1 嵌入式技术入门-汽车转向灯设计

项目1嵌入式技术入门——汽车转向灯设计嵌入式技术及应用嵌入式技术入门——嵌入式智能小车转向灯的设计引导案例：嵌入式技术应用开发赛项是全国职业院校技能大赛中规模最大、规格最高的比赛之一。采用嵌入式智能小车为载体，重点考察嵌入式系统电路设计及应用、嵌入式微控制器技术及应用、传感器技术及应用、RFID技术及应用、无线传感技术及应用、移动互联网技术及应用、Android应用开发、机器视觉技术及应用、智能语音技术及应用、嵌入式人工智能与边缘计算技术应用等嵌入式技术核心知识和核心技能。本项目对嵌入式智能小车的二次开发，以嵌入式智能小车的转向灯、鸣笛控制为主要工作任务，作为嵌入式技术及应用的入门知识与技能。主要内容为：①嵌入式系统软件平台的搭建。②嵌入式硬件平台的构建与模拟。③能够编写转向灯、鸣笛的控制程序。2职业能力目标01任务描述与要求02任务分析03知识链接04任务准备05任务实施06任务小结07任务1嵌入式智能小车转向灯任务拓展083认识Cortex-M3嵌入式MCU；掌握MDK-ARM开发环境的搭建方法；掌握STM32CubeMX开发环境的搭建方法；掌握使用STM32CubeMX创建工程和生成代码的方法。能使用STM32CubeMX和MDK-ARM软件，正确搭建STM32的开发环境；能熟练使用STM32CubeMX创建工程和生成代码。职业能力目标01知识目标技能目标4任务描述：设计LED转向灯、鸣笛的硬件电路，并编写控制程序。LED转向灯的闪烁频率为2Hz，蜂鸣器的鸣叫频率为5Hz。系统硬件部分的主控芯片为STM32F407ZET6。采用C语言编程，能够通过按键开启或关闭转向灯，按下按键蜂鸣器响，再次按下按键蜂鸣器停止鸣叫。任务要求：合理选择芯片并设计出原理图。编写出模块化程序，代码结构清晰，可读性、可维护性强。进行软硬件联合调试并实现功能。任务描述与要求025任务实施前，需要收集如下信息：LED转向灯驱动电路的工作原理信息。电路的电子元件参数信息。主控芯片的型号、工作电压和封装信息。编程软件和开发工具的获得方法。硬件、软件调试工具、仪表信息。LED转向灯的电路原理图如图1-1所示，嵌入式智能小车中的按键及蜂鸣器电路如图1-2所示。任务分析03图1-1LED转向灯控制电路图图1-2按键及蜂鸣器电路6任务分析03图1-1中，LED1～LED4分别连接到STM32F407的GPIOH口的H.12～H.15，以LEDD12为例，当H.12为高电平时，Q2导通，D12发光。H.12为低电平时，Q2截止，D12熄灭。蜂鸣器电路与此类似，SPK连接到STM32F407的GPIOH口的H.5，当H.5为高电平时，Q1导通，蜂鸣器BEEP1有电流流过，蜂鸣器发声，反之，当H.5为低电平，Q1截止时，BEEP1不发声。系统上电瞬间，H.5默认为高电平，为防止蜂鸣器鸣响，通过R26分压H.5电平。图1-2中，按键开关S1～S4分别连接到STM32F407的GPIOI口的I.4～I.7，可让I.4～I.7在上电初始时设置为高电平，当S1～S4有键按下时，按键控制程序识别到对应端口引脚为低电平，如不是系统干扰，即认为有键按下，可触发其他工作的开展。图1-1LED转向灯控制电路图图1-2按键及蜂鸣器电路7任务1让“芯”动起来职业能力目标01任务描述与要求02任务分析03知识链接04任务准备05任务实施06任务小结07任务拓展088信息技术的发展嵌入式系统入门知识STM32CubeMX下载与安装12知识链接03MDK-ARM的下载及安装345678ST-Link仿真器驱动程序安装串口调试软件的下载及安装STM32CubeMX软件的使用MDK-ARM软件的使用91.1.1信息技术的发展1计算机的诞生通用信息处理23人工智能10计算机的诞生历史上第一台“可编程”电子计算机ENIAC晶体管计算机

1946世界上第一台“冯

