嵌入式编程介绍

嵌入式编程（Embedded Programming）是指在嵌入式系统中编写软件的过程，嵌入式系统通常是专门为某一特定任务设计的计算机系统，不像传统计算机那样可以运行多种应用程序。嵌入式系统的应用非常广泛，从智能家居设备、汽车控制系统、工业自动化，到医疗设备等，几乎无处不在。

嵌入式编程是什么？

嵌入式编程是为了控制嵌入式系统硬件而编写的软件。嵌入式系统通常具有以下特点：

• 资源有限：嵌入式系统一般硬件资源有限，如内存、处理能力、电池寿命等。
• 任务专一：嵌入式系统通常只执行单一任务或有限的几个任务。
• 高实时性：很多嵌入式系统需要满足严格的实时性要求，即程序必须在特定时间内完成特定操作。
• 稳定性高：由于嵌入式设备通常需要长时间运行，因此软件的稳定性和可靠性至关重要。

嵌入式编程不仅仅是开发简单的软件，它还需要开发者对硬件有一定了解，能够在有限的资源下优化代码，确保系统的高效和稳定运行。

嵌入式编程的基础

硬件平台

• 彻底搞清单片机、ARM、MCU、DSP、FPGA之间的关系！

嵌入式编程首先需要选择合适的硬件平台。常见的嵌入式硬件平台包括：

• 单片机（MCU）：例如STMicroelectronics的STM32、Atmel的AVR系列、Microchip的PIC系列等。单片机广泛应用于各种小型设备。
• 数字信号处理器（DSP）：用于复杂的计算，像离散余弦变换、快速傅里叶变换，常用于图像处理，在数码相机等设备中使用。
• 开发板：如树莓派、Arduino、ESP32等，它们适合快速原型开发。
• FPGA：如Xilinx、Intel（Altera）等的FPGA芯片，适用于对硬件有高要求的应用。
• ASIC：定制/半定制芯片，设计用于解决特殊需求。
• ARM: 一个英国的芯片设计公司，但是不生产芯片。只卖知识产权。

嵌入式操作系统

对于一些复杂的嵌入式应用，开发者需要选择合适的操作系统来管理硬件资源。常见的嵌入式操作系统有：

• RTOS（实时操作系统）：如FreeRTOS、ChibiOS等，适用于需要高实时性的嵌入式应用。
• Linux：例如在树莓派等开发板上运行嵌入式Linux，适用于需要丰富功能和较强处理能力的系统。
• 裸机编程：没有操作系统支持，直接对硬件进行编程，适用于资源较为有限的设备。

编程语言

嵌入式开发常用的编程语言主要有：

• C语言：由于其高效、底层控制能力和较小的代码体积，C语言是嵌入式编程中最常用的语言。
• C++：对于一些更复杂的系统，C++提供了面向对象的特性，帮助开发者更好地管理代码。
• 汇编语言：在一些资源非常有限或者对性能要求极高的场景下，可能需要使用汇编语言来直接控制硬件。

嵌入式编程工具

嵌入式开发离不开合适的开发工具，这些工具通常包括：

• IDE（集成开发环境）：如Keil、IAR Embedded Workbench、Eclipse等，用于编写、编译和调试嵌入式代码。
• 编译器：GCC（GNU Compiler Collection）是最常用的开源编译器，它支持多种架构的嵌入式开发。
• 调试工具：JTAG调试器、SWD（Serial Wire Debug）调试器等，用于硬件级调试，帮助开发者实时查看代码执行状态。
• 仿真器：一些开发环境如Proteus提供硬件仿真，帮助开发者在没有实际硬件的情况下测试代码。

通信协议

一、 核心基石：UART 与 USART

这是理解所有串行通信的起点。

现状：在现代单片机中，标为“UART”的接口实质上绝大多数都是“USART”功能，只是大家习惯统称为UART。

二、 理解层次：物理层 vs. 数据链路层

这是理清所有协议关系的最关键概念。请参考OSI模型（简化版）：

1. 物理层 (Physical Layer)：规定“如何传输0和1”，解决电气特性、电平标准、接口形状的问题。好比公路的材料和结构（柏油路、水泥路、铁轨）。
2. 数据链路层 (Data Link Layer)：规定“数据包如何组织、如何校验、谁先说话”，解决帧格式、差错控制、寻址、仲裁的问题。好比交通规则（红绿灯、停让标志、车道线）。

