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蓝桥杯嵌入式–实战模拟题

前言

在蓝桥杯省赛举办之前，学校组织了一场模拟赛，基于第十三届的省赛题，但是难度略高于省赛，这篇博客记录一下解题的过程，其思路可供大家参考。

详细工程目前先联系我获取。

题目详情

实现思路分析

花个十几分钟把题目好好理解一下，然后先整理出一个大体的运行原理。很容易我们就想到可以写一个状态机来描述密码锁的运行原理（如下）：

大体思路找到了，接下来我们就可以开始着手程序的设计了！

程序设计

一、整理需要使用的外设

我们做事干活都要有条理，做足准备工作才能顺利开展工作。我们第一步要根据题目要求整理出要使用的外设，为我们CubeMX的配置打下基础。

多说一嘴，大家不要觉得上面这个图好像没什么用，如果在考试时，如果你漏配了一个外设，到时候返回CubeMX重新配置会将我们之前写的代码全部清除！除非你的代码写在了工程预设的Begin-End块里，要不然就凉凉了！

二、配置CubeMX

一、配置时钟与Debug

这个不必多说，不会的看前几期的专栏内容。

二、配置串口

这里要注意，我们使用的是串口1的引脚PA9和PA10，这两个脚需要手动设置，要不然会出错配置成其它引脚。

三、配置ADC

、ADC的配置也是比较简单的，只需要选择对引脚与引脚模式即可！

四、配置按键

按键这件事可能困扰了很多人，因为按键实现的方式有很多，但是对于我们使用的新板子（G431），四个按键分别为：PB0，PB1，PB2，PA0，其中除了PB0和PA0不能同时配置为外部中断触发，其余即可都可以配置为GPIO_EXTI，推荐大家使用外部中断的方式。就本题而言：

  1. PB0，PB1，PB2使用外部中断，EXTI0-2

  1. PB4放到滴答定时器的中断复位函数中，采用GPIO检测的方式。

首先配置外部中断引脚：模式为下降沿检测，并且统一上拉（可以不上拉）

对于PA0则配置成GPIO输入，并且也配置上拉：

大家可能会看到，我还配置了UserLabel这个选项，这样是为了方便后续的编程，可以合理的标签可以帮助我们记忆引脚。

五、配置定时器，为输出PWM做准备

通过读题可知，我们并不需要定时器进行中断，其主要的功能就是输出PWM：

这里我们使用的是定时器17的通道1进行输出，主要就是配分频系数PSC和自动重装值（决定频率）

同时，占空比我们也配置一下好了，默认为10%，也就是100

六、配置LED

LED的配置主要就是GPIO_OUTPUT，对着原理图找引脚就好了：

我们配置成推挽输出，配上上拉（默认高电平灭灯）

GPIO的配置到这里还有一个很值得注意的点：不要忘记配置PD2！！PD2是锁存器的使能端，是使用LED必不可少的引脚！

七、开启中断

在NVIC选项卡中，我们要打开与设置我们需要的中断和中断优先级：

串口，还有三个外部输入中断就是我们需要配置的全部，优先级的话可以不需要设置，因为一般不可能会同时触发。

八、生成工程

到这里，我们所有的配置都已经完成了，接下来我们就可以生成我们的工程了！可以参考前面的专栏内容，注意不要放进包含中文路径的文件夹里！

九、建立user工程文件夹，移植库文件

Core–>Src–>user

添加I2C，LCD，以及建立一个库放置自己编写的函数：

十、打开Keil添加路径与Debug方式

这个步骤不必多讲，最后完成了编译一遍：

没有错误后，我们的准备工作基本完成，下面就到代码的设计！

三、代码设计

  1. 编写EEPROM读写相关驱动

一共四个相关函数：

  • EEPROM单字节读写函数，完成单字节的读写

  • 密码读取与存入函数，完成四位密码的读取与存储

    • 像上图所示，我们将其写入自定义的库文件中，方便后期的管理，大家通过上图可以看到自己的库究竟要怎么写，尤其是要理解开头的两行与结尾的一行宏的作用，我在专栏前面的文章都有讲，忘记的可以回去看看。

