第3章 STM32單片機(jī)程序模塊化設(shè)計(jì)與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制

本章將介紹程序調(diào)試方法，以及如何利用模塊化的程序設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制模塊以實(shí)現(xiàn)各種巡航動(dòng)作。這些編程技術(shù)在后面的章節(jié)都會(huì)用到，與后面章節(jié)唯一不同的是，本章機(jī)器人在無(wú)感覺(jué)的情況下巡航，而在后面的章節(jié)中，機(jī)器人將根據(jù)傳感器檢測(cè)到的信息進(jìn)行智能巡航。本章所要完成的主要任務(wù)包括：STM32單片機(jī)程序調(diào)試方法，利用模塊化設(shè)計(jì)方法對(duì)STM32單片機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)一些基本巡航動(dòng)作函數(shù)：向前、向后、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和原地旋轉(zhuǎn)等。這些函數(shù)都能夠被多次調(diào)用，以使機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜巡航運(yùn)動(dòng)。

3.1 STM32單片機(jī)程序調(diào)試方法

程序運(yùn)行是連續(xù)執(zhí)行的，但是當(dāng)程序執(zhí)行遇到問(wèn)題時(shí)，我們?nèi)绾蝸?lái)判斷是哪條語(yǔ)句出問(wèn)題了呢？尤其是從本章開(kāi)始，我們將要編寫(xiě)的程序會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，因此我們要學(xué)會(huì)如何調(diào)試程序，以及如何將一個(gè)復(fù)雜的程序模塊化，模塊內(nèi)的函數(shù)代碼相對(duì)簡(jiǎn)單。這也是程序設(shè)計(jì)的一個(gè)原則：“松耦合，強(qiáng)內(nèi)聚”，內(nèi)聚是子程序內(nèi)部的關(guān)系，耦合是不同子程序的關(guān)系。就是要求各個(gè)函數(shù)模塊獨(dú)立性高一些，即使修改了其中的某個(gè)函數(shù)，其他的函數(shù)也不需要做修改。比如，我們每個(gè)程序都要用到的2個(gè)函數(shù)：開(kāi)發(fā)板初始化函數(shù)和串口初始化函數(shù)。

任務(wù)一 程序調(diào)試

打開(kāi)發(fā)光 二極管閃 爍程序，即工程文 件Led_Blink.Uv2，將光標(biāo)移動(dòng)到想要程序運(yùn)行時(shí)需要暫停的語(yǔ)句處，如延時(shí)語(yǔ)句處，單擊圖3.1所示的圖標(biāo)（或按F9鍵）。這樣你就給程序加了一個(gè)斷點(diǎn)，如圖3.2所示。當(dāng)你想取消斷點(diǎn)時(shí)，可以再按一次這個(gè)圖標(biāo)（或按F9鍵）。設(shè)置斷點(diǎn)也可以直接在你要設(shè)置的語(yǔ)句最前面的空白處雙擊一下。

注意：若設(shè)置成功，那里會(huì)有一個(gè)小紅點(diǎn)的，不然你就需要重新操作。

單擊圖3.3（a）所示的圖標(biāo)（或按Ctrl+F5鍵）進(jìn)入調(diào)試模式，然后再單擊圖3.3（b）所示的圖標(biāo)（或按F5鍵）運(yùn)行程序，這時(shí)程序就會(huì)停在斷點(diǎn)處，如圖3.4和圖3.5所示。這時(shí)你可以通過(guò)調(diào)試窗口檢查程序的執(zhí)行狀態(tài)，包括寄存器窗口、存儲(chǔ)器窗口、查看和調(diào)用棧窗口、反匯編窗口和外設(shè)窗口等，這里不再贅述。

程序調(diào)試開(kāi)始時(shí)，會(huì)有一個(gè)黃顏色箭頭出現(xiàn)在main函數(shù)入口處（圖3.4），表示程序運(yùn)行停在這里。單擊圖3.3（b）所示的圖標(biāo)（或按F5鍵），黃顏色箭頭出現(xiàn)在第一個(gè)斷點(diǎn)處時(shí)（圖3.5），此時(shí)發(fā)光二極管亮；你可繼續(xù)按F5鍵運(yùn)行程序，黃顏色箭頭會(huì)出現(xiàn)在第二個(gè)斷點(diǎn)處時(shí)，此時(shí)發(fā)光二極管滅。試試看，連續(xù)按F5鍵，發(fā)光二極管什么現(xiàn)象。

單步調(diào)試

程序調(diào)試開(kāi)始時(shí)，即黃顏色箭頭出現(xiàn)在main函數(shù)入口處（圖3.4），你還可以單擊圖3.6（a）所示的圖標(biāo)（或按F11鍵），或單擊圖3.6（b）所示的圖標(biāo)（或按F10鍵）單步運(yùn)行程序，即一條語(yǔ)句一條語(yǔ)句地執(zhí)行程序。它們的區(qū)別在于當(dāng)程序運(yùn)行到子函數(shù)調(diào)用時(shí)：

（1）Step into會(huì)進(jìn)入到子函數(shù)體，并繼續(xù)開(kāi)始單步執(zhí)行每條語(yǔ)句，直到當(dāng)前子函數(shù)結(jié)束返回上層調(diào)用函數(shù)；

（2）Step over將子函數(shù)調(diào)用僅當(dāng)做一條語(yǔ)句單步執(zhí)行，不會(huì)進(jìn)入到子函數(shù)內(nèi)單步執(zhí)行，而是將子函數(shù)整個(gè)執(zhí)行完再停止，也就是把子函數(shù)整個(gè)作為一步單步執(zhí)行。

