嵌入式实验指导书 修改60602.docx
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嵌入式实验指导书修改60602
嵌入式系统技术及应用
实验指导书
（第3版）
郑普亮编写
西安建筑科技大学信控学院
智能建筑与楼宇自动化实验室
2014年5月
目录
1课程简介、实验项目及学时安排1
1.1课程简介1
1.2实验项目及学时安排1
2实验仪器仪表设备简介2
2.1嵌入式系统实验箱2
2.2其它实验设备2
3嵌入式系统技术及应用课程实验3
3.1实验1系统认识实验3
3.2实验2定时器实验10
3.3实验3PWM发生器实验13
3.4实验416*16LED点阵显示汉字实验15
1课程简介、实验项目及学时安排
1.1课程简介
嵌入式系统广泛应用于仪器仪表、工业控制、汽车电子等多个领域，是一个综合性的快速发展的技术方向。
课程以ARMCortex-M3系列处理器为主，着重介绍了嵌入式系统设计的基本概念、基于ARM处理器的体系结构、ARM微处理器的编程模型与指令系统、嵌入式操作系统及相关的接口技术。
通过对本课程的学习，能够使学生深刻了解ARM处理器的工作原理，熟练掌握ARM微处理器的指令系统，以及嵌入式系统软硬件设计基本方法，进而加强学生独立设计能力和创新能力的培养。
1.2实验项目及学时安排
本课程的实验目的是使学生掌握ARM指令系统及基于C语言和驱动程序库的程序设计方法，掌握ARM微处理器各组成部分工作原理及应用，培养学生对ARM微处理器的应用程序与硬件电路的设计能力，提高学生分析和解决实际问题的能力，从而为学生今后走向工作岗位、从事相关专业领域的科学研究和技术开发打下扎实的基础。
所以安排了验证性、设计性和综合性不同属性的实验项目。
序号
实验项目
学时
实验性质
验证
综合
设计
1
系统认识实验
2
√
2
定时器实验
2
√
3
PWM发生器实验
2
√
4
16*16LED点阵显示汉字实验
2
√
注：
实验项目根据实验教学安排选取。
2实验仪器仪表设备简介
2.1嵌入式系统实验箱
EL-EMCU-I型教学实验系统是属于一种综合的教学实验系统，该系统支持8位的8051/C8051F021等型号、16位的MSP430系列/AVR系列以及基于Cortex-M3内核的32位群星系列ARM处理器，实现了多模块的应用实验。
在实验板上有丰富的外围扩展资源，可以完成基于CPU硬件资源的基础性实验、多种串行总线类实验以及CAN总线实验等等。
实验箱底板的平面框图如下图2.1所示：
上位机
2.2其它实验设备
微型计算机AspireT135、数字万用表、数字示波器。
3嵌入式系统技术及应用课程实验
3.1实验1系统认识实验
一、实验目的
1.了解Cortex-M3的GPIO使用及其相关的API函数；
2.掌握Cortex-M3读取GPIO引脚状态的方法。
3.掌握Cortex-M3的GPIO引脚输出控制的方法。
二、实验原理、内容及步骤
实验原理
1、GPIO开关量输入
将GPIO连接数字开关量对应的管脚设置在输入状态；然后，写一个循环，不停地去检测输入引脚的状态。
2、GPIO输出驱动继电器（或光电隔离器）
将相关的GPIO设置成输出状态，并且要注意配置输出的驱动电流大小；然后，写一个循环，依次输出变化的高低电平，从而控制继电器及光电隔离器的关断与打开。
实验内容：
1.编程实现读取GPIO引脚上对应的开关量状态，改变开关量，观察能否成功读回；
2.编程实现Cortex-M3的GPIO引脚驱动继电器及光电隔离器，观察继电器的动作以及发光管的亮灭变化；
实验步骤：
1）在PC机上打开IAR环境，并打开“源程序”文件夹GPIO_INandOUT的工程文件GPIO_In_Out.ewp，并按图3.1至图3.8完成环境设置，并完善程序，然后编译程序，并生成可执行文件GPIO_In_Out.elf。