常见的物理层标准/协议

常见的数据链路层协议

I2C

I2C总线协议

I2C协议是一种多主机的串行通信协议，它只需要两条线：SDA（数据线）和SCL（时钟线）。它支持多个从设备连接到同一总线上，每个设备都有一个唯一的地址。

I2C协议通过地址来选择不同的从设备进行数据交换，因此相比SPI节省了引脚资源。其通信速率低于SPI，但足以应对多数应用。

ESP32S3初始化I2C示例

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esp_err_t bsp_i2c_init(void)
{
    i2c_config_t i2c_conf = {
        .mode = I2C_MODE_MASTER, // 主模式
        .sda_io_num = BSP_I2C_SDA, // sda引脚
        .sda_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
        .scl_io_num = BSP_I2C_SCL, // scl引脚
        .scl_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
        .master.clk_speed = BSP_I2C_FREQ_HZ // 时钟频率
    };
    i2c_param_config(BSP_I2C_NUM, &i2c_conf);

    return i2c_driver_install(BSP_I2C_NUM, i2c_conf.mode, 0, 0, 0); // 不设置buffer
}

SPI

SPI总线协议

SPI协议是一种高速的、全双工、同步的通信总线。它通常由四条线组成：SCK（时钟线）、MOSI（主设备数据输出，从设备数据输入线）、MISO（主设备数据输入，从设备数据输出线）和CS（片选线）。

当多个从设备被连接到同一个主设备时，每个从设备都有一个单独的片选信号。数据在时钟信号的边沿被采样，通常是在上升沿或下降沿。SPI的速率比I2C高，但需要更多的引脚资源。

I2S

I2S协议：特点、工作原理、差异及其应用 ESP32 I2S使用 数字音频接口，常见数字音频信号传输标准，如I2S、PCM（TDM）、PDM等

I2S（Inter-IC Sound）协议 是一种用于将数字音频数据从一个设备传输到另一个设备的协议。该协议在电子设备内的集成电路（IC）之间传输脉冲编码调制（PCM）音频数据。I2S在将预录的音频文件从微控制器（MCU）传输到DAC或放大器的过程中起关键作用。此协议还可通过麦克风实现音频数字化。I2S协议不涉及压缩，因此无法播放OGG、MP3等压缩音频格式，但支持WAV文件。

ESP32 包含 2 个 I2S 外设。通过配置这些外设，可以借助 I2S 驱动来输入和输出采样数据。

标准 模式下的 I2S 总线包含以下几条线路：

• MCLK：主时钟线。该信号线可选，具体取决于从机，主要用于向 I2S 从机提供参考时钟。
• BCLK：位时钟线。用于数据线的位时钟。
• WS：字（声道）选择线。通常用于识别声道（除 PDM 模式外）。
• DIN/DOUT：串行数据输入/输出线。如果 DIN 和 DOUT 被配置到相同的 GPIO，数据将在内部回环。

PDM 通信模式下的 I2S 总线包含以下几条线路：

• CLK：PDM 时钟线。
• DIN/DOUT：串行数据输入/输出线。

CAN

CAN总线

CAN（Controller Area Network）总线协议是由 BOSCH 发明的一种基于消息广播模式的串行通信总线，它起初用于实现汽车内ECU之间可靠的通信，后因其简单实用可靠等特点，而广泛应用于工业自动化、船舶、医疗等其它领域。相比于其它网络类型，如局域网（LAN, Local Area Network）、广域网（WAN, Wide Area Network）和个人网（PAN, Personal Area Network）等，CAN 更加适合应用于现场控制领域，因此得名。

CAN总线是一种多主控（Multi-Master）的总线系统，它不同于USB或以太网等传统总线系统是在总线控制器的协调下，实现A节点到B节点大量数据的传输，CAN网络的消息是广播式的，亦即在同一时刻网络上所有节点侦测的数据是一致的，因此比较适合传输诸如控制、温度、转速等短消息。

LIN Bus

LIN Bus

由于不同车厂定义的协议兼容性的问题，在 1998 年由欧洲五大车厂（BMW, Volkswagen Group, Audi Group, Volvo Cars, Mercedes-Benz）成立联合工作组，由 Volcano Automotive Group 和 Motorola 提供技术支持，开发一种定位于车身电子领域传感器（Sensors）和执行器（Actuators）组网的串行通信总线，要求该总线系统的协议和时序控制尽可能简单，即使低端MCU没有专用通信单元也可以实现基于该总线的通信。这种总线即为 LIN 总线。