诺依曼体系结构”的计算机19491949第一个4位微处理器1971112.通用信息处理6521341964年，IBM研发System/360，向通用化方向发展70年代，计算机分为软件和硬件，分开售卖出现各种高级语言，形成软件系统出现操作系统、数据库互联网的发展物联网的发展12大型机、巨型机单纯的数值计算通用的信息处理硬件和软件高级编程语言操作系统和数据库计算机网络微型化、网络化嵌入式微处理器物联网（IoT）计算机处理能力不断提升2.通用信息处理13人工智能“深蓝”超级计算机战胜了国际象棋世界冠军，人工智能在特定领域可以达到甚至超越人类的水平。19361950195619972016阿兰

图灵提出了现代通用计算机的理论模型，即“图灵机”图灵发表了题为《机器能思考吗？》的论文，为人工智能的建立奠定了基础，提出了“图灵测试”正式提出了人工智能（ArtificialIntelligence，AI）这一概念基于深度学习的AlphaGo战胜了围棋世界冠军。14【案例分析1：智能手环】智能手环可以记录人们日常生活中的运动、睡眠、甚至饮食等实时数据，并将这些数据与手机、平板等设备同步，对采集的日常数据进行大数据分析，发挥指导健康生活的作用。小米FitbitFlex手环嵌入式系统概述15智能手环一般由微控制器、蓝牙模块、Wi-Fi电路、OLED显示屏、心率传感器、加速度传感器、锂电池等模块组成，实现显示时间、监测睡眠、运动等功能智能手环系统框图【案例分析1：智能手环】嵌入式系统概述16嵌入式系统概述四轴无人机及拆解电路【案例分析2：四旋翼无人机】17标号①：处理器，使用STM32系列，完成整个系统的控制；标号②：电源管理芯片，主要完成电池的管理；标号③：舵机控制部分，驱动无人机螺旋桨转动；标号④：射频电路，负责与遥控器之间的射频控制通信；标记⑤：指示灯，提示信号接收状态及电池情况。嵌入式系统概述【案例分析2：四旋翼无人机】18微控制器是控制系统的核心，负责飞行过程中的导航、通信、控制等核心任务，根据各传感器模块采集到的当前的飞行姿态和空间位置，计算相关的运动参数，将控制信号发送给机载执行机构从而改变无人机的位置和速度，同时保持飞行姿态的稳定。四旋翼无人机系统总体框图嵌入式系统概述【案例分析2：四旋翼无人机】191.2.1嵌入式系统案例分析嵌入式系统的共性特定的使用场合或工作环境，是某个大型系统的一部分，完成一个具体的功能，专用性强，应用于特定的平台。功能单一，模块的设计和实现较为简单。功耗低，且一般要求高实时性和高可靠性，系统程序一般都是固化在内存中，以提高运行速度和可靠性。人机交互界面简单开发时往往有上位机和下位机或主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。201.2.2嵌入式系统的概念泛在的嵌入式系统的定义：除通用PC机和服务器之外的一切计算机系统都可以叫嵌入式系统。典型应用产品有智能手机、工业机器人、无人机、无人驾驶汽车、心电监护仪、人工耳蜗等。国外定义：嵌入式系统是控制、监视或辅助设备、机器和车间运行的装置。行业内普遍认同的定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可剪裁，适合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统，用于对其他设备的控制、监视或管理等功能。21嵌入式系统概念及特点基本特点嵌入性嵌入到对象系统，满足对象系统的要求，如物理环境、电气环境。专用性量身定做，专用开发环境，专用开发工具计算机系统以计算机技术基础，光、机、电、算、软一体化，多学科融合223.嵌入式系统与物联网大量的传感器节点有线或无线网络大数据、云计算、模式识别等智能技术海量信息传输与交换分析、加工和处理使应用更加智能化、个性化物联网是互联网与嵌入式系统高度融合发展的产物，是互联网在应用上的拓展，是嵌入式技术在网络互连的延伸和应用。