    实现代码如下，大家注意这个读写的代码是可以借助官方给的读写时序图的，不必多说，这个是必须要掌握的内容：

    uint8_t e2prom_read(uint8_t addr)
{
    uint8_t data=0;
    I2CStart();
    I2CSendByte(0xa0); //写
    I2CWaitAck();
    I2CSendByte(addr);
    I2CWaitAck();
    I2CStart();
    I2CSendByte(0xa1);//读
    I2CWaitAck();
    data = I2CReceiveByte();
    I2CSendNotAck();
    I2CStop();
    return data;
}

void e2prom_write(uint8_t addr,uint8_t data)
{
    I2CStart();
    I2CSendByte(0xa0);
    I2CWaitAck();
    I2CSendByte(addr);
    I2CWaitAck();
    I2CSendByte(data);
    I2CWaitAck();
    I2CStop();
}

extern uint8_t Mima[4];

void Mima_Write(void)
{
    for(int i=0;i<4;i++)
    {
        e2prom_write(0x03+i,Mima[i]);
        for(int j=0;j<0xffff;j++); //延时，在中断中可使用
        
    }

}

void Mima_Read(void)    //读取密码
{
    for(int i=0;i<4;i++)
    {
        Mima[i]=e2prom_read(0x03+i);
        HAL_Delay(10); //延时，在中断中不可使用
        
    }

}

    后面两个函数的设计需要注意，读写操作直接要设计几个延时间隔，大概要在5ms以上。由于写密码函数需要在串口中断中运行，因此延时不能再使用HAL_Delay()了，要不然会卡死！！

    2.编写LED显示代码

    大家可能好奇这个驱动代码编写的顺序，有些人喜欢一开始就写核心状态转移代码，其实不然，我们采取的策略是，先做好充足准备，从外到内，从易到难的思路解题，因此优先编写相对固定的套路代码：

    //函数声明
void Led_Init(void); //初始化熄灭全部LED

void Led_Disp(uint8_t num); //输入u8,需要点亮的位置1

    函数实现：

    void Led_Init(void)
{
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_All,GPIO_PIN_SET); //高电平熄灭
    HAL_GPIO_WritePin(LED_KEY_GPIO_Port,LED_KEY_Pin,GPIO_PIN_SET);//开启PD2
    HAL_GPIO_WritePin(LED_KEY_GPIO_Port,LED_KEY_Pin,GPIO_PIN_RESET);//关闭PD2    
}

void Led_Disp(uint8_t num)//输入u8,需要点亮的位置1
{
    Led_Init();//熄灭所有LED
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,num<<8,GPIO_PIN_RESET); //低电平点亮
    HAL_GPIO_WritePin(LED_KEY_GPIO_Port,LED_KEY_Pin,GPIO_PIN_SET);//开启PD2
    HAL_GPIO_WritePin(LED_KEY_GPIO_Port,LED_KEY_Pin,GPIO_PIN_RESET);//关闭PD2     

}

    3、编写串口中断部分代码

    大家好好读题，先明白串口的功能是什么。在本题中，串口做的事情就是下面4个：

    1. 接收设置密码指令

    1. 将密码写入EEPROM

    1. 接收问询密码指令

    1. 发送警告指令

    除了最后一共任务需要在核心函数中写，其它三个都是在回调函数里完成的：

    //串口回调函数
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if(R_Data[0]=='S') //说明需要改密码
    {
        Mima[0] = R_Data[1]-48;//ascii码转换
        Mima[1] = R_Data[2]-48;
        Mima[2] = R_Data[3]-48;
        Mima[3] = R_Data[4]-48;
        Mima_Write(); //写入密码
        
    }
    if(R_Data[0]=='Q') //说明需要发送密码
    {
        sprintf((char*)T_Data,"PW%d%d%d%d",Mima[0],Mima[1],Mima[2],Mima[3]);
        HAL_UART_Transmit(&huart1,T_Data,6,500);
    }
HAL_UART_Receive_IT(&huart1,R_Data,5); //重新开启中断
}

    大家注意，这个回调函数我是习惯将其放到main.c文件里的main函数后头，这样做的好处就是编写代码比较自由，任何函数都能调用。

    4、测试密码查询与修改功能

    完成了上面几部分后，我们可以下载一下程序，测试一下串口的功能：

    设置密码

    查询密码（下图），可以看出修改指令成功执行

    复位一下，再查询一次，如果密码没有改变，则说明成功写入，如果失败，则说明EEPROM错误，有极大可能是你忘记初始化I2C了！。

    5、编写状态机

    状态机的编写位于main函数中，主要是涉及一个状态的转换问题，核心语法是switch语句：

    根据上图我们可以写出：

    可以看出，输入状态的下一个状态有三个：

    1. 正确

    1. 错误

    1. 保持输入

    其依据是提交的密码是否正确，验证密码我们肯定是写到B4按键相关的函数里，然后设计一个标志位，指示下一个状态，因此状态机更进一步写成：

    6、编写三个状态对应的页面

    void LCD_Display_Erro(void); //输入错误之后显示的页面

void LCD_Display_Success(void); //输入正确之后显示的页面

void LCD_Display_Input(void); //输入页面

    首先写最简单的正确和错误的显示页面：

    void LCD_Display_Erro(void)
{
    LCD_Clear(Black);
   // HAL_Delay(2000); //延时2s
            
