IO口輸出控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

葉希梅

（武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

嵌入式系統(tǒng)在各行各業(yè)中廣泛應(yīng)用，與之對應(yīng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法、設(shè)備等研究工作也開展的非常激烈。漆強(qiáng)[1]介紹了嵌入式口袋實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)過程，李杜蕾等[2]針對傳統(tǒng)教學(xué)中存在專業(yè)課實(shí)驗(yàn)時(shí)間遲、與工程實(shí)踐脫節(jié)等問題，然后以物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)為例開展嵌入式系統(tǒng)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)的改革，曹俊武等[3]為了理順嵌入式系統(tǒng)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐等關(guān)系，創(chuàng)建了嵌入式實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新平臺，整合嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、工程訓(xùn)練項(xiàng)目等內(nèi)容，郭國法等[4]引入CDIO工程教育理念開展嵌入式系統(tǒng)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)，使嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與工程應(yīng)用結(jié)合度更高。鄭寧漢等[5]討論了如何設(shè)計(jì)一個(gè)適應(yīng)現(xiàn)代學(xué)生的實(shí)驗(yàn)，主要從完整性、開放性、可升級性、靈活性角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，較好的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。綜上所述，目前的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究主要以體系、方法、系統(tǒng)方面的研究居多，而具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方面的研究較少。本文以常見的IO口輸出控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為例，分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)如何將理論知識與工程應(yīng)用相結(jié)合。

1 常見IO口輸出控制實(shí)驗(yàn)

常見的IO口輸出控制實(shí)驗(yàn)有LED燈控制、蜂鳴器、流水燈等，其中流水燈實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示。實(shí)驗(yàn)程序通常是用程序控制LED從左到右逐個(gè)點(diǎn)亮或多個(gè)燈點(diǎn)亮。對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)程序簡單明了、直觀易懂，如圖2所示。該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡單，基本實(shí)現(xiàn)了IO口控制方式的驗(yàn)證。學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)可操作和調(diào)整的內(nèi)容少、實(shí)驗(yàn)過程簡單、實(shí)驗(yàn)不充實(shí)。因此，有必要重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)程序，引導(dǎo)學(xué)生深入理解IO口的工作原理和控制方法，以便更好的進(jìn)行后續(xù)學(xué)習(xí)。

圖1 單片機(jī)流水燈實(shí)驗(yàn)電路Figure 1 Experimental Circuit of Single Chip Microcomputer Pipeline Lamp

圖2 兩種LED流水燈控制程序Figure 2 Two control crocedures of LED Pipeline Lamp

2 參數(shù)化IO口輸出控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

上述實(shí)驗(yàn)程序的數(shù)據(jù)以常數(shù)的方式給定，雖然實(shí)現(xiàn)了所需的功能，但卻很難與其它程序共享程序。若將實(shí)驗(yàn)程序的各種數(shù)據(jù)參數(shù)化，就可以更好進(jìn)行程序共用。我們可以把LED顯示的數(shù)據(jù)和LED的亮暗時(shí)間當(dāng)作參數(shù)，把LED控制功能用函數(shù)包裝起來。實(shí)驗(yàn)時(shí)，只要用不同的參數(shù)代入?yún)?shù)化IO控制程序，就可以得到LED顯示內(nèi)容與亮暗時(shí)間各不相同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。圖3左側(cè)程序?yàn)閰?shù)化IO口輸出控制基本程序，右側(cè)程序調(diào)用左側(cè)基本程序，代入合適的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了流水燈功能。通過調(diào)整時(shí)間，還可以給流水燈的每一階段不同的時(shí)間。

圖3 LED控制功能函數(shù)與流水燈應(yīng)用程序Figure 3 LED Control Function and Pipeline Lamp Application Program

3 數(shù)據(jù)化IO口輸出控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

參數(shù)化的IO控制函數(shù)讓簡單的LED電路有更加豐富的功能。若將上文中的LED控制功能函數(shù)的參數(shù)以變量形式代入，再添加一些輔助程序，則可以設(shè)計(jì)出更加有意思的功能程序，如LED搖搖棒，LED點(diǎn)陣顯示器，閃光莫爾斯碼發(fā)送器等。下面以閃光莫爾斯碼發(fā)送器設(shè)計(jì)為例說明IO口輸出控制函數(shù)的數(shù)據(jù)化實(shí)現(xiàn)過程。

在設(shè)計(jì)閃光莫爾斯碼發(fā)送器時(shí)，首先需要了解莫爾斯碼的特點(diǎn)和發(fā)送方法，然后設(shè)計(jì)基本莫爾斯碼發(fā)生程序和莫爾斯編碼表。例如ABC的莫爾斯碼分別是：點(diǎn)劃，劃點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)，劃點(diǎn)劃點(diǎn)。用16位數(shù)的高8位表示碼數(shù)，低8位表示編碼內(nèi)容（0為點(diǎn)，1為劃），ABC的編碼分別為0x202,0x401,0x405。根據(jù)編碼規(guī)則和莫爾斯碼發(fā)送時(shí)間規(guī)率，設(shè)計(jì)出莫爾斯碼發(fā)生器程序如圖4所示。下面的函數(shù)以參數(shù)化IO口輸出控制函數(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)莫爾斯碼的信息，將LED的亮暗的時(shí)間信息用變量代入，實(shí)現(xiàn)了莫爾碼的輸出功能。

圖4 莫爾斯碼發(fā)生器程序Figure 4 Morse code generator program

4 IO口輸出控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

原有IO口輸出控制實(shí)驗(yàn)基本實(shí)現(xiàn)了IO口功能的演示與訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方面幾乎沒有什么可記錄的內(nèi)容，而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析對于理解實(shí)驗(yàn)原理、靈活應(yīng)用實(shí)驗(yàn)原理都有很重要的作用。加入?yún)?shù)化和數(shù)據(jù)化之后，IO口輸出控制實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)包含了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、LED亮暗時(shí)間，LED亮暗情況、LED控制數(shù)據(jù)、不同時(shí)間與數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象差異等內(nèi)容，數(shù)據(jù)記錄表格如表1，2所示。通過這些表格，建立起數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的對應(yīng)關(guān)系，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之間的對應(yīng)關(guān)系和不同行數(shù)據(jù)對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象差異，可以更好的理解IO口輸出控制功能和應(yīng)用。

表1 IO口輸出參數(shù)化控制實(shí)驗(yàn)程序測試Table 1 Test of Parametric Control Experiment Program for IO Port Output

表2 莫爾斯碼發(fā)送程序功能測試Table 2 Functional Test of Morse Code Sender

通過對數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，較好的實(shí)現(xiàn)了IO口功能與結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)知識的融會貫通。

5 結(jié)論

本文針對常見的IO輸出控制實(shí)驗(yàn)存在的實(shí)驗(yàn)過程簡單、不充實(shí)、不方便調(diào)整等問題，設(shè)計(jì)了參數(shù)化IO輸出控制程序和數(shù)據(jù)化IO輸出控制程序，在原先驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)程的基礎(chǔ)上加入有效的實(shí)驗(yàn)量化數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識與硬件電路進(jìn)行有效結(jié)合。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。經(jīng)過3輪實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)后對IO口控制功能的應(yīng)用更加熟練，學(xué)習(xí)興趣也有較大提高。