三、 无线协议分析：蓝牙、WiFi、2.4G

无线协议是完整的协议栈，包含了从物理层到应用层的所有定义。单片机通常通过串口与实现这些协议的“模组”交互。

四、 总结与全局关系图

所有协议与单片机核心的关系，可以通过下图一目了然：

图例与说明：

• 关键路径：

  • UART路径：展示了UART数据如何通过不同物理层芯片（RS232/RS485）转换为不同的网络标准，以及如何作为高层协议（LIN/PPP）的基础和无线模组（BLE/Wi-Fi）的输入通道。
  • 独立协议路径：展示了SPI、I2C、CAN作为独立且平行的通信方式，直接由专用控制器管理。
  • 无线路径：展示了单片机通过UART或SPI与无线模组交互，由模组处理所有无线通信的复杂性。

常用模块

LCD

LVGL & gui guider

参考资料：

• lvgl官网
• lvgl控件

常用控件：

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lv_XXX_create() // 如btn按键等
lv_label_create() // label
lv_timer_create() // timer

事件Event

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交互类：点击、长按、释放、拖动
状态变化：失去焦点、获得焦点
对象变化：创建、删除、页面（屏）加载

添加事件接口：lv_obj_add_event_cb()

定时器timer

常见问题

1、长文件名无法正常显示或其中中文无法显示

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settting里面设置fat的Long filename support，API character encoding使用utf-8，记得保存

蓝牙模块

简介

蓝牙模块可以将有线串口数据流转换为无线蓝牙数据流，实现无线串口功能。

常见模组

• HC-04
• HC-05
• HC-08
• JDY-31
• JDY-33
• BT16

硬件连接

蓝牙模块配置（AT模式）

蓝牙未连接或者连接后按住KEY不放，可以使模块进入AT模式，此时通过串口发送AT指令，可对蓝牙模块进行配置。

注：以上仅以HC-04为例介绍AT模式，不同蓝牙模块的AT指令和进入AT模式的方法都可能不同，详细介绍请参考模块对应的手册

IMU

IMU芯片通常通过SPI（Serial Peripheral Interface）或I2C（Inter-Integrated Circuit）两种通信协议与微控制器进行数据交换。

在选择SPI或I2C时，需要考虑到系统的需求。例如，如果对速度和数据吞吐量有较高要求，则SPI可能是更好的选择；如果引脚资源有限或者需要支持多设备通信，I2C则更为合适。

mpu6050

QMI8658

国产芯片

ESP32示例代码：

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// 初始化qmi8658
void qmi8658_init(void)
{
    uint8_t id = 0; // 芯片的ID号
    qmi8658_register_read(QMI8658_WHO_AM_I, &id ,1); // 读芯片的ID号
    while (id != 0x05)  // 判断读到的ID号是否是0x05
    {
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);  // 延时1秒
        qmi8658_register_read(QMI8658_WHO_AM_I, &id ,1); // 读取ID号
    }
    ESP_LOGI(TAG, "QMI8658 OK!");  // 打印信息

    qmi8658_register_write_byte(QMI8658_RESET, 0xb0);  // 复位  
    vTaskDelay(10 / portTICK_PERIOD_MS);  // 延时10ms
    qmi8658_register_write_byte(QMI8658_CTRL1, 0x40); // CTRL1 设置地址自动增加
    qmi8658_register_write_byte(QMI8658_CTRL7, 0x03); // CTRL7 允许加速度和陀螺仪
    qmi8658_register_write_byte(QMI8658_CTRL2, 0x95); // CTRL2 设置ACC 4g 250Hz
    qmi8658_register_write_byte(QMI8658_CTRL3, 0xd5); // CTRL3 设置GRY 512dps 250Hz 
}

滤波

TF卡

esp-idf官方例程：https://github.com/espressif/esp-idf/tree/bbe8aabca0/examples/storage/sd_card

ESP32与TF卡通信主要有两种方式：

• SSPI：串行外设接口
• SDIO：安全数字输入输出接口。其中SDIO又分为两种模式：
  • 四线模式：有四个数据引脚
  • 一线模式：只有一个数据引脚

References

• soc介绍
• 怎么干好嵌入式MCU、ARM、DSP这一行
• 深入理解CPU和异构计算芯片GPU/FPGA/ASIC （上篇）