23【物联网的应用案例1：智能马桶】基本功能：加热、保温、杀菌、除臭、烘干；未来功能：通过物联网、大数据和人工智能可以对排泄物进行化验分析，并将分析结果实时传送给家庭医生，及时发现病情。3.嵌入式系统与物联网24【物联网的应用案例2：农业病虫害防治（精准农业）】3.嵌入式系统与物联网捕捉害虫啃噬农作物时的细微振动或昆虫翅膀的振动频率；上传并分析出昆虫的种类，判断其是否是害虫确认为害虫后，自动调用无人机去喷洒相应农药；25嵌入式系统概述想一想，你知道哪些处理器？嵌入式系统中的处理器可以分成四大类：1微处理器MPU2微控制器MCU3数字信号处理器DSP4片上系统SOC261.2嵌入式技术入门知识1常用名词通用信息处理23人工智能271.2.1MCU、MPU、ARM、FPGA、DSP的概念Renesas（瑞萨）NXP（恩智浦）Microchip（微芯）ST（意法半导体）Atmel（爱特梅尔）TI（德州仪器）Toshiba（东芝）Samsung（三星）宏晶、凌阳、新唐等80C51系列单片机、Atmel公司的AVR单片机、Microchip公司的PIC、TI公司的MSP430、ST公司的STM32系列、NXP公司的LPC1700系列芯片MicroControlUnit，嵌入式微控制器（俗称单片机），把CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、I/O、中断系统、定时器/计时器、各种功能外设等资源集成到一个芯片上的微型计算机系统28在主频、ROM大小及外设接口方面有了翻天覆地的变化典型应用产品工业控制器、智能手环、血糖仪、智能消费电子、家电等微控制器的发展8位机（51单片机）16位机（PIC、MSP430等）高性能的32位机（STM32、LPC2000等）应用领域和场合不断扩展和更新1.2.1MCU、MPU、ARM、FPGA、DSP的概念29MPUMicroProcessorUnit，微处理器。MPU是由通用计算机中的CPU（微处理器）演变而来，可以理解为增强版的CPU，即不带外围功能器件。一个嵌入式微处理器系统需要在MPU的基础上，添加外围电路和外部设备才得以构成。MPURAMROMFlash电源USBLCD键盘嵌入式微处理器系统Motorola的68K系列Intel的X86系列飞思卡尔的i.MX6TI公司的AM335XSamsung的S3C2410和S3C6410应用产品有智能手机、平板电脑、路由器、数码相机等1.2.1MCU、MPU、ARM、FPGA、DSP的概念30ARM是一家公司，也是一类技术和产品的统称。ARM公司设计的芯片主要涉及嵌入式移动设备领域，指令集更加紧凑简单，功耗和成本更低，在移动消费电子领域占据着很大的市场份额。ARMCortex-A15内核设计的芯片ARM公司目前主要授权三个系列的芯片设计——ARM9、ARM11和Cortex，涉及微控制器系列、微处理器系列以及更高端的产品系列。1.2.1MCU、MPU、ARM、FPGA、DSP的概念31体积小、功耗低、价格低廉MCU微控制器处理能力强，可扩展更大的内存空间，主频、功耗、体积及价格方面相对较高MPU微处理器搭载操作系统的MPU功能更为强大，人机界面更为人性化、美观化微波炉、智能手环以及电动车上的电机控制器等适用于功能单一、耗电量低、对价格敏感、便携式的、人机界面简单的产品应用。应用于功能多样、人机交互系统较为强大，对运算速度有较高要求的应用场合，比如多媒体设备1.2.1MCU、MPU、ARM、FPGA、DSP的概念32DSP两种含义DigitalSignalProcessing（数字信号处理），是用数值计算的方式对信号进行加工处理的理论和技术。DigitalSignalProcessor（数字信号处理器），是一种专用于数字信号处理领域的微处理器芯片，将数字信号处理算法用具体的器件实现。