycle=0;volatileuint16_tstep=5;//每次中断增加的步数（总2秒=2000ms，1kHz=1ms周期，共2000次中断，100%/2000=0.05%/次，取step=5对应0.5%）voidTIM2_IRQHandler(void){if(TIM2->SR&TIM_SR_UIF){//检测更新中断TIM2->SR&=~TIM_SR_UIF;//清除中断标志duty_cycle+=step;if(duty_cycle>1000){//100%对应ARR=9，占空比=CCR/ARR100，因此CCR=9(duty_cycle/1000)duty_cycle=0;}TIM2->CCR1=(duty_cycle9)/1000;//更新比较值}}intmain(void){//时钟配置（假设已配置为72MHz）RCC->APB2ENR|=RCC_APB2ENR_IOPAEN;RCC->APB1ENR|=RCC_APB1ENR_TIM2EN;//GPIO配置GPIOA->CRL&=~(0xF<<0);//清除PA0配置GPIOA->CRL|=(0xB<<0);//复用推挽输出，50MHz//TIM2时基配置TIM2->PSC=7199;//72MHz/(7199+1)=10kHzTIM2->ARR=9;//10kHz/(9+1)=1kHzTIM2->EGR|=TIM_EGR_UG;//重新加载预分频值//PWM模式配置（通道1）TIM2->CCMR1|=(TIM_CCMR1_OC1M_2|TIM_CCMR1_OC1M_1);//模式1（高电平有效）TIM2->CCMR1|=TIM_CCMR1_OC1PE;//预装载使能TIM2->CCER|=TIM_CCER_CC1E;//输出使能//中断配置TIM2->DIER|=TIM_DIER_UIE;//使能更新中断NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn,2);NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);//启动定时器TIM2->CR1|=TIM_CR1_CEN;while(1){//主循环可添加其他任务}}```12.（15分）在FreeRTOS系统中，设计一个任务间通信方案，实现以下需求：-任务A（高频采集）每10ms采集一次ADC数据（12位，0~3.3V）；-任务B（数据处理）每100ms处理一次最新的5个ADC采样值（计算平均值）；-要求：①任务A与任务B通过队列通信；②避免数据丢失（即使任务B处理延迟）；③给出队列结构体定义、任务函数伪代码及关键API调用。答案：（1）队列结构体定义：```ctypedefstruct{uint16_tadc_value;//12位ADC值TickType_ttimestamp;//采样时间戳}AdcSample;```队列创建：`QueueHandle_txAdcQueue=xQueueCreate(5,sizeof(AdcSample));`（队列深度5，避免任务B处理不及时时数据溢出）。（2）任务A（采集任务）伪代码：```cvoidvAdcTask(voidpvParameters){AdcSamplesample;constTickType_txDelay=pdMS_TO_TICKS(10);//10ms周期while(1){sample.adc_value=HAL_ADC_GetValue(&hadc);//读取ADC值sample.timestamp=xTaskGetTickCount();//发送数据到队列（覆盖旧数据，若队列满则覆盖最旧数据）xQueueOverwrite(xAdcQueue,&sample);vTaskDelay(xDelay);}}```（3）任务B（处理任务）伪代码：```cvoidvProcessTask(voidpvParameters){AdcSamplesamples[5];uint16_tsum=0;constTickType_txDelay=pdMS_TO_TICKS(100);//100ms周期while(1){sum=0;//读取队列中最新的5个样本（若不足则等待）for(inti=0;i<5;i++){if(xQueueReceive(xAdcQueue,&samples[i],pdMS_TO_TICKS(10))!=pdPASS){//处理超时（数据不足）break;}sum+=samples[i].adc_value;}if(i==5){floataverage=(sum/5.0)3.3/4095.0;//转换为电压值//输出或存储平均值}vTaskDelay(xDelay);}}```（4）关键API说明：-`xQueueCreate()`：创建队列，深度5以缓冲数据；-`xQueueOverwrite()`：任务A发送数据时，若队列满则覆盖最旧数据，确保任务B总能获取最新数据；-`xQueueReceive()`：任务B阻塞接收数据，超时时间10ms（避免长时间等待）。四、综合应用（共20分）13.（20分）设计一个基于STM32的温湿度监控系统，要求：-传感器：DHT11（单总线，输出温湿度数据，精度±1℃/±5%RH）；-显示：OLED（I2C接口，128x64像素）；-报警：当温度>30℃或湿度>80%RH时，蜂鸣器（有源，高电平触发）响5秒；