嵌入式分享合集57
一、兩種單片機編程思想
分層思想
????分層的思想，并不是什么神秘的東西，事實上很多做項目的工程師本身自己也會在用。看了不少帖子都發現沒有提及這個東西，然而分層結構確是很有用的東西，參透后會有一種恍然大悟的感覺。如果說我不懂LCD怎么驅動，那好辦，看一下datasheet，參考一下阿別人的程序，很快就可以做出來。但是如果不懂程序設計的思想的話，會給你做項目的過程中帶來很多很多的困惑。
????參考了市面上各種各樣的嵌入式書籍，MCS-51，AVR ，ARM 等都有看過，但是沒有發現有哪本是介紹設計思想的，就算有也是鳳毛麟角。寫程序不難，但是程序怎么樣才能寫的好，寫的快，那是需要點經驗積累的。結構化模塊化的程序設計的思想，是最基本的要求。
????然而這么將這個抽象的概念運用到工程實踐當中恩？那需要在做項目的過程中經歷磨難，將一些東西總結出來，抽象升華為理論，對經驗的積累和技術的傳播都大有裨益。所以在下出來獻丑一下，總結一些東西。
????就我個人的經驗而談，有兩個設計思想是非常重要的。
????一個就是“時間片輪的設計思想”，這個對實際中解決多任務問題非常有用，通常可以用這個東西來判斷一個人是單片機學習者，還是一個單片機工程師。這個必須掌握。（下文將介紹）。
?????第二個就是“分層屏蔽的設計思想”即分層思想。下面用掃描鍵盤程序例子作為引子，引出今天說的東西。
問題的提出
????單片機學習板一般為了簡單起見，將按鍵分配的很好，例如整個 4*4 的鍵盤矩陣分配到 P1 口上面，8條控制線，剛好。這樣的話程序也非常好寫。只需要簡單的：
KEY_DAT= P1;????端口的數據就讀進來了。
????誠然，現實中沒有這么好的事情。在實際的項目應用當中，單片機引腳的復用相當厲害，這跟那些所謂的單片機學習板就有很大的差別了。
????另外一個原因，一般設計來說，是“軟件配合硬件”的設計流程，簡單點說就是，先確定好硬件原理圖，硬件布線，最后才是軟件的開發，因為硬件修改起來比較麻煩，相對來說軟件修改的時候比較好改。這個就是中國傳統的陰陽平衡哲學原理。硬件設計和軟件設計本來就是魚和熊掌的關系，兩者不可兼得。方便了硬件設計，很可能給寫軟件帶來很大的麻煩。
????反過來說，方便了軟件設計，硬件設計也會相當的麻煩。如果硬件設計和軟件設計同時方便了，那只有兩種可能，一是這個設計方案非常簡單，二是設計師已經達到了一個非常高的境界。我們不考慮那么多情況，單純從常用的實際應用的角度來看問題。
????硬件為了布線的方便，很多時候會可能將IO口分配到不同的端口上面，例如上面說的4*4鍵盤，8根線分別分配到 P0 P1 P2 P3 上面去了。那么，開發板的那些掃描鍵盤程序可以去見鬼了。怎么掃按鍵？我想起了我剛開始學習的時候，分成3段非常相似的程序，一個一個按鍵的掃描的經歷......
????或許有人不甘心，“那些東西我花了很長時間學習的，也用的好好的，怎么能說一句不用就不用？”雖然有點殘忍，但是我還是想說“兄弟，接受現實吧，現實是殘酷的......”
????不過，人區別于低等動物的差別，是人會創造，在碰到困難的時候會想辦法解決，于是我們開始了沉思......