2）打开PC机上的Proteus环境，并打开“仿真电路”文件夹中的设计文件“实验1.DSN”。
双击MCU图标，按图3.9所示，指定程序文件GPIO_In_Out.ewp后，开始仿真。
然后拨动开关，观察输入高低电平时继电器、光耦以及其他GPIO的状态变化。
图3.1
图3.1中，在Workspace窗口中一定要先选中工程名，然后再选择Project->Options。
图3.2
因为在Proteus中，提供的LuminaryCortex-M3芯片型号有限，结合实验要实现的功能，此处选择LM3S317。
图3.3
图3.4
图3.5
图3.6
图3.7
图3.8
图3.9
三、实验仪器设备及实验注意事项
1.实验设备：
计算机。
2.实验前必须做好预习，并做出必要的计算和记录用的表格；
3.实验开始前先检查仪器设备是否完好；
4.实验中如发现异常（如冒烟、异味、冒火等非正常现象），应立即切断电源，并报告指导教师，仔细查找原因，问题解决后，方可继续进行实验；
5.实验完毕应先关掉电源，将所用仪器设备恢复原貌，并清理卫生后方可离开。
四、实验报告要求
1.GPIO的工作原理；
2.写出创建新工程的步骤；
3.写出采用API函数和驱动库，进行GPIO输入输出驱动的步骤；
4.实验中存在的问题及其处理方法；
5.收获和体会。
五、预习要求及思考题
预习要求
1.GPIO的工作原理；
2.GPIO库函数；
思考题
1.GPIO的推挽输出和开漏输出在应用上有何区别？
2.如何解决开漏模式下上拉电压不足的问题？
3.施密特触发输入有何作用？
3.2实验2定时器实验
一、实验目的
1.了解Cortex-M3的定时/计数器使用及其相关的API函数；
2.掌握Cortex-M3的定时/计数器使用方法与关键步骤；
3.了解Cortex-M3的看门狗定时器使用及其相关的API函数；
4.掌握Cortex-M3的看门狗定时器使用方法与关键步骤。
二、实验原理、内容及步骤
实验原理
1）计数器实验
首先，将相应的定时/计数器配置好（使能，计数初值的装载等）；然后，注册相应的中断，编写中断服务程序；最后，使能中断，进入一个死循环中，当计数满5次后，计数器溢出，触发标志位，产生中断，进入到中断服务程序中执行。
2）秒时钟发生器实验
首先，将相应的定时/计数器配置好（使能，定时初值的装载等）；然后，注册相应的中断，编写中断服务程序；最后，使能中断，进入一个死循环中，当定时时间到后，产生中断，进入到中断服务程序中执行。
3）看门狗定时器实验
首先，使能看门狗定时器的定时功能，装载初值；然后，注册相应的中断，编写中断服务程序；最后，使能中断，进入一个死循环中，当时间到后，产生中断，进入到中断服务程序中执行，即翻转一个GPIO引脚电平，产生方波输出。
实验内容
1）计数器实验
编程实现利用Cortex-M3的定时/计数器引脚对外部脉冲进行计数，每计数满5个后产生计数中断。
2）秒时钟发生器实验
编程实现利用Cortex-M3的定时/计数器的精确定时功能，产生一个频率为0.5Hz的时钟输出。
3）看门狗定时器实验
编程实现利用Cortex-M3的看门狗定时器功能，产生一个方波输出。
实验步骤
1）计数器实验
（1）在PC机上打开IAR环境，并打开实验程序文件夹COUNTER下的工程文件COUNTER.ewp，参照图3.1至图3.8完成工程环境设置，并生成可执行文件COUNTER.elf。
（2）打开PC机上的Proteus环境，按图3.10绘制原理图，并命名为“实验2（Timer）COUNTER.DSN”。
双击MCU图标，按图3.9所示，指定程序文件COUNTER.ewp后，开始仿真。
