《ATK-DFPGL22G之FPGA开发指南_V1.0》第十章 跑马灯实验
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第十章 跑马灯实验
跑马灯程序是嵌入式开发的一个经典程序，类似于学习C语言时，编写的“Hello World”程序。跑马灯本质上是控制单片机的GPIO输出高低电平，以此达到控制LED等亮灭状态的切换。通过本章的学习，读者将学习到GPIO输出模式的使用。
本章分为如下几个小节：
10.1 硬件设计
10.2 程序设计
10.3 下载验证
10.1 硬件设计
10.1.1 例程功能
1. LED0和LED1以500毫秒的频率交替闪烁，实现类似跑马灯的效果。
10.1.2 硬件资源
1. LED
LED0 - PB5
LED1 - PE5
10.1.3 原理图
本章实验用的两个APM32E103最小系统板板载LED，分别为LED0（红色）和LED1（绿色），其与板载MCU的连接原理图，如下图所示：
10.1.3.1 LED与MCU的连接原理图
从上面原理图中可以看出，LED0和LED1的正极分别通过一个限流电阻连接到了电源正极，而负极分别与MCU的PB5引脚和PE5引脚相连接，因此只需通过控制PB5引脚或PE5引脚输出低电平，则能分别控制LED0和LED1点亮，反之，则熄灭。
10.2 程序设计
10.2.1 Geehy标准库的GPIO驱动
本章实验中要通过控制GPIO引脚输出高低电平来控制LED的亮灭状态，因此需要以下两个步骤：
①：配置GPIO引脚为推挽输出模式
②：设置GPIO引脚输出电平
在Geehy标准库中对应的驱动函数如下：
①：配置GPIO引脚
该函数用于配置GPIO引脚的功能和各项参数，其函数原型如下所示：
void GPIO_Config(GPIO_T* port, GPIO_Config_T* gpioConfig);
该函数的形参描述，如下表所示：
表10.2.1.1 函数GPIO_Config()形参描述
该函数的返回值描述，如下表所示：
表10.2.1.2 函数GPIO_Config()返回值描述
该函数使用GPIO_Config_T类型的结构体变量传入GPIO引脚的配置参数，该结构体的定义如下所示：
typedef enum
{
GPIO_SPEED_10MHz = 1,
GPIO_SPEED_2MHz,
GPIO_SPEED_50MHz
}GPIO_SPEED_T;
typedef enum
{
GPIO_MODE_ANALOG = 0x0,/* 模拟模式 */
GPIO_MODE_IN_FLOATING = 0x04, /* 浮空输入模式 */
GPIO_MODE_IN_PD = 0x28, /* 下拉输入模式 */
GPIO_MODE_IN_PU = 0x48, /* 上拉输入模式 */
GPIO_MODE_OUT_PP = 0x80, /* 通用推挽输出 */
GPIO_MODE_OUT_OD = 0x84, /* 通用推挽输出 */
GPIO_MODE_AF_PP = 0x88, /* 复用推挽输出 */
GPIO_MODE_AF_OD = 0x8C, /* 复用开漏输出 */
}GPIO_MODE_T;
typedef enum
{
GPIO_PIN_0 = ((uint16_t)BIT0),
GPIO_PIN_1 = ((uint16_t)BIT1),
GPIO_PIN_2 = ((uint16_t)BIT2),
GPIO_PIN_3 = ((uint16_t)BIT3),
GPIO_PIN_4 = ((uint16_t)BIT4),
GPIO_PIN_5 = ((uint16_t)BIT5),
GPIO_PIN_6 = ((uint16_t)BIT6),
GPIO_PIN_7 = ((uint16_t)BIT7),
GPIO_PIN_8 = ((uint16_t)BIT8),
GPIO_PIN_9 = ((uint16_t)BIT9),
GPIO_PIN_10= ((uint16_t)BIT10),
GPIO_PIN_11= ((uint16_t)BIT11),
GPIO_PIN_12= ((uint16_t)BIT12),
GPIO_PIN_13= ((uint16_t)BIT13),
GPIO_PIN_14= ((uint16_t)BIT14),
GPIO_PIN_15= ((uint16_t)BIT15),
GPIO_PIN_ALL = ((uint32_t)0XFFFF),
} GPIO_PIN_T;
typedef struct
{
uint16_t pin; /* 指定要配置的GPIO引脚 */
GPIO_SPEED_T speed; /* 输出速度 */
GPIO_MODE_T mode;/* 模式 */
}GPIO_Config_T;
该函数的使用示例，如下所示：
#include "apm32e10x.h"
#include "apm32e10x_gpio.h"
void example_fun(void)
{
GPIO_Config_T gpio_init_struct;
