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[分享] 请工程化，定制化你的单片机代码
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 楼主 | 发布于 2019-07-11 | 只看楼主
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  •  前言 -
    • 时至今日，依旧看到很多小伙伴们放着单片机里的定时器不用，动辄delay1s（); delay500ms();虽然简单粗暴，但是其实是很不妥当的。
    • 还有很多需要按键的程序，动不动就“while（k1==0);”的等按键松开，这样的代码只是“为了满足某个功能“而设计的代码，而非”为了保证产品的质量“而设计的代码。
    • 我们应该时刻考虑“如果这傻逼用户不按我的标准操作来搞我的产品，我该怎么写程序？”，而不是”只要客户乖乖听我的，这样做是没问题的，就行了；出了问题都是他乱搞，跟我有个毛关系”，后面的思维是典型的只顾自己爽的思维，我们应当想方设法的提高产品的可靠度。
    • OK，扯远了，现在只是想提出一些设计的思路。
  • part1 . 系统的时基 & 依托于时基去设计函数
- 系统的时钟基线 -
  • 关键词，是“时钟基线”。
  • 我们需要设置一个定时器，这个定时器会告诉单片机：“好的，现在已经过了1ms了（或者100ms？这都没关系）”单片机一拍脑袋：“啊，已经到了1ms了么，那我就把某一件事情做一下吧”。
  • 大致像这样：
  • 这个程序的意思就是，让单片机每隔1ms就do_sth()一次（定时器的初始化函数省略了没画）；
  • 这样写还可以让中断函数非常的简洁，几乎一进去就出来，基本不会影响到被中断打断的函数的工作；
  • 以传递关键参数的形式，大循环里只要查一查这个flag1ms值，知道什么时间要做什么事情就对了。
- 按键函数举例 -
  • 上图中这个do_sth()可以是任意函数，以按键函数keyPress（）为例，可以这样写：
  1. void keyPress（）{
  2.     static unsigned int key_press_time = 0;  // ……请记得标为静态变量
  3.     if(K1==0){
  4.         if(++key_press_time <=0 ) --key_press_time;//计量按键时间，并避免数据溢出
  5.         if(key_press_time==3000){
  6.             //在此写下按键长按3s时要做的事情；
  7.         }
  8.     }else{
  9.         if（20<=key_press_time && key_press_time < 3000){
  10.             //大于20ms小于3s，视为短按，在此写下写短按的处理代码
  11.         }
  12.         key_press_time=0；
  13.     }
  14. }
复制代码

  • 这里有很多可以研究的地方：
    • ①“if(++key_press_time <=0 ) --key_press_time;”这一句，看起来用“++key_press_time”就能搞定，但是，谁也不能保证沙雕用户真的不会按按键超过65秒的啊；万一他真的按了65576ms；单片机还就真的以为用户“短按”了一次呢（65576-65536=40ms，属于短按范畴），这下那个短按程序段也会被执行一次；现在这样写，哪怕你按100年也没关系了，反正我的单片机就每隔1ms进来看一次，K1这个按钮你想按多久就按多久，掉在我的范围内我就处理你，超出我的范围我就无视你。
    • ②“if(key_press_time==3000){ ; }”这里的3000只是随便设置的的一个时间（3s），如果你需要做按键长短按功能，这里就是你的长按程序所放的位置；你也可以不用3000；用2000，50000都没事，别超过65534就行（提问：为什么这里又是65534呢？）；
    • ③“if（20<=key_press_time && key_press_time < 3000)”这里，前面的>=20是个消抖的设计，客户再强也是人类，再强的人类也不可能1秒按一个按键超过20次；也就是不可能短于50ms的时间；这里用了20ms相当于兼容 男上加男的快男 也来按按键了。后面<3000是不能和长按的时间冲突，因为3s我们已经人为的设置成长按时间节点了。
  • 好，现在知道相关的程序该怎么写了，我们回到刚刚讨论的时钟基线处。