按下5次按键后观察LED灯的变化情况，再次按下5下后，观察LED灯的变化。
图3.10计数器实验原理图
2）秒时钟发生器实验
（1）在PC机上打开IAR环境，并打开实验程序文件夹Timer_Second下的工程文件Timer_Second.ewp，参照图3.1至图3.8完成工程环境设置，并生成可执行文件Timer_Second.elf。
（2）打开PC机上的Proteus环境，按图3.11绘制原理图，并命名为“实验2（Timer）Timer_WDG.DSN”。
双击MCU图标，按图3.9所示，指定程序文件Timer_Second.ewp后，开始仿真。
观察LED灯的变化；
图3.11秒时钟发生器和看门狗实验原理图
3）看门狗定时器实验
（1）在PC机上打开IAR环境，打开实验程序文件夹WDT_Timer（未启用看门狗复位）下的工程文件WDT_Timer.ewp，参照图3.1至图3.8完成工程环境设置，并生成可执行文件WDT_Timer.elf。
（2）打开PC机上的Proteus环境，并使用设计文件“实验2（Timer）Timer_WDG.DSN”。
双击MCU图标，按图3.9所示，指定程序文件WDT_Timer.ewp后，开始仿真。
观察LED灯的变化。
（3）在PC机上打开IAR环境，打开实验程序文件夹WDT_Timer（启用看门狗复位）下的工程文件WDT_Timer.ewp，参照图3.1至图3.8完成工程环境设置，在main.c中修改程序，使能看门狗复位功能，并补充喂狗程序，使得程序正常运行时，不会因看门狗中断产生复位。
（4）打开PC机上的Proteus环境，并使用设计文件“实验2（Timer）Timer_WDG.DSN”。
双击MCU图标，按图3.9所示，指定程序文件WDT_Timer.ewp后，开始仿真。
观察LED灯的变化。
（5）修改WDT_Timer（启用看门狗复位）文件下main.c程序，在主循环内，人为增加延时，使得看门狗产生复位中断。
三、实验仪器设备及注意事项
1.实验设备：
计算机；
2.实验前必须做好预习，并做出必要的计算和记录用的表格；
3.实验开始前先检查仪器设备是否完好；
4.实验中如发现异常（如冒烟、异味、冒火等非正常现象），应立即切断电源，并报告指导教师，仔细查找原因，问题解决后，方可继续进行实验；
5.实验完毕应先关掉电源，将所用仪器设备恢复原貌，并清理卫生后方可离开。
四、实验报告要求
1.给出计数器实验、秒时钟发生器实验和看门狗实验的程序；
2.给出相关寄存器参数的配置；
3.实验中存在的问题及其如何处理；
4.收获和体会。
五、预习要求及思考题
预习要求
1.掌握计数器和定时器工作原理；
2.掌握看门狗定时器工作原理及使用；
3.学习相关API函数。
思考题
1、如何得到其它时间（如：
2s、3s等）的定时。
2、计数器的初值是如何得到的，中断的注册是如何完成的。
3.3实验3PWM发生器实验
一、实验目的
1.了解Cortex-M3的PWM使用及其相关的API函数；
2.掌握Cortex-M3的PWM使用的方法与步骤。
二、实验原理、内容及步骤
实验原理
配置PWM相关的控制参数，使能PWM外设，设定源时钟和比较寄存器以及死区寄存器，设置占空比，最后使能PWM发生器。
实验内容
编程配置Cortex-M3的PWM功能参数，输出一定占空比的PWM波形。
实验步骤
（1）在PC机上打开IAR环境，打开实验程序文件夹PWM，按照“IAR使用指南.pdf”中的说明，创建新的工程，将PWM文件夹下源程序文件main.c、startup.c、systemInit.c、systemInit.h以及库文件driverlib.r79加入工程，参照图3.1至图3.8完成工程环境设置，并生成可执行文件。