专用的硬件乘法器专门的DSP指令程序和数据分开存储的哈佛体系结构支持流水线操作允许取指令和执行指令同时进行提高了微处理器的速度，其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器。所采用的技术1.2.1MCU、MPU、ARM、FPGA、DSP的概念33应用于低端市场的，如TMS320C2000系列高端的DSP，如TMS320C5000/C6000系列TI（德州仪器）ADI（美国模拟器件）Motorola（摩托罗拉）Lucent（朗讯科技）Zilog（Z洛格）DSP芯片的主要厂商TI的典型产品数字信号处理领域，例如调制解调、数字加密解密、图像处理中的卷积、数字滤波、FFT、语音处理等数字信号处理的算法实现等主要应用DSP处理器1.2.1MCU、MPU、ARM、FPGA、DSP的概念34Field-ProgrammableGateArray，现场可编程门阵列。突出的优势：灵活性：可以现场配置器件功能，不再受硬件的制约；高性能（速度快）：FPGA用硬件处理数据，采用并发和流水两种技术，多个模块之间可以同时并行执行。FPGA逻辑单元触发器资源I/O引脚硬件描述语言硬件（芯片）任何数字器件的功能，上至复杂的CPU，下至简单的数字逻辑电路。1.2.1MCU、MPU、ARM、FPGA、DSP的概念35HDL/VHDL1.2.2MCU开发与ARM-Linux开发的区别开发主要涉及的内容：Linux内核与移植、Bootloader、Linux文件I/O、Linux多任务编程、Linux进程间通信、Linux多线程编程、Linux网络编程、Linux设备驱动编程、Android应用编程等。偏向软件，开发人员需具备数据结构、操作系统、计算机网络等相关理论知识和专业技能，在嵌入式开发领域里常称为软件开发工程师。开发主要涉及的内容有：体系结构与接口、指令系统、汇编语言、GPIO、定时器、A/D、I2C、SPI、Flash、LCD、SD卡等外设接口、RTOS、uC/OS-II嵌入式操作系。偏向硬件，开发人员需具备电子技术、微机原理等相关理论知识，掌握绘制电路板等专业技能，在嵌入式开发领域里一般常称为硬件开发工程师。MCU开发ARM-Linux开发361.2.3嵌入式技术中常见的术语1.封装封装是用塑料、金属或陶瓷材料等把集成电路封在其中。封装可以保护芯片，并使芯片与外部世界相连。常见的封装形式有：①通孔封装；②贴片封装。通孔封装中，常见有：①单列直插式；②双列直插式；③Z字形封装。贴片封装中，常见有：①小外形封装；②紧缩小外形封装；③四方扁平封装。371.2.3嵌入式技术中常见的术语2.PCB印制板也称为PCB板，是组装电子元件用的基板，是电路原理图的实物化。PCB板的主要功能：提供集成电路等各种电子元件固定、装配的机械支撑。图1-8所示为某款PCB板的实物。图1-8印制电路板381.2.3嵌入式技术中常见的术语3.ROM&RAMRAM是可读写的随机存储器，分为DRAM和SRAM两类。01DRAM特点：价格低，但控制烦琐，接口电路复杂。一般用于内存或显存。03SRAM显然速度快，不需要刷新的操作，但是也有缺点，就是价格高，体积大，所以在主板上还不能作为用量较大的主存。05DRAM：由一个MOS管组成一个二进制存储位，一般需要每隔一段时间就要控制刷新信息，给其充电。02SRAM：由四个或者六个MOS管构成一个二进制存储位。通电工作时，SRAM不用刷新，可以保存原有数据不变，一般用于CPU缓存。04ROM:数据可以读出，但不可以修改，所以称之为只读存储器。通常用来存储一些固定不变的信息如常数、程序等。06391.2.3嵌入式技术中常见的术语4.模拟量和开关量模拟量是指时间连续、数值也连续的物理量，如温度、压力、流量等。模拟量：控制量的大小是一个在一定范围内变化的连续数值。