????最后我們引入初中數學學的“映射”的概念來解決問題。基本思想就是，將不同端口的按鍵映射到相同端口上面。
按鍵掃描程序如何分成3個層
????最底層的是硬件層，完成端口掃描，20ms延時消抖，將端口的數據映射到一個KEY_DAT寄存器上面，KEY_DAT作為對上層驅動層的一個接口。
????中間的一層是驅動層，驅動層只對 KEY_DAT 寄存器的數值進行操作。簡單點說，我們無論底層的硬件是怎么接線的，在驅動層都不需要關心，只需要關心 KEY_DAT 這個寄存器的數值是什么就可以了。這樣出來的間接效果就是“屏蔽了底層硬件的差異”，所以驅動層寫的程序就可以通用了。
????驅動層的另外一個功能是為了上層提供消息接口。我們用了類似window程序的消息的概念。這里可以提供一些按鍵消息，例如：按下消息，松開消息，長按鍵消息，長按鍵的時候的步進消息，等等。
????應用層屬于最上層的程序，這里就是根據項目的不同分別寫按鍵功能程序。它使用的是驅動層提供的消息接口。在應用層寫程序的思想就是，我不管下層是怎么工作的，我只關心按鍵消息。有按鍵消息來的時候我就執行功能，沒有消息來的時候，我就什么也不做。
????下面用一個簡單的常用的例子，說明我們這個設計思想的用法。
????秒表調整時間的時候，要求按著某個按鍵不放，時間能連續的向上增加。這個東西很實用，實際的家電中用途很廣泛。
????在看下面的東西之前，大家可以想一下，這東西難嗎？相信大家都會很響亮的回答，“不難！！”，然而我再問：“這東西麻煩嗎？”我相信很多人肯定會說“很麻煩！！” 這不禁讓我想起開始學單片機的時候寫這種按鍵的那程序，亂七八糟的結構。如果不相信的話，可以自己用51寫一下哦，那樣就更加能體會本文說的分層結構的優越性。
項目要求：
????兩個按鍵，分別分配在P10 和P20，分別是“加”“減”按鍵，要求長按鍵的時候實現連續加和連續減的功能。
實戰：
????假設按鍵上拉，沒有按鍵的時候高電平，有按鍵的時候低電平，另外，為了突出問題，這里沒有將延時消抖的程序寫上去，在實際項目中應該加上。C語言函數參數的傳遞多種多樣，這里作為例子，用了最簡單的全局變量來傳遞參數，當然你也可以用 unsigned charReadPort(void)返回一個讀鍵結果，甚至還可以 void ReadPort(unsigned char*pt) 用一個指針變量傳遞地址而達到直接修改變量的目的。方法是多種多樣的，這個決定于每個人的程序風格。
?1）開始寫硬件層程序，完成映射
#defineKYE_MIN 0X01#defineKEY_PLUS 0X01unsignedchar KeyDat;voidReadPort(void){if (P1 & KEY_PLUS == 0 ) { KeyDat |= 0x01 ; }if (P2 & KEY_MIN == 0 ) { KeyDat |= 0x02 ;??}}????C語言應該很容易看懂吧？如果 KEY_PLUS 按下，P10口讀到低電平，則 P1 &KEY_PLUS 的結果為 0 (xxxx xxx0 & 0000 0001)，滿足if 的條件，進入KeyDat |=0x01 ?是將 KeyDat 的bit0 置一，也就是說，將 KEY_PLUS 映射到 KeyDat 的 bit0
??? KEY_MIN是同樣的道理映射到 KeyDat 的 bit1，如果 KeyDat 的 bit0 為 1 ，則說明 KEY_PLUS 按下，反則亦然。
????不需要想的很神秘，映射就是這么一回事。如果還有其他按鍵的話，用同樣辦法，將他們全部映射到 KeyDat 上面。
2）驅動層程序編寫
????如果將 KeyDat想象成 P1 口，那么這個跟學習板那標準的掃描程序不就是一樣了嗎？對的，這個就是底層映射的目的了。
3）應用層程序編寫
????根據消息，硬件層是必須分離出來，然而驅動層和應用層的要求就不那么嚴格了，事實上一些簡單的項目沒有必要將這兩層分離開來，根據實際應用靈活應對就可以了。
????其實這樣寫程序是很方便移植的，根據板子的不同而適當的修改一下硬件層那個 ReadPort 函數就完成了，驅動層和應用層很多代碼可以不經過修改直接用，很能提高開發效率的。當然這個按鍵程序會存在一定的問題，特別是遇到常閉按鍵和點觸按鍵的混合使用的場合。這個留給大家自己去想了，反正問題總是能找到解決辦法的，盡管方法有好有壞。
時間片輪設計思想
????先用一個小例子引出今天的主題，想象一下，一個基本的家電控制板，肯定或多或少的會包含 ：LED 或者 數碼管顯示，按鍵， 繼電器或者可控硅的輸出 這3部分。數碼管需要 10ms到20ms的動態掃描，按鍵也需要20ms左右的延時消抖，有沒有意識到，其實這些時間是同時在進行的。
????回想一下咱們的教科書怎么教 按鍵 的延時消抖的？沒錯，死循環，絕對是原地踏步死循環，用指令來計時。這樣很自然的引發一個問題，單片機在原地踏步死循環的話，那么其它的工作怎么辦？如數碼管的動態掃描怎么辦？
