第3章 STM32單片機程序模塊化設計與機器人運動控制

本章將介紹程序調試方法，以及如何利用模塊化的程序設計思想，設計機器人的運動控制模塊以實現各種巡航動作。這些編程技術在后面的章節都會用到，與后面章節唯一不同的是，本章機器人在無感覺的情況下巡航，而在后面的章節中，機器人將根據傳感器檢測到的信息進行智能巡航。本章所要完成的主要任務包括：STM32單片機程序調試方法，利用模塊化設計方法對STM32單片機編程，實現一些基本巡航動作函數：向前、向后、左轉、右轉和原地旋轉等。這些函數都能夠被多次調用，以使機器人可以實現復雜巡航運動。

3.1 STM32單片機程序調試方法

程序運行是連續執行的，但是當程序執行遇到問題時，我們如何來判斷是哪條語句出問題了呢？尤其是從本章開始，我們將要編寫的程序會越來越復雜，因此我們要學會如何調試程序，以及如何將一個復雜的程序模塊化，模塊內的函數代碼相對簡單。這也是程序設計的一個原則：“松耦合，強內聚”，內聚是子程序內部的關系，耦合是不同子程序的關系。就是要求各個函數模塊獨立性高一些，即使修改了其中的某個函數，其他的函數也不需要做修改。比如，我們每個程序都要用到的2個函數：開發板初始化函數和串口初始化函數。

任務一 程序調試

打開發光 二極管閃 爍程序，即工程文 件Led_Blink.Uv2，將光標移動到想要程序運行時需要暫停的語句處，如延時語句處，單擊圖3.1所示的圖標（或按F9鍵）。這樣你就給程序加了一個斷點，如圖3.2所示。當你想取消斷點時，可以再按一次這個圖標（或按F9鍵）。設置斷點也可以直接在你要設置的語句最前面的空白處雙擊一下。

注意：若設置成功，那里會有一個小紅點的，不然你就需要重新操作。

單擊圖3.3（a）所示的圖標（或按Ctrl+F5鍵）進入調試模式，然后再單擊圖3.3（b）所示的圖標（或按F5鍵）運行程序，這時程序就會停在斷點處，如圖3.4和圖3.5所示。這時你可以通過調試窗口檢查程序的執行狀態，包括寄存器窗口、存儲器窗口、查看和調用棧窗口、反匯編窗口和外設窗口等，這里不再贅述。

程序調試開始時，會有一個黃顏色箭頭出現在main函數入口處（圖3.4），表示程序運行停在這里。單擊圖3.3（b）所示的圖標（或按F5鍵），黃顏色箭頭出現在第一個斷點處時（圖3.5），此時發光二極管亮；你可繼續按F5鍵運行程序，黃顏色箭頭會出現在第二個斷點處時，此時發光二極管滅。試試看，連續按F5鍵，發光二極管什么現象。

單步調試

程序調試開始時，即黃顏色箭頭出現在main函數入口處（圖3.4），你還可以單擊圖3.6（a）所示的圖標（或按F11鍵），或單擊圖3.6（b）所示的圖標（或按F10鍵）單步運行程序，即一條語句一條語句地執行程序。它們的區別在于當程序運行到子函數調用時：

（1）Step into會進入到子函數體，并繼續開始單步執行每條語句，直到當前子函數結束返回上層調用函數；

（2）Step over將子函數調用僅當做一條語句單步執行，不會進入到子函數內單步執行，而是將子函數整個執行完再停止，也就是把子函數整個作為一步單步執行。

圖3.6（c）所示的圖標（或按Ctrl+F11鍵）表示跳出當前運行的函數，即將本函數余下語句執行完返回上層調用函數。即當單步執行到子函數內時，用Step out就可以執行完子函數余下部分，并返回到上一層函數。

圖3.6（d）所示的圖標（或按Ctrl+F10鍵）表示運行到當前光標所在語句處。

此時，可以單擊圖3.6（e）、（f）、（g）所示圖標，分別打開Stack、Memory、邏輯分析儀窗口進一步觀察程序中各個變量、所用到的寄存器，以及引腳電平的變化，從而判斷程序有沒有邏輯上的錯誤或其他的問題。也可以單擊圖3.6（h）所示圖標，查看匯編代碼，并和C語言代碼對比分析，加深對STM32微控制器的理解。調試模式下的工作區主要用于顯示匯編代碼、C語言代碼的執行跟蹤及調試信息，這對應用程序的開發非常重要。單擊圖3.6（i）所示圖標時，將復位CPU，終止正在調試的程序，重新從代碼起始位置開始。

注意：按下“Debug”圖標進入調試模式時，需復位開發板，才能開始調試。

該你了——一條語句一條語句地執行程序！

軟件仿真

RealView MDK開發工具提供了強大的軟件仿真功能，可以不需要將程序下載到開發板上進行調試，而是采用MDK的軟件仿真功能進行調試，達到事半功倍的效果！

單擊圖標，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”對話框，選擇“Debug”頁面，選中“Use Simulator”之后確定，如圖3.7所示。注意需重新編輯，使設置成功。

編譯成功后，進入Debug模式，按照前面介紹的方法即可進入軟件仿真模式。這時，可以選擇外圍模塊進行仿真，不同型號的STM32單片機會有不同的外設仿真功能。打開“Peripheral菜單”，可以打開多個外設仿真對話框，如圖3.8所示。

LED閃爍程序只用到了GPIOC端口，關閉其他對話框，僅保留“GPIOC”外設仿真對話框，如圖3.9所示。因為這時程序還沒有運行，所以GPIOC端口是初始值。

單擊Debug工具條的運行按鈕，在仿真對話框里就可以看到程序的運行結果了。當執行完教學開發板初始化函數BSP_Init()后，GPIOC的各項參數會發生變化，如圖3.10（a）所示?？纯闯跏蓟瘮礏SP_Init()的代碼是不是這樣呢？通過單步執行程序，可以發現PC13引腳的參數會發生變化，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，打開邏輯分析儀，如圖3.11（a）所示。然后單擊“Setup…”按鈕，在觀測引腳設置對話框中添加GPIOC_IDR，并設置相關參數，如圖3.11（b）～（e）所示。

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

單擊“Zoom”的“All”按鈕，可以查看整個仿真期間PC13引腳的電平變化情況。單擊“In”按鈕，可以將時間軸網格為變??；單擊“Out”按鈕，可以將時間軸網格為變大，通過這兩個按鈕可以將時間軸網格調整到一個合適的大小，以利于觀測顯示波形。如圖3.12所示，PC13引腳的輸出電平每隔一定的時間變化一次，對應的發光二極管交替閃爍。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時間，可以使用后面將要學習到的定時器，來控制發光二極管交替閃爍。