-  多个时钟基线的方案  -
  • 刚刚的例子中我们只展示了1ms的时基，对于单片机来说，1ms已经很慢了，但对于人和某些设备来说来说还是快的不行，比如一些本就需要10ms间隔的通信设置，需要隔100ms才能刷一次的显示，需要50ms才能重新采的某些传感器等等，这些东西放进1ms的do_sth(）里面肯定是不行的（其实也行，但不方便管理来着）——怎么办呢？
  • ——好办，放进10ms 或50ms 或100ms 的do_sth() 里就OK了。
  • ——但是我们只有1个定时器啊，怎么弄几个时基呢？
  • ——1个定时器就够了，其他的时基都基于那个1ms的时基来就好。我们已经有了flag1ms，当然可以弄几个flag10ms乃至flag1000ms，只要你需要，就能设置。
  • 如下图，我们通过参数控制参数的形式，将flag1ms扩展为多个时基，使得程序渐渐的趋于模块化，精准化。
  • 这里有个要注意的地方，就是函数从宏观上来看，确实是“每隔1ms就do_sth();每隔10ms就do_sth1();每隔100ms就do_sth2()"。
  • 但是，从微观上看，单片机是没法在同一时刻做2件事情的！所以，每到10ms的时候，单片机会”先把1ms的事情做完再做10ms的事“；每到100ms的时候，单片机会”先把1ms的事情做完再做10ms的事，再做100ms的事“。
  • 现在，我们的系统已经趋于成型了，不过要注意一点，这些做事情的子函数里万万不得有delay函数了（放几个nop倒是无伤大雅），好不容易划分好了时钟基线，你在1ms的时基里塞上几个delay2ms是要闹怎样。
  • 还有一个问题，那就是子函数不要拖泥带水，写得越简洁越好，赶紧把事情做完，把控制权还给单片机，由它来决定接下来要做什么。

-  函数应该放在哪个时基里？  -
  • 这也是关键的地方，这要求我们要对自己的程序要有清楚的把握。以及一定的产品思维。
  • 总的原则还是没变：所有的函数都要写得简洁干净，不要有任何模块的delay（）加起来超过200us！
  • 一般来说，按键按一次不会超过50ms，放到flag10ms或者flag20ms的时间段里是没什么关系的（注意，这时候函数里的3000表示的就不是3s了，而是30s或者60s！这是遵循乘法原则的！）；
  • LCD显示之类的，控制某个LED之类的，100ms一次就行了，人眼视觉暂留之类的看不出问题的。
  • 一般：检测，通信这类的子程序都能放到flag10ms或者flag20ms里。输出，显示这类的放flag100ms就OK了。
  • flag1ms里面应该放什么呢？我的意见是尽量什么也别放，空着都OK，因为其实没什么东西需要刷新得这么快的。
  • 如果有特别需要关照的部分，比如说步进电机的驱动啥的，请放到另一个定时器中断里（单片机有俩定时器的，不用白不用），按你需要的来设置。
  • 定时器的中断触发时间建议不要低于0.5ms，不然进中断就太频繁了，谁也不会希望自己正看着小电影的时候，爸妈过来拍你的房门吧？
  • —— 2019年6月10日更新 ——
  • Part2.将代码模块化，降低耦合度
  • - 降低代码间的耦合度 -
    • 通俗点说，耦合度就是表示两个东西“你中有我，我中有你”的程度，代码间的耦合度越高，你修改起来就越费劲，有时候看到代码黏糊糊的像一大坨蜜糖，难免会让人不知从何处下口。
    • 还是用个例子来说明一下吧——《电风扇系统设计1》
      • 假设我们要写个电风扇的控制程序 —— 按键方面：风扇有开关键，强风弱风切换，摆头控制3个按键（注意，这里的按键是那种大开大合的开关按键，不是那种轻触按键）； 显示方面：每个按键旁边各有1个小led灯，共3个灯； 输出方面：有个控制风扇摆头的负载，有个控制风扇转不转的负载，有个控制风扇转得快或者慢的负载。
      • 或许有人三下两下就画了个这样的流程图（一般风扇没开的时候是不能摆头的，这里就先不管了）：
      • 然后就随手写出了这样的代码：
      • 老实说，这没啥问题，因为我们的题目要求是那么的简单，简单的要求那就简单的实现吧。虽然这里的按键、显示、负载的程序代码像蜜糖一样黏糊糊的，但是代码也才十几行，谁会在意呢？也大致画一下如上代码的结构吧：
      • 但是，别忘了2点！①是客户的需求随时都会改动；②是这么简单的项目还用不到你做。所以，我们稍微，加点难度上来看看？
    • 《电风扇系统设计2》
      • 在《风扇1》的基础上，①风扇没开时不能摆头；②风扇没开时，为了与没电作区分，要让3个LED灯同时以1s为周期闪烁；③开风扇后若是5小时内按键都没有变化过，则自动关掉风扇（避免久开，当然此后LED也要闪烁），若想重开风扇必须把“风扇开关按键”先关掉再打开才行。
      • 说句实话，先前的那份代码也到此为止了，如果有人还想在原来的代码上改出满足现在的需求的代码，我只能祝他好运。虽然也不是不能改，但是若是想用你那delay500ms来满足我的闪烁要求；或者硬是嵌入一些绕来绕去的东西在里面，那肯定没有从头再来要省事。
      • 那么——现在该怎么做呢？
        • 首先，把粘连的模块分开，按键归按键，显示归显示，输出归输出。就像这样子：
          • 这样的话，大家各做各的事情，互不干扰，需要共享的信息则通过关键参数来传递。这里我们设置了3个全局变量：key_on_flag, key_strong_flag, key_sheak_flag; 在keyPress（）函数里可以修改这3个变量的值，然后在display（）和output（）函数里查询这3个变量的值来控制显示和输出。这时候的代码结构就是这种样子的了——各个模块分开，用关键参数传递信息。

