AVR单片机教程——第三期导语

本文隶属于AVR单片机教程系列。

 

背景（一）

寒假里做了一个灯带控制器：

理想情况下我应该在一个星期内完成这个项目，但实际上它耗费了我几乎一整个寒假，因为涉及到很多未曾尝试的方案。在这种不是很赶时间的、可以自定目标、自由发挥的项目中，我喜欢这么做。

简要介绍一下这个项目。硬件部分：

• 12V直流电源供电，开关降压到4V，LDO降压到3.3V，三路供电；

• 使用STM32G030KBT6单片机，基于Cortex-M0+；

• 12V灯带用异步降压驱动；

• WS2812B灯带的数据用SPI信号加上一定的逻辑运算生成；

• OLED屏通过I²C连接单片机；

• 无定位旋转编码器连接定时器的两个通道。

软件部分：

• 用多项式拟合把ADC读到的值转换成温度；

• 指令与数据调度、两级流水线式OLED更新策略；

• 完全自主设计的简单GUI，包括绘图与控制逻辑。

大约一半时间花在两种灯带的方案验证上，我制作了两块PCB才最终确定以上硬件方案；另有一部分时间花在STM32和HAL的调试上，但这本来就在我的STM32学习计划中；剩下的主要是OLED和GUI，以及写不出来时的摸鱼行为。

我赶在去学校当天的上午完成了项目，在砍掉一点完成度的前提下。有那么几个小时，我很后悔把整个寒假都花在了这个项目上，没有学该学的数学、写该写的博客。但是现在回想起来，这个项目让我对单片机开发有了新的认识。

背景（二）

曾经AVR单片机教程唯一的读者要开始独立做项目了，这是对我文章质量的一次考验。从我们之间的交流来看，我没有通过这次考验——

• 我说从供电开始思考：通常USB可以提供5V1A，如果需要5V2A，就应该考虑从12V1A转换。她问如何转换，于是我给她介绍了降压转换器。那么如何确定电流呢？主要耗电器件是32个LED。按我的思路，也可以说是绝大多数业内人士的思路，每个灯不会超过20mA，加起来640mA，其余器件耗电忽略，1A肯定是够的。而她的思路是，算出每个LED的等效电阻，并联起来，再计算电流。她又问，如果电源是5V2A，但负载只有5V1A，会烧坏吗？

• 然后决定用什么灯。两年半以前我送给她一个礼物，用32个LED组成一颗心，灯是红蓝交错的。她想做得比这个高级一点，用32个RGB灯，但这么多灯的连接是个问题，以及RGB三种颜色之间的亮度匹配。又想到WS2812B，它在功能上很强，但是控制稍微麻烦一点。我提示她可以用PWM来生成控制信号，她又搞不清这里的PWM和PWM呼吸灯的区别。

• 可能是因为在第二期里学过OLED屏和u8g2，在电赛中又用过一遍，又收到了带OLED屏的礼物，她觉得OLED屏很简单，想在项目中也放一块。

暂时不作评价，继续说事。后来又有两人从博客园后台联系我，以成本价拿到了开发板，成为了教程的读者（至此我已经没有多余的开发板了）。一位读者刚开始学C，他常常问我两类我不希望他问的问题（请这位读者不要生气）：一类是与单片机无关的纯C语言问题，另一类是与教程进度不符的、我想隐藏的实现细节问题。

他们让我开始反思教程的内容是否充足、顺序编排是否合理。

回顾（一）

他们问我的这些问题，很多也是我曾经困惑的。

预初的那个暑假，我正式学习了C语言。此后，我想写一个C程序来加密文件，把若干字节作为一组处理一下，写进新的文件，就算是加密了。文件长度不一定是整组的，最后一组可能要加入几个空的字节，这种现在看来很基础的控制逻辑，我当时想了很久都写不出来。

我也长期以来不知道电池充电的电流是如何控制的，在我看来把5V电压加到3.7V锂电池上根本不可控啊！后来才知道降压、参考电流、反馈控制之类的。某些营销号还说5V2A充电器给5V1A手机充电会造成损坏，也难怪非专业人士容易受误导了。

高一的那个暑假，我完成了第一个像样的项目，就是前面提到的那颗心。32个LED分别串联470Ω排阻，接到4片级联的74HC595上，用GPIO驱动。放到现在，如果不改变设计目标，我会选择8*4动态扫描的连接方式，还可能用上一片TM16xx来驱动这个阵列。

按下按键切换模式，这个很简单的功能在当时实现得非常乱：先定义一个宏，每次如果按下按键就return，然后在循环中多次调用它。现在我会在定时器中断里处理按键，具体来讲还有多种方法。

这些不懂的问题、不好的实现，都是经验。有些不好的实现，比如上面这个按键，不值得尝试，所以我会在回答相关问题时提供我认为合理的方法。类似的有很多，所以我一直尽力回答每个问题，帮人避雷，也好让我审视一下自己的方法。

回顾（二）

AVR单片机教程的一期介绍了简单外设的用法。我假设读者有良好的C语言基础，所以没有把基础单片机和基础C语言结合起来讲，而是在前几讲的作业题中对读者的C功底提出了较高的要求。针对当时读者的问题，我专门写了一篇元教程，强调了要广泛地了解相关知识。

从按键开始我加快了节奏，否则按照一个LED都能写4篇的速度我现在大概刚刚讲到LCD1602。原计划一期结束后还有大量内容，但是我当时已经不大想写了，所以挑了点必要的组成了第二期的6讲。

现在有读者反映第二期太难，其实不是太难而是两期之间有明显断层。在与读者交流的过程中，我还发现有很多我强调过的点还强调得不够：有些是我没讲清楚，有些是读者真的做不到，比如完成作业——我把很多关键的、实际应用中需要的问题放在了作业中，它们容易被忽略，至少没有被足够严肃地对待。

这些问题，以及上面带有责怪情感的读者提问，都是我的失职。

展望

我决定开始写AVR单片机教程第三期。

首先是查漏补缺，这还得再细分几类：

• 外设。I²C和定时器输入在前两期的正文中没有涉及到，会在第三期补上。

• 语言。我不应假设读者有良好的C基础，但我真的没法面对完完全全的新手，所以我将补充一些非单片机编程中不常用的特性，以及高级但实用的用法。

  第三期的很多内容用C++讲起来会更加方便，所以我会简单介绍那些需要用的C++语法，它们也是我在自己项目中常用的C++功能子集。

• 作业。如前所述，很多重要的内容都在作业里，我将提供解题思路和优化建议。

然后是结构：

• 与C++绑定起来的对象的概念，包括基于对象与面向对象；

• 第二期最后提到的事件驱动范式，原本是单独的一期，将成为第三期的一部分；

• 有些硬件结构可以启发设计（有的可能最初来自软件），包括双缓冲、FIFO、状态机、流水线等；

• 大型程序和库的结构。

此外，单片机项目的共同问题，比如供电、制板、测试等，也会集中讲解一下。

由此可见，这一期“AVR单片机教程”实际上可以把前三个字去掉，尽管我们还是基于AVR平台讲解。

我设计了新的开发板，与第一版相比缩小了尺寸，去掉了部分扩展资源，使它更加核心。扩展资源被移动到了单独的模块上，多个模块提供不同方向的器件。

原来的开发板仍然提供支持。新开发板有开放小批量订购的计划，目前还在原型设计阶段。因此，我将从不依赖于AVR的C和C++开始。

希望第三期能为读者建立完善的概念，能让读者学会必要的单片机编程方法，在例子中积累经验，独立设计并制作出与文首项目难度相当的单片机系统。