圖3.6（c）所示的圖標(biāo)（或按Ctrl+F11鍵）表示跳出當(dāng)前運(yùn)行的函數(shù)，即將本函數(shù)余下語(yǔ)句執(zhí)行完返回上層調(diào)用函數(shù)。即當(dāng)單步執(zhí)行到子函數(shù)內(nèi)時(shí)，用Step out就可以執(zhí)行完子函數(shù)余下部分，并返回到上一層函數(shù)。

圖3.6（d）所示的圖標(biāo)（或按Ctrl+F10鍵）表示運(yùn)行到當(dāng)前光標(biāo)所在語(yǔ)句處。

此時(shí)，可以單擊圖3.6（e）、（f）、（g）所示圖標(biāo)，分別打開(kāi)Stack、Memory、邏輯分析儀窗口進(jìn)一步觀察程序中各個(gè)變量、所用到的寄存器，以及引腳電平的變化，從而判斷程序有沒(méi)有邏輯上的錯(cuò)誤或其他的問(wèn)題。也可以單擊圖3.6（h）所示圖標(biāo)，查看匯編代碼，并和C語(yǔ)言代碼對(duì)比分析，加深對(duì)STM32微控制器的理解。調(diào)試模式下的工作區(qū)主要用于顯示匯編代碼、C語(yǔ)言代碼的執(zhí)行跟蹤及調(diào)試信息，這對(duì)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)非常重要。單擊圖3.6（i）所示圖標(biāo)時(shí)，將復(fù)位CPU，終止正在調(diào)試的程序，重新從代碼起始位置開(kāi)始。

注意：按下“Debug”圖標(biāo)進(jìn)入調(diào)試模式時(shí)，需復(fù)位開(kāi)發(fā)板，才能開(kāi)始調(diào)試。

該你了——一條語(yǔ)句一條語(yǔ)句地執(zhí)行程序！

軟件仿真

RealView MDK開(kāi)發(fā)工具提供了強(qiáng)大的軟件仿真功能，可以不需要將程序下載到開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行調(diào)試，而是采用MDK的軟件仿真功能進(jìn)行調(diào)試，達(dá)到事半功倍的效果！

單擊圖標(biāo)，或右鍵單擊“Target 1”，選擇“Option for target ‘Target 1’”，或單擊Project菜單下的Options for Target（工程屬性），或單擊“Flash”菜單下的“Configure Flash Tools”，彈出“Options for Target”對(duì)話框，選擇“Debug”頁(yè)面，選中“Use Simulator”之后確定，如圖3.7所示。注意需重新編輯，使設(shè)置成功。

編譯成功后，進(jìn)入Debug模式，按照前面介紹的方法即可進(jìn)入軟件仿真模式。這時(shí)，可以選擇外圍模塊進(jìn)行仿真，不同型號(hào)的STM32單片機(jī)會(huì)有不同的外設(shè)仿真功能。打開(kāi)“Peripheral菜單”，可以打開(kāi)多個(gè)外設(shè)仿真對(duì)話框，如圖3.8所示。

LED閃爍程序只用到了GPIOC端口，關(guān)閉其他對(duì)話框，僅保留“GPIOC”外設(shè)仿真對(duì)話框，如圖3.9所示。因?yàn)檫@時(shí)程序還沒(méi)有運(yùn)行，所以GPIOC端口是初始值。

單擊Debug工具條的運(yùn)行按鈕，在仿真對(duì)話框里就可以看到程序的運(yùn)行結(jié)果了。當(dāng)執(zhí)行完教學(xué)開(kāi)發(fā)板初始化函數(shù)BSP_Init()后，GPIOC的各項(xiàng)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，如圖3.10（a）所示。看看初始化函數(shù)BSP_Init()的代碼是不是這樣呢？通過(guò)單步執(zhí)行程序，可以發(fā)現(xiàn)PC13引腳的參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，如圖3.10（b）和（c）所示。

如果想觀察引腳的電平變化，可以單擊圖標(biāo)，打開(kāi)邏輯分析儀，如圖3.11（a）所示。然后單擊“Setup…”按鈕，在觀測(cè)引腳設(shè)置對(duì)話框中添加GPIOC_IDR，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如圖3.11（b）～（e）所示。

單擊“Debug”菜單下的“Run”菜單項(xiàng)或按F5鍵，開(kāi)始軟件仿真。稍等一下之后，可以單擊“Debug”菜單下的“Stop Running”菜單項(xiàng)，停止仿真。

單擊“Zoom”的“All”按鈕，可以查看整個(gè)仿真期間PC13引腳的電平變化情況。單擊“In”按鈕，可以將時(shí)間軸網(wǎng)格為變小；單擊“Out”按鈕，可以將時(shí)間軸網(wǎng)格為變大，通過(guò)這兩個(gè)按鈕可以將時(shí)間軸網(wǎng)格調(diào)整到一個(gè)合適的大小，以利于觀測(cè)顯示波形。如圖3.12所示，PC13引腳的輸出電平每隔一定的時(shí)間變化一次，對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管交替閃爍。從圖中可以看出存在一定的誤差，因此，最好用示波器驗(yàn)證一下PC13引腳的輸出波形。軟件仿真存在一定的誤差。

要想得到精確的延時(shí)時(shí)間，可以使用后面將要學(xué)習(xí)到的定時(shí)器，來(lái)控制發(fā)光二極管交替閃爍。