????唯有等按鍵掃描之后再進行了，這樣出來的效果，數碼管肯定會閃爍的，掃描時間過長了，縮短按鍵消抖時間也不是解決辦法，想象如果咱們還有其它很多工作也是同時做的呢？解決辦法之一，就是今天的主題，分時掃描的思想。當然不會是唯一的辦法，只不過俺一直在用，覺得這個是非常不錯的思想，可以解決很多實際問題。大膽妄言一下，分時掃描的思想也是單片機編程最核心的思想了，信不信就由你自己判斷了。
核心思想的實現過程
????第一、用RTC中斷來計時，RTC的中斷時間短一點，我習慣是125us ，為了解紅外遙控的碼，這個時間是需要的。RTC計時是相當準的，盡量利用。
????第二、在RTC的中斷服務程序里面放3個（數量自定）記時器（說白了就是計數器），我的習慣是 2ms 5ms 500ms 這3個是作為基準時間，提供給整個系統來調用的，所以必須準確一點，實際用示波器調一下就OK了，不難。
????第三、在主程序的循環里面放一個專門處理時間的子程序。（注：單片機是不會停的，永遠在不斷循環的跑，這個跟學校學的貌似有點不同，俺面試的時候被問過這個問題 ….） ?將所有的時間處理都放在時間處理子程序里面做，這樣是非常方便的，一個單片機系統最起碼需要處理 10～20個不同的時間，也需要10～20個計時器了，而且相當多要求同時不同步工作的，如果每個都單獨的話是相當的麻煩。
????第四、“程序是跑著來等，而不是站著來等”，這話看來有點玄，一個跟俺一起進去公司的工程師討論的時候提到的這個問題，俺覺得這個也是分時系統的一個比較重要的思想，所以也這樣叫，下面有細說。
????第五、下面用程序來說話，注釋盡量詳細，可以不用看代碼，直接看注釋就可以了。
先中斷服務程序部分
????每 125us 中斷一次，產生幾個基準時間。
（1） ref_2ms寄存器不斷的減1，每次中斷減1，一共減 16次，所以這里經過的時間是 125us × 16 ＝ 2ms，這個就是所謂的計時/計數器 了。這樣就可以靠一個系統的RTC中斷，來實現我們需要的很多個定時時間。
（2）置2ms 計時結束標志，這個是提供給時間處理程序用的，這是一個計時器的框架，下面的5ms計時完全相同。
????這程序還用了一個塊的框架，比較方便的，不過跟今天的主題無關，以后郁悶的時候再上來寫寫這個。上面的程序就是中斷服務程序里面的計時器，分別定時 2ms 5ms 500ms，計時完畢溢出是flag_time 標志來記錄的，程序通過讀這個標志就可以知道定時的時間是否已經到了。
下面看那個統一的時間服務子程序
????上面用了按鍵20ms消抖的計時器作為例子，如果理解之后就可以發現，我們可以完全模仿那個計時器而在下面放很多很多的計時器，則每5ms 進來一下，每個計時器都同時在計數了，誰先計算完畢就先關掉自己，置相應的標志給其它程序調用，而對其它計時器完全沒有影響！這樣，我們可以在這里放很多個計時器了，一般來說，十來二十個是沒有問題的，完全滿足一個單片機系統對多個時間的需求了。
????單個計時器的結構很簡單，先判斷允許計時標志是否進入計時，然后一個專用的寄存器在加1或者減1，加/減相應的數值之后也就是相應的時間到了，關掉計時器，置相應需要用到的標志。
????到這里差不多了，俺們需要的時間都可以出來了，這樣做是不是非常方便？咱們再來看看在這段時間里單片機在做了什么東西？只有中斷計時夠 5ms 或者 500ms ，那個溢出標志才有效，才能進入上面的計時程序，其它時間都是在做其它事情。而且進入上面的計時器的時候，可以看出，并不是在那里死循環，只是單純的加減一下寄存器就退出了，整個過程耗時極其短，看代碼不同吧，5us到 20us左右吧，對主程序的執行沒有什么影響。
下面看看具體怎么調用
????最開始談過的按鍵的消抖時間處理問題，現在就用上面介紹的辦法來看具體怎么解決問題。
????大概是這樣的：判斷什么時候有健，沒有的話跳出，有的話開始延時消抖的計時，第二次進來的時候直接由標志位控制過去判斷時間時候夠。
????同樣是等待，這里就是最后一點所說的，咱這是跑著來等，不是站著來等。跟死循環定時比較，在沒有定時到20ms 的這段時間里面單片機在做什么？死循環的話，肯定就是在原地等，什么都不做，而看看上面的程序，他只是判斷是否定時夠，具體的定時在統一的時間子程序里面做，判斷沒有到時間的話就跳出了，繼續跑其它的程序，直到當時間到了，單片機判斷出flag_delay,key_flow 符合條件，開始進入按鍵處理程序了，在這個期間，單片機都在做其它事情，只是一個主循環跑回來判斷一次，所以單片機完全有空跑其它的程序，而沒有將時間都耗在消抖上面。
主程序循環體
????這個就是用到的循環體了，所有功能都做成子程序形式了，需要就掛上去就可以了，比較方便，這樣一個總的循環體，單片機就是在不斷的執行這個循環體，如果整個程序都采用上面說的分時掃的思想的話，一周循環回來的時間是相當短的，其實是不是跟電腦的思想有點像呢？