          • 所谓的“模块化，降低耦合度”大致就是这种感觉，现在你需要在哪里改动就单独改动哪个部分的，不至于瞻前顾后、束手束脚了。
        • 还没完呢，第二步，把我们的“时基”弄进来（不然上一堂课就白讲了），如图所示：
          • 如此一来，关于那些指定时间的、指定频率的要求，我们也能轻松的应对了。比如这时候的display（）函数，可以这样写（这个其实还有缺陷，不过先凑合一下）——


      • 相信通过这样一个例子，大家应该能看到模块化对你的软件系统有多大的改善了。模块间的耦合度降低之后，自有一种九阳神功中的“他强由他强，清风拂山岗。它弱由他弱，明月照大江。”的感觉。你那边爱怎么变就怎么变，我这边有必要就改动，没必要就不改动，将彼此间的影响减到最低。
      • 时间有限，模块化的解说先到这里，后续有时间会将状态机等知识尽可能的讲解给大家。同时还得把这个需求变更后的《电风扇系统设计2》的软件给写完。
      • ——2019年6月11日 ，今天没空更贴，暂时先优化一下排版——
      • ——2019年6月14日，修复了教程中的keyPress（）和display（）函数中的两个静态变量忘了加static关键字的bug——
      • ——2019年6月16日，更新，状态机上篇 ——
      • part3.使用状态机，帮助你管理系统状态（上篇）
      • （本章较为复杂，需要读者有较好的数电和C语言功底，方能融汇贯通）
      • - 状态机入门（有基础的可以跳过本小节） -
        • 直白的说，状态机就是若干个“当前状态 + 触发条件 = 新状态（ + 附加动作）”的公式。
        • 状态机可以画成图的形式（《状态迁移图》），也可以做成表格的形式（《状态分析表》），如果大家还有数字电子技术的功底的话，应该对下图还不至于太陌生。

          • ↑此为某状态迁移图举例（与下表同义）
          • ↑此为某状态分析表举例（与上图同义）
        • 如果上述图表使用公式来表达的话那就是4个公式（取决于图的箭头数，或者表的跳转数），用公式的话，公式的数量不但多，看起来也很麻烦，所以我们一般用《图》或者《表》来描述你的状态机。
        • 注意，一般的状态机是包含“动作”的，这里为了教学方便，略过了“动作”（后面会加回来的）。
        • 状态机的使用有助于我们更直接，更便捷的管理我们的系统工作。尤其是在系统比较复杂的时候。
      • - 用程序来表现状态机 -
        • 状态用枚举量为佳，因为我们应当保证系统的状态处于可控范围内，枚举量是我们工程师自定义的一个量，可以使系统处处受我们控制。
        • 触发条件用bit变量即可，触发了就是1，没触发就是0；当然char之类也可以，但没必要。
          • 有基础的同学可以使用"位结构体"来优化这些触发条件的内存，这里不提，请自行百度。
        • ok，那现在可以先定义我们的状态机变量了（以上述图表为例）。
            1. typedef enum{
            2.     STATE1，
            3.     STATE2，
            4.     STATE3
            5. }ENUM_STATE;     //定义ENUM_STATE枚举类型，表状态
            6. ENUM_STATE system_state = STATE1;    //定义上述枚举类型的枚举变量system_state, 初始化为STATE1
            7. bit test_flag_a,  test_flag_b, test_flag_c;   //定义3个触发条件的bit变量。
            复制代码