/* 配置PA0引脚为输出模式 */
gpio_init_struct.pin = GPIO_PIN_0;
gpio_init_struct.mode = GPIO_MODE_OUT;
gpio_init_struct.speed = GPIO_SPEED_50MHz;
GPIO_Config(GPIOA, &gpio_init_struct);
}
②：设置GPIO引脚输出电平
该函数用于设置GPIO引脚输出指定电平（高电平或低电平），其函数原型如下所示：
void GPIO_WriteBitValue(GPIO_T* port, uint16_t pin, uint8_t bitVal);
该函数的形参描述，如下表所示：
表10.2.1.3 函数GPIO_WriteBitValue()形参描述
该函数的返回值描述，如下表所示：
表10.2.1.4 函数GPIO_WriteBitValue()返回值描述
该函数的使用示例，如下所示：
#include "apm32e10x.h"
#include "apm32e10x_gpio.h"
void example_fun(void)
{
/* 设置PA0引脚输出低电平 */
GPIO_WriteBitValue(GPIOA, GPIO_PIN_0, BIT_RESET);
/* 设置PA0引脚输出高电平 */
GPIO_WriteBitValue(GPIOA, GPIO_PIN_0, BIT_SET);
}
③：翻转GPIO引脚输出电平（补充）
该函数用于翻转GPIO引脚的输出电平，其函数原型如下所示：
void GPIO_SetBit(GPIO_T* port, uint16_t pin);
void GPIO_ResetBit (GPIO_T* port, uint16_t pin);
该函数的形参描述，如下表所示：
表10.2.1.5 GPIO_ToggleBit()形参描述
该函数的返回值描述，如下表所示：
表10.2.1.6 GPIO_TogglePin()返回值描述
该函数的使用示例，如下所示：
#include "apm32e10x.h"
#include "apm32e10x_gpio.h"
void example_fun(void)
{
/* 翻转PA0引脚输出电平 */
GPIO_SetBit (GPIOA, GPIO_PIN_0);
delay_ms(10);
GPIO_ResetBit (GPIOA, GPIO_PIN_0);
delay_ms(10);
}
10.2.2 LED驱动
LED驱动主要就是控制GPIO引脚输出高低电平，来控制LED亮起或熄灭。本章实验中，LED的驱动代码包括led.c和led.h两个文件（本书配套实验例程中，器件或外设的驱动代码基本都由一个C源文件和一个对应的头文件组成）。
根据原理图可知，应当将PB5引脚和PE5引脚配置为推挽输出模式，并在需要控制LED0（LED1）亮起的时候，设置PB5引脚（PE5引脚）输出低电平，在需要控制LED0（LED1）熄灭的时候，设置PB5引脚（PE5引脚）输出高电平。
LED驱动中，对引脚的定义，如下所示：
#define LED0_GPIO_PORT GPIOB
#define LED0_GPIO_PIN GPIO_PIN_5
#define LED0_GPIO_CLK_ENABLE() \
do { \
RCM_EnableAPB2PeriphClock(RCM_APB2_PERIPH_GPIOB); \
} while (0)
#define LED1_GPIO_PORT GPIOE
#define LED1_GPIO_PIN GPIO_PIN_5
#define LED1_GPIO_CLK_ENABLE() \
do { \
RCM_EnableAPB2PeriphClock(RCM_APB2_PERIPH_GPIOE); \
} while (0)
在后续的实验代码中，基本都会使用上述的宏定义的方式定义GPIO引脚的各种信息（GPIO端口、GPIO引脚号、GPIO端口时钟使能和GPIO复用功能等信息）。
LED驱动中，操作引脚的定义，如下所示：
#define LED0(x) \
do { x ? \
GPIO_SetBit(LED0_GPIO_PORT, LED0_GPIO_PIN) : \
GPIO_ResetBit(LED0_GPIO_PORT, LED0_GPIO_PIN); \
} while (0)
#define LED1(x) \
do { x ? \
GPIO_SetBit(LED1_GPIO_PORT, LED1_GPIO_PIN) : \
GPIO_ResetBit(LED1_GPIO_PORT, LED1_GPIO_PIN); \
} while (0)
#define LED0_TOGGLE()
do{ GPIO_ReadOutputBit(LED0_GPIO_PORT,LED0_GPIO_PIN) ? \
(GPIO_ResetBit(LED0_GPIO_PORT, LED0_GPIO_PIN)): \