????電腦再快也并不是同時處理多個任務，而且每次處理一個，然后非常快的速度來循環處理，讓我們感覺上他是在同時處理多個程序那樣，我想，我最終想表達的思想也就是這個而已。有這個思想支撐下，單片機的程序變得比較容易上手了，剩下的只是集中精力去用程序來實現我們的思想而已，當然，這里只是說一種可行的辦法而已，不是說只有這種辦法。
二、嵌入式開發中的C語言編程思想
1 編程風格
????《計算機程序的構造和解釋》一書在開篇寫到：程序寫出來是給人看的，附帶能在機器上運行。
1.1 整潔的樣式
????使用什么樣的編碼樣式一直都頗具爭議性的，比如縮進和大括號的位置。因為編碼的樣式也會影響程序的可讀性，面對一個亂放括號、對齊都不一致的源碼，我們很難提起閱讀它的興趣。
????我們總要看別人的程序，如果彼此編碼樣式相近，讀起源碼來會覺得比較舒適。但是編碼風格的問題是主觀的，永遠不可能在編碼風格上達成統一意見。因此只要你的編碼樣式整潔、結構清晰就足夠了。除此之外，對編碼樣式再沒有其它要求。
????提出匈牙利命名法的程序員、前微軟首席架構師Charles Simonyi說：我覺得代碼清單帶給人的愉快同整潔的家差不多。你一眼就能分辨出家里是雜亂無章還是整潔如新。這也許意義不大。因為光是房子整潔說明不了什么，它仍可能藏污納垢！
????但是第一印象很重要，它至少反映了程序的某些方面。我敢打賭，我在3米開外就能看出程序拙劣與否。我也許沒法保證它很不錯，但如果從3米外看起來就很糟，我敢保證這程序寫得不用心。如果寫得不用心，那它在邏輯上也許就不會優美。
1.2清晰的命名
????變量、函數、宏等等都需要命名，清晰的命名是優秀代碼的特點之一。命名的要點之一是名稱應能清晰的描述這個對象，以至于一個初級程序員也能不費力的讀懂你的代碼邏輯。我們寫的代碼主要給誰看是需要思考的：給自己、給編譯器還是給別人看？
????我覺得代碼最主要的是給別人看，其次是給自己看。如果沒有一個清晰的命名，別人在維護你的程序時很難在整個全貌上看清代碼，因為要記住十多個以上的糟糕命名的變量是件非常困難的事；而且一段時間之后你回過頭來看自己的代碼，很有可能不記得那些糟糕命名的變量是什么意思。
????為對象起一個清晰的名字并不是簡單的事情。首先能認識到名稱的重要性需要有一個過程，這也許跟譚式C程序教材被大學廣泛使用有關：滿書的a、b、c、x、y、z變量名是很難在關鍵的初學階段給人傳達優秀編程思想的；其次如何恰當的為對象命名也很有挑戰性，要準確、無歧義、不羅嗦，要對英文有一定水平，所有這些都要滿足時，就會變得很困難；此外，命名還需要考慮整體一致性，在同一個項目中要有統一的風格，堅持這種風格也并不容易。
????關于如何命名，Charles Simonyi說：面對一個具備某些屬性的結構，不要隨隨便便地取個名字，然后讓所有人去琢磨名字和屬性之間有什么關聯，你應該把屬性本身，用作結構的名字。
1.3恰當的注釋
????注釋向來也是爭議之一，不加注釋和過多的注釋我都是反對的。不加注釋的代碼顯然是很糟糕的，但過多的注釋也會妨礙程序的可讀性，由于注釋可能存在的歧義，有可能會誤解程序真實意圖，此外，過多的注釋會增加程序員不必要的時間。如果你的編碼樣式整潔、命名又很清晰，那么，你的代碼可讀性不會差到哪去，而注釋的本意就是為了便于理解程序。
????這里建議使用良好的編碼樣式和清晰的命名來減少注釋，對模塊、函數、變量、數據結構、算法和關鍵代碼做注釋，應重視注釋的質量而不是數量。如果你需要一大段注釋才能說清楚程序做什么，那么你應該注意了：是否是因為程序變量命名不夠清晰，或者代碼邏輯過于混亂，這個時候你應該考慮的可能就不是注釋，而是如何精簡這個程序了。
2 數據結構
????數據結構是程序設計的基礎。在設計程序之前，應該先考慮好所需要的數據結構。
前微軟首席架構師Charles Simonyi：編程的第一步是想象。就是要在腦海中對來龍去脈有極為清晰的把握。在這個初始階段，我會使用紙和鉛筆。我只是信手涂鴉，并不寫代碼。
????我也許會畫些方框或箭頭，但基本上只是涂鴉，因為真正的想法在我腦海里。我喜歡想象那些有待維護的結構，那些結構代表著我想編碼的真實世界。一旦這個結構考慮得相當嚴謹和明確，我便開始寫代碼。
????我會坐到終端前，或者換在以前的話，就會拿張白紙，開始寫代碼。這相當容易。我只要把頭腦中的想法變換成代碼寫下來，我知道結果應該是什么樣的。大部分代碼會水到渠成，不過我維護的那些數據結構才是關鍵。我會先想好數據結構，并在整個編碼過程中將它們牢記于心。
????開發過以太網和操作系統SDS 940的Butler Lampson：（程序員）最重要的素質是能夠把問題的解決方案組織成容易操控的結構。
????開發CP/M操作系統的Gary.A：如果不能確認數據結構是正確的，我是決不會開始編碼的。我會先畫數據結構，然后花很長時間思考數據結構。在確定數據結構之后我就開始寫一些小段的代碼，并不斷地改善和監測。在編碼過程中進行測試可以確保所做的修改是局部的，并且如果有什么問題的話，能夠馬上發現。
????微軟創始人比爾**·**蓋茨：編寫程序最重要的部分是設計數據結構。接下來重要的部分是分解各種代碼塊。