（2）打开PC机上的Proteus环境，按图3.12绘制原理图，并命名为“实验3（PWM）.DSN”。
双击MCU图标，按图3.9所示，指定程序文件后，开始仿真。
用示波器观察MCU部分的PWM0及PWM1输出波形，修改比较寄存器的值，再用示波器观察PWM0及PWM1波形占空比的变化情况。
（3）修改源程序，采用递减计数模式，生成占空比为50%的左对齐PWM波。
（4）修改源程序，生成带死区延迟的PWM波。
三、实验仪器设备及注意事项
1.实验设备：
计算机；
2.实验前必须做好预习，并做出必要的计算和记录用的表格；
3.实验开始前先检查仪器设备是否完好；
4.实验中如发现异常（如冒烟、异味、冒火等非正常现象），应立即切断电源，并报告指导教师，仔细查找原因，问题解决后，方可继续进行实验；
5.实验完毕应先关掉电源，将所用仪器设备恢复原貌，并清理卫生后方可离开。
图3.12PWM实验原理图
四、实验报告要求
1.阐述PWM模块工作原理；
2.完成PWM实验所需寄存器配置参数；
3.实验中存在的问题及如何处理；
4.收获及体会。
五、预习要求及思考题
预习要求
1.掌握PWM模块工作原理和实现PWM的方法；
2.学习相关API函数。
思考题
1.PWM发生器模块包括哪些部件，每个部件的作用是什么？
2.PWM控制器模块的作用是什么？
3.Stellaris系列ARM的PWM模块可用于哪些场合？
3.4实验416*16LED点阵显示汉字实验
一、实验目的
1．学习Cortex-M3的GPIO使用及其相关的API函数；
2．掌握16*16LED点阵显示汉字的原理及其控制方法。
二、实验原理、内容及步骤
实验原理
配置Cortex-M3的GPIO端口，用GPIO端口控制74LS138译码产生16位行选通信号，控制74HC595（串转并的方式）传送16位的显示数据。
实验内容
用Cortex-M3的GPIO控制74LS138和74HC595，即控制行、列扫信号，来驱动16X16LED点阵显示多个不同的汉字。
实验步骤
（1）在PC机上打开IAR环境，打开实验程序文件夹LED（信控学院），按照“IAR使用指南.pdf”中的说明，创建新的工程，将LED（信控学院）文件夹下源程序文件main.c、startup.c、systemInit.c、systemInit.h以及库文件driverlib.r79加入工程，参照图3.1至图3.8完成工程环境设置，并生成可执行文件。
（2）打开PC机上的Proteus环境，按图3.13绘制原理图，“实验4（LED）（信控学院）.DSN”。
双击MCU图标，按图3.9所示，指定程序文件后，开始仿真。
观察LED显示的字符。
（3）用字模工具PCtoLCD2002，按照图3.14的格式生成自己的姓名，并修改程序，进行显示。
三、实验仪器设备及注意事项
1.实验设备：
计算机；
2.实验前必须做好预习，并做出必要的计算和记录用的表格；
3.实验开始前先检查仪器设备是否完好；
4.实验中如发现异常（如冒烟、异味、冒火等非正常现象），应立即切断电源，并报告指导教师，仔细查找原因，问题解决后，方可继续进行实验；
5.实验完毕应先关掉电源，将所用仪器设备恢复原貌，并清理卫生后方可离开。
图3.1316*16LED点阵显示汉字实验原理图
图3.14字模程序设置
四、实验报告要求
1.绘制电路原理图；
2.写出实验程序；
3.实验中存在的问题及其如何处理；
4.收获和体会。
五、预习要求及思考题
预习要求
1.熟悉74LS138和74HC595的工作原理和特性；
2.熟悉汉字驱动显示原理；
思考题
1.简述LED点阵显示汉字的原理。
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