            Led_Disp(0xff); //LED闪动两次
            HAL_Delay(500);
            Led_Disp(0x00);
            HAL_Delay(500);
            Led_Disp(0xff);
            HAL_Delay(500);
            Led_Disp(0x00);
            HAL_Delay(500);    
    LCD_Clear(Blue); //清屏为蓝色
    LCD_SetBackColor(Blue); //后面是给INPUT页面初始化
    LCD_SetTextColor(White);
    LCD_DisplayStringLine(Line2,(uint8_t*)"      PASSWORD      ");
}

    以及：

    void LCD_Display_Success(void)
{
    LCD_Clear(Blue);
    HAL_Delay(2000);
    LCD_SetBackColor(Blue);
    LCD_SetTextColor(White);
    LCD_DisplayStringLine(Line2,(uint8_t*)"      PASSWORD      ");
}

    对于输入页面的显示，涉及到一个闪烁显示的问题，这也可以说是本题的一个难点：

    最终的代码如下：

    void LCD_Display_Input(void)//输入页面函数
{
   char text[20];
    uint8_t Pos_t;
    Pos_t=Pos; //消除残影
    LCD_SetBackColor(Blue);     
    sprintf(text,"      %d %d %d %d      ",IN_Mima[0],IN_Mima[1],IN_Mima[2],IN_Mima[3]);//其它位置数字的显示
    LCD_DisplayStringLine(Line6,(uint8_t*)text);
    LCD_SetBackColor(Black);
    LCD_SetTextColor(White);//黑底白字
    LCD_DisplayChar(Line6,320-16*Pos_t,IN_Mima[Pos/2 - 3]+48);//换算POS与实际位置关系，以及ASCII与实际数字关系
    HAL_Delay(500);//黑底白字显示500ms
    LCD_DisplayChar(Line6,320-16*Pos_t,' ');//输入的位置写入空格，形成黑色块
    HAL_Delay(500);//黑块显示500ms
}

    其实核心的就是使用函数LCD_DisplayChar，然后在特定位置交替显示黑底白字，以及纯黑色块，达成闪烁的效果。

    先显示：

    0.5s后再显示：

    如此循环即可完成闪烁效果。

    7、编写按键程序

    我们的按键配置为，PB0-PB3为输入中断，PB4为GPIO输入检测，因此先编写外部中断的回调函数。其实我们要分析清楚这几个按键的功能：

  • PB0控制数字加，从0-9-0-9-如此往复，因此此按键决定输入的密码值

  • PB1控制数字减，作用类似PB0

  • PB2控制输入数字在密码中的位置。

    • 综上，我们编写代码如下：

    
//按键回调函数B1-3
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    if(GPIO_Pin==KEY1_Pin) //按键1按下时的功能：数字+1
    {
        for(int i=0;i<0xffff;i++); //消抖延时
        if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY1_GPIO_Port,KEY1_Pin)==0)//按键确实按下
        {
            if(IN_Mima[Pos/2 - 3]>=9) //当前输入位置上的数字，如果大于9清零
                IN_Mima[Pos/2 - 3]=0;
            else 
                IN_Mima[Pos/2 - 3]++; //小于9则加1
        }
        while(HAL_GPIO_ReadPin(KEY1_GPIO_Port,KEY1_Pin)==0);//等待按键释放
    }
    
    if(GPIO_Pin==KEY2_Pin) //按键2按下时的功能：数字-1
    {
        for(int i=0;i<0xffff;i++); //消抖延时
        if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY2_GPIO_Port,KEY2_Pin)==0)//按键确实按下
        {
            if(IN_Mima[Pos/2 - 3]<=0) //当前输入位置上的数字，如果小于0则赋值9
                IN_Mima[Pos/2 - 3]=9;
            else 
                IN_Mima[Pos/2 - 3]--; //递减
        }
        while(HAL_GPIO_ReadPin(KEY2_GPIO_Port,KEY2_Pin)==0);//等待按键释放
    }
    