        • 那么，状态机的程序要怎么写呢？其实我们观察《状态分析表》的时候，有人会喜欢根据当前状态，分析触发条件，来决定下一刻的状态；有人会喜欢从触发条件开始，看看现在的状态是否受这种触发条件影响，而进入新的状态。
        • ——好吧，有两种观察方法，就有2种写法，读者可以自由选择自己喜欢的写法。
          • 写法1（根据当前状态，看触发条件是否有效）：
            1. void systemStateCtrl（）{
            2.     switch（system_state）{
            3.         case STATE1：
            4.             if（test_flag_b） system_state = STATE2；
            5.         break；
            6.         case STATE2：
            7.             if（test_flag_a) system_state = STATE1；
            8.             else if（test_flag_c) system_state = STATE3；//条件a比条件c优先
            9.         break；
            10.         case STATE3：
            11.             if（test_flag_a) system_state = STATE1；
            12.         break;
            13.         default:
            14.         break;
            15.     }
            16. }
            复制代码

          • 写法2（根据触发条件，看当前状态是否需要改变）：
            1. void systemStateCtrl（）{
            2.     if（test_flag_a）{
            3.         if（system_state==STATE2 || system_state==STATE3）
            4.             system_state = STATE1；
            5.     }
            6.     else if（test_flag_b）{
            7.         if（system_state==STATE1）
            8.             system_state = STATE2；
            9.     }
            10.     else if（test_flag_c）{
            11.         if（system_state==STATE2）
            12.             system_state = STATE3；
            13.     }
            14.     else{
            15.         ；
            16.     }
            17. }
            复制代码

        • 这2种写法各有特点，并没有优劣之分，各位可以自取所需。非要比较的话，我个人认为：第一种写法"好读一些"，第二种写法"好写一些"。
      • - 根据状态的值，控制系统的工作流 -
        • “系统的工作”很好理解，就是系统现在在干什么的意思，那么“系统的工作流”是什么意思？
        • ——系统的工作流，表示系统在某段时间内的工作流程。
        • ——为什么要普及“工作流”这个东西呢？
        • ——因为，很多情况下，某个状态的工作不是写死的，而是可变的。比如：冰箱在制冷时，制冷器并不是一直开着的，而是一段时间开，一段时间关；洗衣机在洗衣服时，滚筒不是一直开着的，而是先等注水完成之后，正着转一段时间，然后反着转一段时间，然后又正着转……就是有一系列的工作步骤，这些工作的步骤其实就是我们所说的工作流。
        • 如果你非要把洗衣机在洗衣服时，滚筒正着转和反着转分成2种新的状态的话……一路走好。
        • 总之，为了给状态下的动作有一定的预留空间（因为天知道，需求会不会发生变化），我们需要给每个状态都做一套关于此状态下的动作的设计。
        • 这个程序写起来也很简单，嵌入位置上，直接塞进状态机的屁股后面就行。如下：
          1. /* 状态机程序 */
          2. void systemStateCtrl（）{
          3.     //你的状态机程序
          4.     systemStateWork（）；//把状态工作程序放这里
          5. }
          6. /* 状态工作程序 */
          7. void systemStateWork（）{ //设计你各个状态下的工作
          8.     switch(system_state){
          9.         case STATE1:
          10.             do_sth1();break;
          11.         case STATE2:
          12.             do_sth2();break;
          13.         case STATE3:
          14.             do_sth3();break;
          15.         default:
          16.             break;
          17.     }
          18. }
          复制代码