(GPIO_SetBit(LED0_GPIO_PORT, LED0_GPIO_PIN)); \
}while(0)
#define LED1_TOGGLE()
do{ GPIO_ReadOutputBit(LED1_GPIO_PORT, LED1_GPIO_PIN) ? \
(GPIO_ResetBit(LED1_GPIO_PORT, LED1_GPIO_PIN)): \
(GPIO_SetBit(LED1_GPIO_PORT, LED1_GPIO_PIN)); \
}while(0)
在后续实验代码中，基本都会使用上述的宏定义的方式定义GPIO引脚的操作（设置GPIO引脚输出高电平或低电平、翻转GPIO引脚输出电平和读取GPIO引脚输入电平等操作）。
LED驱动中，LED的初始化函数，如下所示：
/**
* @brief 初始化LED
* @param 无
* @retval 无
*/
void led_init(void)
{
GPIO_Config_T gpio_init_struct;
LED0_GPIO_CLK_ENABLE(); /* LED0时钟使能 */
LED1_GPIO_CLK_ENABLE(); /* LED1时钟使能 */
gpio_init_struct.pin = LED0_GPIO_PIN; /* LED0引脚 */
gpio_init_struct.mode = GPIO_MODE_OUT_PP; /* 推挽输出 */
gpio_init_struct.speed = GPIO_SPEED_50MHz; /* 高速 */
GPIO_Config(LED0_GPIO_PORT, &gpio_init_struct); /* 初始化LED0引脚 */
gpio_init_struct.pin = LED1_GPIO_PIN; /* LED1引脚 */
gpio_init_struct.mode = GPIO_MODE_OUT_PP; /* 推挽输出 */
gpio_init_struct.speed = GPIO_SPEED_50MHz; /* 高速 */
GPIO_Config(LED1_GPIO_PORT, &gpio_init_struct); /* 初始化LED1引脚 */
LED0(1); /* 关闭LED0 */
LED1(1); /* 关闭LED1 */
}
LED的初始化函数中，使能了LED0和LED1控制引脚的GPIO端口时钟，并将其配置为推挽输出模式，最后默认将LED的状态设置为熄灭状态。
10.2.3 实验应用代码
本实验的应用代码，如下所示：
int main(void)
{
NVIC_ConfigPriorityGroup(NVIC_PRIORITY_GROUP_4); /* 设置中断优先级分组为组4 */
sys_apm32_clock_init(15); /* 配置系统时钟 */
delay_init(120); /* 初始化延时功能 */
usart_init(115200); /* 初始化串口 */
led_init(); /* 初始化LED */
while (1)
{
LED0(0); /* LED0亮 */
LED1(1); /* LED1灭 */
delay_ms(500); /* 延时500毫秒 */
LED0(1); /* LED0灭 */
LED1(0); /* LED1亮 */
delay_ms(500); /* 延时500毫秒 */
}
}
可以看到，在调用LED初始化之前，会先调用以下函数：
NVIC_ConfigPriorityGroup(NVIC_PRIORITY_GROUP_4); /* 设置中断优先级分组为组4 */
sys_apm32_clock_init(15); /* 配置系统时钟 */
delay_init(120); /* 初始化延时功能 */
usart_init(115200); /* 初始化串口 */
①：第一行代码用于设置中断优先级分组为组4，主要用于后续配置中断时使用，并且在后续应用代码运行时，强烈不建议再修改中断优先级分组设置，因此在一开始初始化时先设置好中断优先级分组。
②：第二行代码用于配置系统时钟，因为大部分实验例程都无需考虑低功耗应用，因此大部分实验例程配置系统时钟的参数都与本实验一致，将系统主频配置为120MHz。
③：第三行代码用于初始化延时功能，为后续的应用代码提供微秒级和毫秒级的延时的功能。
④：第四行代码用于初始化用于调试功能的USART1，为后续的应用代码提供printf等功能，方面通过串口调试助手查看程序运行情况。
⑤：以上四行代码都是执行一些必要的初始化，基本在后续的每一个实验例程中都会看见，后续不再赘述。
执行完必要的初始化后，紧接着初始化LED，然后在一个while循环中重复地控制板载LED0和LED1轮流亮起和熄灭，轮流时间为500毫秒，以此实现跑马灯的效果。
10.3 下载验证
在完成编译和烧录操作后，可以看到板子上的LED0和LED1轮流亮起和熄灭，轮流的时间大约为500毫秒，与预期的实验效果相符。
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