        if(GPIO_Pin==KEY3_Pin) //按键3按下时的功能：位置+1
    {
        for(int i=0;i<0xffff;i++); //消抖延时
        if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY3_GPIO_Port,KEY3_Pin)==0)//按键确实按下
        { 
            switch(Pos) //使用一个类似状态机的语句
            {
                case POS1:Pos=POS2;break; //1->2
                case POS2:Pos=POS3;break; //2->3
                case POS3:Pos=POS4;break; //3->4
                case POS4:Pos=POS1;break; //4->1
            
            }
        }
        while(HAL_GPIO_ReadPin(KEY3_GPIO_Port,KEY3_Pin)==0);//等待按键释放
    }
    
}

    上面的代码最后都要加一个释放检测，有很多同学可能觉得这个没有必要，但实际上，释放检测对于需要计数的按键十分关键，它使得我们长按按键时，不会出现一直加的现象，让代码运行更稳定，还有注意不要遗漏消抖。

    对于PB4，我们需要在滴答定时器的中断函数中编写按键检测程序：

    void SysTick_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN SysTick_IRQn 0 */
    /*  KEY4程序 ：密码提交与验证  */
    if((HAL_GPIO_ReadPin(KEY4_GPIO_Port,KEY4_Pin)==0)&&(B4_valid==1))//B4_valid=1时检测按键。
    {
        for(int i=0;i<0xffff;i++);//延时
        if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY4_GPIO_Port,KEY4_Pin)==0)//确认按键按下
        {
            if((Mima[0] == IN_Mima[0])&&(Mima[1] == IN_Mima[1])&&(Mima[2] == IN_Mima[2])&&(Mima[3] == IN_Mima[3]))//密码比对
            {
                Input_Times=0; //清零错误次数
                Yes=2; //INPUT_PAGE-->CORRE_PAGE
                IN_Mima[0]=0; //清空密码
                IN_Mima[1]=0;
                IN_Mima[2]=0;
                IN_Mima[3]=0;
                
            }
            else if(Input_Times>=3)//如果错误次数大于3
            {
                IN_Mima[0]=0;
                IN_Mima[1]=0;
                IN_Mima[2]=0;
                IN_Mima[3]=0;                
                Yes=0;//INPUT_PAGE-->ERROR_PAGE
                Input_Times=0;
            }
            else//每次密码不正确都加1
            {
                Yes=1;
                Input_Times++;
            }
            
            while(HAL_GPIO_ReadPin(KEY4_GPIO_Port,KEY4_Pin)==0);//等待按键释放
                
        }
    }

    B4完成的功能是错误次数计数，密码比较的工作，输出的结果为Yes的值（用于判断态转移）

    8、输入显示函数消影

    大家看输入显示函数开始，有先把位置值赋给一个变量的语句，之后的闪烁位置其实是根据这个变量来确定的：

        uint8_t Pos_t;
    Pos_t=Pos; //消除残影

    这是在我写完按键之后测试时发现的问题，如果位置闪烁的参数用的是Pos，那么当显示黑底白字和黑色方块中间这0.5s时按下位移按钮，那么就会出现拖影（因为前一个可能是位置三，后一个在按下后加1变成位置四了）。

    9、串口最后完善

    前面我们的串口还差一个发送警告的功能没有实现，到现在状态机编写好之后，我们变可以在相应状态的块里编写相应要执行的函数：

    switch(Page) //switch语句实现状态机
{
    case ERROR_PAGE://错误页面执行的操作
    {
        Page=INPUT_PAGE; //状态转移:下一个状态一定为输入
        Yes=1;
        sprintf((char*)T_Data,"WARNING"); //发送警告
        HAL_UART_Transmit(&huart1,T_Data,7,500);
        __HAL_TIM_SetCompare(&htim17,TIM_CHANNEL_1,250); //输出占空比25%
         LCD_Display_Erro();
}break;

    10、编写ADC检测电压代码

    其实现在我们大部分代码都已经编写好了，接下来就是填充的过程了。ADC代码的逻辑很好理解，我们定义一个有效标志，在B4按键检测中结合此有效位决定提交是否有效。

    HAL_ADC_Start(&hadc2);
        if(HAL_ADC_GetValue(&hadc2)<2047) //小于1.65V
            B4_valid=1;
        else
            B4_valid=0; //大于1.65V