????編寫世界上第一個電子表格軟件的Dan Bricklin：在我看來，寫程序最重要的部分是設計數據結構，此外，你還必須知道人機界面會是什么樣的。
????我們舉個例子來說明。在介紹防御性編程的時候，提到公司使用的LCD顯示屏抗干擾能力一般，為了提高LCD的穩定性，需要定期讀出LCD內部的關鍵寄存器值，然后跟存在Flash中的初始值相比較。需要讀出的LCD寄存器有十多個，從每個寄存器讀出的值也不盡相同，從1個到8個字節都有可能。如果不考慮數據結構，編寫出的程序將會很冗長。
?????我們分析這個過程，發現能提取出很多相同的元素，比如每次讀LCD寄存器都需要該寄存器的命令號，都會經過讀寄存器、判斷值是否相同、處理異常情況這一過程。所以我們可以提取一些相同的元素，組織成數據結構，用統一的方法去處理這些數據，將數據與處理過程分開來。
????我們可以先提取相同的元素，將之組織成數據結構：
????這里lcd_command表示的是LCD寄存器命令號；lcd_get_value是一個數組，表示寄存器要初始化的值，這是因為對于一個LCD寄存器，可能要初始化多個字節，這是硬件特性決定的；lcd_value_num是指一個寄存器要多少個字節的初值，這是因為每一個寄存器的初值數目是不同的，我們用同一個方法處理數據時，是需要這個信息的。
????就本例而言，我們將要處理的數據都是事先固定的，所以定義好數據結構后，我們可以將這些數據組織成表格：
/*LCD部分寄存器設置值列表*/ lcd_redu_list_struct const lcd_redu_list_str[]= { {SSD1963_Get_Address_Mode,{0x20} ,1}, /*1*/ {SSD1963_Get_Pll_Mn ,{0x3b,0x02,0x04} ,3}, /*2*/ {SSD1963_Get_Pll_Status ,{0x04} ,1}, /*3* {SSD1963_Get_Lcd_Mode ,{0x24,0x20,0x01,0xdf,0x01,0x0f,0x00} ,7}, /*4*/ {SSD1963_Get_Hori_Period ,{0x02,0x0c,0x00,0x2a,0x07,0x00,0x00,0x00},8}, /*5*/ {SSD1963_Get_Vert_Period ,{0x01,0x1d,0x00,0x0b,0x09,0x00,0x00} ,7}, /*6*/ {SSD1963_Get_Power_Mode ,{0x1c} ,1}, /*7*/ {SSD1963_Get_Display_Mode,{0x03} ,1}, /*8*/ {SSD1963_Get_Gpio_Conf ,{0x0F,0x01} ,2}, /*9*/ {SSD1963_Get_Lshift_Freq ,{0x00,0xb8} ,2}, /*10* };????至此，我們就可以用一個處理過程來完成數十個LCD寄存器的讀取、判斷和異常處理了：
/** * lcd 顯示冗余 * 每隔一段時間調用該程序一次 */ void lcd_redu(void) uint8_t tmp[8]; uint32_t i,j; uint32_t lcd_init_flag; lcd_init_flag =0; for(i=0;i<sizeof(lcd_redu_list_str)/sizeof(lcd_redu_list_str[0]);i++) { LCD_SendCommand(lcd_redu_list_str[i].lcd_command); uyDelay(10); for(j=0;j<lcd_redu_list_str[i].lcd_value_num;j++) { tmp[j]=LCD_ReadData(); if(tmp[j]!=lcd_redu_list_str[i].lcd_get_value[j]) { lcd_init_flag=0x55; //一些調試語句，打印出錯的具體信息 goto handle_lcd_init; } } } handle_lcd_init: if(lcd_init_flag==0x55) { //重新初始化LCD //一些必要的恢復措施 } }????通過合理的數據結構，我們可以將數據和處理過程分開，LCD冗余判斷過程可以用很簡潔的代碼來實現。更重要的是，將數據和處理過程分開更有利于代碼的維護。
????比如，通過實驗發現，我們還需要增加一個LCD寄存器的值進行判斷，這時候只需要將新增加的寄存器信息按照數據結構格式，放到LCD寄存器設置值列表中的任意位置即可，不用增加任何處理代碼即可實現！這僅僅是數據結構的優勢之一，使用數據結構還能簡化編程，使復雜過程變的簡單，這個只有實際編程后才會有更深的理解。
3 閱讀書目
????每年都有億萬計的C程序運行在單片機、ARM7、Cortex-M3這些微處理器上，但在這些處理器上如何編寫優質高效的C程序，還要在看看相關書籍。?whaosoft aiot?http://143ai.com?