      • - 例程：《电风扇系统设计2》的状态机初版 -
        • 状态机真的是一个很庞大的知识点啊，好不容易把理论说完了，接下来诸位看看我的实例吧。
        • 这个系统设计的需求我就不再重复了，各位往回看一看就能找到，关键在于，需求③我们还未处理【③开风扇后若是5小时内按键都没有变化过，则自动关掉风扇（避免久开，当然此后LED也要闪烁），若想重开风扇必须把“风扇开关按键”先关掉再打开才行。】。
        • 那么开始吧，我们在一开始，会将系统的状态分成“风扇开”和“风扇关”两种，直接由风扇的开机键控制切换。但是，多了新的需求之后，开机键就不好使了——因为有种“风扇关”的状态，这时候的开机键也是按下的！经过一番思索，为了和真正的“风扇关”作区别，我们可以再创造一种新的状态——“停机”！也就是开机太久了，需要停机休息。停机时候的摇头键，强弱风键都无效，只有开机键松开，才能让你退出“停机”，进入"关机"。
        • 根据我们的分析，可以画出系统的状态迁移图：

        • 同样的，状态分析表。

        • 相关程序如下
        • typedef enum{
              STATE_OFF，
              STATE_ON，
              STATE_STOP
          }ENUM_STATE;     //定义ENUM_STATE枚举类型
          ENUM_STATE system_state = STATE_OFF; //定义枚举变量system_state, 初始化为STATE_OFF
          bit key_on_flag, key_off_flag, work_too_long_flag; //定义3个触发条件的bit变量（其实用2个就行）
          void systemStateCtrl（）{
              if（key_on_flag）{
                  if（system_state==STATE_ON || system_state==STATE_STOP）
                      system_state = STATE_OFF；
              }
              else if（key_off_flag）{
                  if（system_state==STATE_OFF）
                      system_state = STATE_ON；
              }
              else if（work_too_long_flag）{
                  if（system_state==STATE_ON）
                      system_state = STATE_STOP；
              }
              else{
                  ；
              }
              systemStateWork（）；//把状态工作程序放这里
          }
          void systemStateWork（）{ //设计你各个状态下的工作
              switch( system_state ){
                  case STATE_OFF:
                      do_sth1();    //关机时的工作
                  break;
                  case STATE_ON:
                      do_sth2();    //开机时的工作
                  break;
                  case STATE_STOP:
                      do_sth3();    //超时停机时的工作
                  break;
                  default:
                  break;
              }
          }

          • 现在，我们从《电风扇系统设计2》的需求出发，先解析系统的状态；再作图表（其实图和表做一个就行，这里为了解读需要，都做了出来），将状态机的大体结构都描述出来；这时候写各个状态下的工作程序，就是水到渠成的事情了。

      • - 状态机小结 -
        • 状态机确实是个比较长的教程，所以我将之分成了2部分来解说，第一部分只强调“状态+条件=新状态”这一部分，目的是让大家先对状态机有个初步的认知；第二部分再来描述“状态+条件=新状态+动作”的完整的状态机。
        • 眼尖的贴友应该也发现了，这里为了解说方便，还没有将“强弱风”，“是否摆头”等动作做进状态机里。不过他们其实只是一些“动作”而已，在开始分析系统的状态时，我们要分清楚系统的“主要动作”和“次要动作”，对于电风扇而言，开和关是主要的动作，摆头和强弱风只是一些次要的附加动作罢了。
        • 关于如何划分系统的主要状态？
        • ——这也是一个值得拿来长篇大论的话题，但我这里不想深入探讨，也无力深入探讨。因为“将指定物品分类”，或者“请给苹果，梨，水果，蔬菜，白菜，豆腐，白板笔这几个词进行排序”这类问题本就有无数解法，是很看重解答者的主观意识的。
        • 熟练掌握状态机的用法，可以使你能够更准确的把握系统的状态。
        • 本章未完，此外，由于我的个人原因，状态机的下篇只能保证在今年7月15日前更新，还请各位谅解。届时会将本教程划上一个完美的句号，同时各种源码等也会打包上传。
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回复于 2019-07-11 沙发

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