    11、编写PWM输出代码

    PWM输出更加简单，就是在对应状态使用HAL_TIM_SetCompare函数，设置占空比，这里贴出状态机的全部代码：

    switch(Page) //switch语句实现状态机
{
    case INPUT_PAGE: //输入页面执行的操作
    {
        
        HAL_ADC_Start(&hadc2);
        if(HAL_ADC_GetValue(&hadc2)<2047) //小于1.65V
            B4_valid=1;
        else
            B4_valid=0; //大于1.65V
        
         HAL_ADC_Start(&hadc2);
switch(Input_Times) //输入界面要同时考虑到LED3和LED2和LED1的情况
{
    case 0:{
        if(HAL_ADC_GetValue(&hadc2)<2047)
        Led_Disp(0x07);
        else
        Led_Disp(0x03);
       } break;
    case 1:{
        if(HAL_ADC_GetValue(&hadc2)<2047)
        Led_Disp(0x06);
        else
    Led_Disp(0x02);
       } break;
    case 2:{
        if(HAL_ADC_GetValue(&hadc2)<2047)
        Led_Disp(0x05);
        else
   Led_Disp(0x01);
       } break;
    case 3:{
                if(HAL_ADC_GetValue(&hadc2)<2047)
        Led_Disp(0x04);
        else
   Led_Disp(0x00);
       } break;    
   }
        if(Yes==1)
        {
            Page=INPUT_PAGE;  //保持输入状态
            LCD_Display_Input();
            __HAL_TIM_SetCompare(&htim17,TIM_CHANNEL_1,100); //输出占空比10%
        }
        if(Yes==0)
        {
            Page=ERROR_PAGE; //密码错误
        }
        if(Yes==2)
        {
            Page=CORRE_PAGE; //密码正确
        }
        
        
    }break; 
    case ERROR_PAGE://错误页面执行的操作
    {
        Page=INPUT_PAGE; //状态转移:下一个状态一定为输入
        Yes=1;
        sprintf((char*)T_Data,"WARNING"); //发送警告
        HAL_UART_Transmit(&huart1,T_Data,7,500);
        __HAL_TIM_SetCompare(&htim17,TIM_CHANNEL_1,250); //输出占空比25%
         LCD_Display_Erro();

        

    }break;
    case CORRE_PAGE://正确页面执行的操作
    {
        Yes=1;
        Page=INPUT_PAGE; //状态转移：下一个状态一定为输入
        __HAL_TIM_SetCompare(&htim17,TIM_CHANNEL_1,750); //输出占空比75%
        
        Led_Disp(0x08); //点灯0000_1000
        
        LCD_Display_Success();
        
        Led_Disp(0x00); //灭灯
        
    }break;

}

    12、LED显示代码

    LED显示唯一的难点就在于输入页面的显示，既要显示剩余次数，又要显示按键有效状态，因此使用一个switch语句进行综合判断：

    switch(Input_Times) //输入界面要同时考虑到LED3和LED2和LED1的情况
{
    case 0:{
        if(HAL_ADC_GetValue(&hadc2)<2047)
        Led_Disp(0x07);
        else
        Led_Disp(0x03);
       } break;
    case 1:{
        if(HAL_ADC_GetValue(&hadc2)<2047)
        Led_Disp(0x06);
        else
    Led_Disp(0x02);
       } break;
    case 2:{
        if(HAL_ADC_GetValue(&hadc2)<2047)
        Led_Disp(0x05);
        else
   Led_Disp(0x01);
       } break;
    case 3:{
                if(HAL_ADC_GetValue(&hadc2)<2047)
        Led_Disp(0x04);
        else
   Led_Disp(0x00);
       } break;    
   }

    至此代码设计就已经完成，具体的完整工程待我贴出。

    三、检查Bug

    最后的步骤就是查一下程序是否存在Bug，然后再仔细检查一下提交的文件命名与格式，准备交卷！

    总结

    这个题目相对于省赛稍微难一点，因此十分锻炼人，看完这个再去看省赛题简直不要太轻松！非常好！在这个过程中，其实无非是要熟练使用各种外设，培养起规范，然后按部就班，从易到难，从外到内，一步步给它完成。

    还有一个习惯我觉得大家可以学习，就是写一段，编译一下，写完了一个小模块就测试一下，不要等最后再编译，到时候很多问题就不好解决了！

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