3.1關于C語言特性
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Stephen Prata 著 云巔工作室 譯 《C Primer Plus（第五版）中文版》
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Andrew Koenig 著 高巍 譯 《C陷阱與缺陷》
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Peter Van Der Linden 著 徐波 譯 《C專家編程》
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陳正沖 編著 《C語言深度解剖》
3.2關于編譯器
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杜春雷 編著 《ARM體系結構與編程》
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Keil MDK 編譯器幫助手冊
3.3關于防御性編程
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MISRA-C-:2004 Guidelines for the use of the C language in criticalsystems
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Robert C.Seacord 著 徐波 譯 《C安全編碼標準》
3.4關于編程思想
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Pete Goodliffe 著 韓江、陳玉 譯 《編程匠藝---編寫卓越的代碼》
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Susan Lammers 著 李琳驍、吳詠煒、張菁《編程大師訪談錄》
三、了解電容器
電容器是怎么一回事 ? 它是如何裝電的，又是如何放電的？怎么同法拉弟扯上關系了?
電容器是這么一回事......
它是一種裝電的容器，是一種容納電荷的器件。
?
任何兩個彼此絕緣且相隔很近的導體（包括導線）間都構成一個電容器
絕緣介質不同，導體間距不同，其裝電的本領不同的，這個我們后面再詳細說。?
我們理解一下
電容器是如何裝電又如何放電？
電容器充電示意圖
電容器放電示意圖
?
電容器裝電的本領?—?靜電容量
水桶裝水的本領用容積表示，基本單位:立方米.
電容器裝電的本領用靜電容量表示，基本單位:法拉（F）.
1法拉的意思是給1V的電壓，這個電容器能裝1庫侖（6.25×1018個電子）電荷！
在電容器這個領域1法拉太大了……！皮法、納法和微法才是常用的單位。
1法拉(F)=103毫法(mF)=106微法(uF)=109納法（nF）=1012皮法（pF）
"為什么用法拉做容量的單位？"
童鞋們總是很認真!
用“法拉”做容量的單位，是讓世人緬懷那個名叫“法拉弟”的牛人在電學上無與倫比的牛逼貢獻！
讓我們看看他有多牛逼......
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他的全名叫邁克爾·法拉第——Michael Faraday
他幼年時沒有受過正規教育，因家里貧窮只讀了兩年小學．
牛逼的人都早早退學創業去了！
他22歲開始有幸做了當時科技大咖戴維的仆人，幫老師擦鞋，做實驗，跟著這個牛逼的大師在歐洲各國混江湖！
有個牛逼的導師是你是否能牛逼的前提！
他27歲開始在大師戴維的指導下，做了一系列不僅僅是擦鞋的事兒，其中在研究合金鋼時首創了金相分析方法，今天科技研究合金都用這個方法….
牛逼的人干啥都像樣！
他30歲時，干了一件他自己覺得很牛逼的事，發明一個只要有電通過相關機件就會轉動的裝置，人類歷史上第一臺電動機,，裝置簡陋，但它卻是今天世界上使用的所有電動機的祖先。
但由于他沒有先向當時的大牛逼導師戴維匯報就自行發表成果，大牛逼導師戴維表示很生氣.他被認為不乖被打屁屁了，各門各派向他發出噓聲……
即使你已是個牛逼，但有大牛逼在場時，低調點！
在冷眼、誹謗甚至污辱中郁悶了很多年……,?他只能聽服從安排去玩玻璃….，直到大牛逼戴維去世，才又做他喜歡做的事。
他40歲時，干了一件轟動江湖連當時各門各派的大咖們都覺得牛逼的大事，他用實驗揭開了電磁感應定律，發明了圓盤發電機。
結構雖然簡單，但它卻是人類創造出的第一個發電機，現代世界上產生電力的發電機就是從它開始的。
……..他還有很多牛逼的事兒，如最先提出電場概念和電場線概念的。在電化學方面精心試驗，總結了兩個電解定律，這兩個定律均以他的名字命名，構成了電化學的基礎。他將化學中的許多重要術語給予了通俗的名稱，如陽極、陰極、電極、離子等…….
