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1、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 11.1 课程简介 11.2 实验项目及学时安排 12 实验仪器仪表设备简介 22.1 嵌入式系统实验箱 22.2 其它实验设备 23 嵌入式系统技术及应用课程实验 33.1 实验1 系统认识实验 33.2 实验2 定时器实验 103.3 实验3 PWM发生器实验 133.4 实验4 16*16 LED点阵显示汉字实验 151 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

2、、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ARM Cortex-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

3、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22定时器实验23PWM发生器实验2416*16 LED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

4、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 Aspire T135、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

5、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，

6、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Luminary Cortex-M3芯片型号有限，结合实验要实现的功能，此处选择LM3S3

7、17。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.

8、 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

9、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，

10、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

11、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”

12、。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

13、）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。

14、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

15、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3 PWM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

16、，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

17、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3.12 PWM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

18、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4 16*16 LED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*16 LED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

19、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16X16 LED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

20、)（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 3.13 16*16 LED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。