如，温度从0~500℃，压力从0~16MPa，液位从1~10m，电动阀门的开度从0~100%等，这些量都是模拟量。开关量是指一种二值信号，用两个电平分别表示两个逻辑值（0和1）。开关量：该控制量只有两种状态，如开关的断开和导通的状态，继电器的打开和闭合，电磁阀的通和断等。401.2.3嵌入式技术中常见的术语5.并行通信和串行通信并行通信是指数据的各位同时在多根数据线上进行传输的通信方式，数据的各位同时由源到达目的地。如8位、16位、32位等同时传输。串行通信是指数据在单线（高低电平表征信号）或双线（差分信号）上，按时间先后一位一位地逐位传送，其优点是节省传输线，但相对于并行通信来说，速度较慢。411.2.3嵌入式技术中常见的术语7.串行外设接口——SPISPI（SerialPeripheralInterface）是Motorola公司推出的一种串行外设接口，主要用于MCU扩展外围芯片。SPI是一种高速的、全双工、同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB板上的布局节省空间。图1-10是SPI主从通信的示意图。图1-10SPI主从通信示意图421.2.3嵌入式技术中常见的术语8.集成电路互连总线接口——IIC(I2C)I2C（Inter-IntegratedCircuit）也读作I方C，是一种由Philips公司开发的两线式串行总线，主要用于用户电路板内MCU与其外围电路的连接。它是一种串行通信总线，使用多主从架构，为了让主板、嵌入式系统用以连接低速周边设备而发展起来的总线技术。图1-11I2C通信系统MCU与外围电路模块的连接示意图431.2.3嵌入式技术中常见的术语9.控制器局域网总线接口（CAN）控制器局域网(ControllerAreaNetwork,CAN)，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH（博世）公司开发的，并最终成为国际标准（ISO11898），是国际上应用最广泛的现场总线之一。441.2.3嵌入式技术中常见的术语10.边界扫描测试协议——JTAGJTAG（JointTestActionGroup）是由国际联合测试行动组开发，对芯片进行测试的一种方式，可将其用于对MCU的程序进行载入与调试等。11.串行线调试（SWD）SWD技术使用两针调试端口，是JTAG的低针数和高性能替代产品，通常用于小封装微控制器的程序写入与调试。随着ARM公司Cortex系列的推出，采样SWD方式调试成了大家的首选。SWD不仅速度可以与JTAG媲美，而且使用的调试线比JTAG少得多。很多人在采样SWD方式进行调试时，一般都是采用4线：①VCC；②GND；③SWDIO；④SWCLK。图1-12常用仿真器实物451.2.3嵌入式技术中常见的术语12.通用输入/输出（GPIO）GPIO是通用输入/输出（General

Purpose

I/O）的简称，主要用于工业现场需要用到数字量输入/输出的场合，例如：输出功能：继电器、

LED、蜂鸣器等的控制输入功能：传感器状态、高低电平等信息的读取复用功能：片内外设的对外接口时序模拟：模拟SPI、I2C和UART等常用接口的时序461.2.4学习STM32必备的知识基础

STM32微控制器应用开发的编程语言是C语言。在应用开发过程中，用户还经常需要阅读电路原理图、集成电路芯片的数据手册（Datasheet）等专业资料。因此在学习STM32之前，应先学习“C语言程序设计”“模拟电子技术”“数字电子技术”等课程。上述课程为学习STM32奠定模拟和数字电路分析设计的原理与方法、基本的C语言程序设计语法与规范等知识基础。471.2.5学习STM32需要的工具与平台，以及好的学习方法初学者不应盲目地追求开发板的功能，应以够用为原则，重点关注开发板配套的学习资料与视频