法位第的勞動成果如同太陽般無私而實在地給人類帶來光明動力！
是從法拉第的發明成果開始，才有我們人類社會今天五彩繽紛的世界！
法拉第的貢獻惠及每個人，把人類文明提高到空前高度，把文明進程提前幾百年……！
用“法拉”做容量的單位，我們就是這樣率真地緬懷這個名叫“法拉弟”的牛人！
關于電容器裝電的本領——靜電容量的大小可以通過公式C=Q/U進行測算，當然現在有很多專用的儀器可以直接測試出來了。
關鍵是，電容器裝電的本領——靜電容量，由電極板正對面積、電極板間距和兩電極板間的介質種類三決定的，公式關系如下：
即是說，電容器的絕緣介質不同，電極板間距不同，電板板正對面積不同其裝電的本領不同的.
還有一點很重要的是，電容器的絕緣介質當存在某方面的優點時總會在另一方面存在缺點。
據此，為提高電容器的裝電能力，或適應不同的使用場合，工程師們各顯神通，創造出各有五花八門各有特點電容器。
四、紅外遙控編解碼
紅外遙控器原理介紹
????紅外線遙控是目前使用最廣泛的一種通信和遙控手段。由于紅外線遙控裝置具有體積小、 功耗低、 功能強、 成本低等特點， 因而， 繼彩電、 錄像機之后， 在錄音機、 音響設備、 空調機以及玩具等其它小型電器裝置上也紛紛采用紅外線遙控。工業設備中， 在高壓、 輻射、 有毒氣體、 粉塵等環境下， 采用紅外線遙控不僅完全可靠而且能有效地隔離電氣干擾。
????紅外遙控系統：通用紅外遙控系統由發射和接收兩大部分組成， 應用編/解碼專用集成電路芯片來進行控制操作， 如圖1所示。發射部分包括鍵盤矩陣、 編碼調制、 LED紅外發送器；接收部分包括光、 電轉換放大器、 解調、 解碼電路。
紅外的簡單發射接收原理
????在發射端，輸入信號經放大后送入紅外發射管發射，在接收端，接收管收到紅外信號后，由放大器放大處理后還原成信號，這就是紅外的簡單發射接收原理。
1、紅外遙控系統結構
????紅外遙控系統的主要部分為調制、發射和接收，如下圖所示：
????紅外遙控是以調制的方式發射數據，就是把數據和一定頻率的載波進行“與”操作，這樣既可以提高發射效率又可以降低電源功耗。
????調制載波頻率一般在30khz到60khz之間，大多數使用的是38kHz，占空比1/3的方波，載波波形如下圖所示，這是由發射端所使用的455kHz晶振決定的。在發射端要對晶振進行整數分頻，分頻系數一般取12，所以455kHz÷12≈37.9kHz≈38kHz。
????目前有很多種芯片可以實現紅外發射，可以根據選擇發出不同種類的編碼。由于發射系統一般用電池供電，這就要求芯片的功耗要很低，芯片大多都設計成可以處于休眠狀態，當有按鍵按下時才工作，這樣可以降低功耗芯片所用的晶振應該有足夠的耐物理撞擊能力，不能選用普通的石英晶體，一般是選用陶瓷共鳴器，陶瓷共鳴器準確性沒有石英晶體高，但通常一點誤差可以忽略不計。
????紅外線通過紅外發光二極管(LED)發射出去，紅外發光二極管（紅外發射管）內部構造與普通的發光二極管基本相同，材料和普通發光二極管不同，在紅外發射管兩端施加一定電壓時，它發出的是紅外線而不是可見光。
????如上圖是LED的驅動最簡單電路，選用元件時要注意三極管的開關速度要快，還要考慮到LED的正向電流和反向漏電流，一般流過LED的最大正向電流為100mA，電流越大，其發射的波形強度越大。
????電路有一點缺陷，當電池電壓下降時，流過LED的電流會降低，發射波形強度降低，遙控距離就會變小。
????上圖所示的射極輸出驅動電路可以解決這個問題，兩個二極管把三級管基極電壓鉗位在1.2V左右，因此三級管發射極電壓固定在0.6V左右，發射極電流IE基本不變，根據IE≈IC,所以流過LED的電流也基本不變，這樣保證了當電池電壓降低時還可以保證一定的遙控距離。
2、一體化紅外接收頭
????紅外信號收發系統的典型電路如上圖所示，紅外接收電路通常被廠家集成在一個元件中，成為一體化紅外接收頭。內部電路包括紅外監測二極管，放大器，限幅器，帶通濾波器，積分電路，比較器等。紅外監測二極管監測到紅外信號，然后把信號送到放大器和限幅器，限幅器把脈沖幅度控制在一定的水平，而不論紅外發射器和接收器的距離遠近。交流信號進入帶通濾波器，帶通濾波器可以通過30khz到60khz的負載波，通過解調電路和積分電路進入比較器，比較器輸出高低電平，還原出發射端的信號波形。注意輸出的高低電平和發射端是反相的，這樣的目的是為了提高接收的靈敏度。
????一體化紅外接收頭，如下圖所示：
????紅外接收頭的種類很多，引腳定義也不相同，一般都有三個引腳，包括供電腳，接地和信號輸出腳。根據發射端調制載波的不同應選用相應解調頻率的接收頭。
????紅外接收頭內部放大器的增益很大，很容易引起干擾，因此在接收頭的供電腳上須加上濾波電容，一般在22uf以上。有的廠家建議在供電腳和電源之間接入330歐電阻，進一步降低電源干擾。
