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。