????紅外發射器可從遙控器廠家定制，也可以自己用單片機的PWM產生，家庭遙控推薦使用紅外發射管(L5IR4-45)的可產生37.91KHz的PWM,PWM占空比設置為1/3,通過簡單的定時中斷開關PWM,即可產生發射波形。
紅外編解碼解析
1、編碼格式
????現有的紅外遙控包括兩種方式：PWM（脈沖寬度調制）和PPM（脈沖位置調制）。
兩種形式編碼的代表分別為NEC 和PHILIPS 的RC-5、RC-6 以及將來的RC-7。
??? PWM（脈沖寬度調制）：以發射紅外載波的占空比代表“0”和“1”。為了節省能量，一般情況下，發射紅外載波的時間固定，通過改變不發射載波的時間來改變占空比。例如常用的電視遙控器，使用NEC upd6121，其“0”為載波發射0.56ms,不發射0.56ms；其“1”為載波發射0.56ms,不發射1.68ms；此外，為了解碼的方便，還有引導碼，upd6121 的引導碼為載波發射9ms，不發射4.5ms。upd6121 總共的編碼長度為108ms。
????但并不是所有的編碼器都是如此，比如TOSHIBA 的TC9012，其引導碼為載波發射4.5ms，不發射4.5ms，其“0”為載波發射0.52ms,不發射0.52ms,其“1”為載波發射0.52ms,不發射1.04ms。
????PPM（脈沖位置調制）：以發射載波的位置表示“0”和“1”。從發射載波到不發射載波為“0”，從不發射載波到發射載波為“1”。其發射載波和不發射載波的時間相同，都為0.68ms，也就是每位的時間是固定的。
????通過以上對編碼的分析，可以得出以某種固定格式的“0”和“1”去學習紅外，是很有可能不成功的。即市面上所宣傳的可以學習64 位、128 位必然是不可靠的。
????另外，由于空調的狀態遠多于電視、音像，并且沒有一個標準，所以各廠家都按自己的格式去做一個，造成差異更大。比如：美的的遙控器采用PWM 編碼，碼長120ms 左右；新科的遙控器也采用PWM 編碼，碼長500ms 左右。如此大的差異，如果按“位”的概念來講，應該是多少位呢？64？128?顯然都不可能包含如此長短不一的編碼。
2、紅外遙控編碼格式
????紅外遙控器的編碼格式通常有兩種格式：NEC 和RC5
??? NEC 格式的特征：
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使用38 kHz 載波頻率
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引導碼間隔是9 ms + 4.5 ms
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使用16 位客戶代碼
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使用8 位數據代碼和8 位取反的數據代碼
????不過需要將波形反轉一下才方便分析：
??? NEC 協議通過脈沖串之間的時間間隔來實現信號的調制（英文簡寫PWM）。
????邏輯“0”是由0.56ms的38KHZ載波和0.560ms 的無載波間隔組成；邏輯“1”是由0.56ms 的38KHZ 載波和1.68ms 的無載波間隔組成；結束位是0.56ms 的38K 載波。
????下面實例是已知NEC類型遙控器所截獲的波形：
????遙控器的識別碼是Address=0xDD20;其中一個鍵值是Command=0x0E；
????注意：波形先是發低位地址再發高位地址。
????所以0000,0100,1011,1011 反轉過來就是1101,1101,0010,000 十六進制的DD20；
????鍵值波形如下：
????也是要將0111,0000 反轉成0000,1110得到十六進制的0E；另外注意8 位的鍵值代碼是取反后再發一次的,如圖0111,0000 取反后為1000,1111。最后一位是一個邏輯“1”。
??? RC5 編碼相對簡單一些：同樣由于取自紅外接收頭的波形需要反相一下波形以便于分析：
????反相后的波形：
????根據編碼規則：
????得到一組數字：110， 11010， 001101根據編碼定義：
????第一位是起始位S通常是邏輯1。
????第二位是場位F通常為邏輯1， 在RC5 擴展模式下它將最后6位命令代碼擴充到7 位代碼（高位MSB） ， 這樣可以從64 個鍵值擴充到128 個鍵值。
????第三位是控制位C它在每按下了一個鍵后翻轉， 這樣就可以區分一個鍵到底是一直按著沒松手還是松手后重復按。
????如圖所示是同一按鍵重復按兩次所得波形， 只有第三位是相反的邏輯， 其它的位邏輯都一樣。
????其后是五個系統地址位:11010=1A， 最后是六個命令位:001101=0D。
總結
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