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一、嵌入式

1.1嵌入式是什么

嵌入式： 通常把嵌入式系統(tǒng)定義為一種以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，軟硬件可以剪裁，適用于系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

其實(shí)在我們看來嵌入式系統(tǒng)其實(shí)就是計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種應(yīng)用表現(xiàn)形式，也可以理解為在電子產(chǎn)品中嵌入一個(gè)微型大腦，這個(gè)微型大腦可以輔助協(xié)調(diào)其所在的電子設(shè)備完成設(shè)備的自動(dòng)化、智能化功能，在日常生活中的嵌入式設(shè)備也是多種多樣

1.2嵌入式的產(chǎn)品有哪些

常見的嵌入式產(chǎn)品：

​ 日常家用設(shè)備：冰箱，洗衣機(jī)，微波爐，電飯煲

​ 消費(fèi)電子：手機(jī)，智能手表/手環(huán)，智能音箱

​ 醫(yī)療產(chǎn)品：心電監(jiān)測儀，血糖儀，智能藥盒

​ 通信產(chǎn)品：路由器，網(wǎng)關(guān)

​ 等等。。。。。

二、定時(shí)器

2.1定時(shí)器是什么

在嵌入式系統(tǒng)中，定時(shí)器是一個(gè)至關(guān)重要的硬件外設(shè)（有時(shí)也指基于此實(shí)現(xiàn)的軟件功能），其核心功能是精確地測量時(shí)間間隔、產(chǎn)生周期性事件或延遲執(zhí)行。它就像一個(gè)內(nèi)置在微控制器或微處理器內(nèi)部的精密“秒表”或“鬧鐘” 是嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)、控制、測量和調(diào)度的基石 。

核心硬件組成：

1. 計(jì)數(shù)器： 核心部件，是一個(gè)可遞增或遞減的寄存器（通常16位或32位）。

2. 時(shí)鐘源： 驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器工作的時(shí)鐘信號（如系統(tǒng)主時(shí)鐘、內(nèi)部RC振蕩器、外部晶振）。

3. 預(yù)分頻器： 對時(shí)鐘源分頻，降低計(jì)數(shù)頻率，擴(kuò)展定時(shí)范圍。

4. 自動(dòng)重裝載寄存器： 設(shè)定計(jì)數(shù)器溢出后的重置值，實(shí)現(xiàn)周期性定時(shí)。

5. 比較寄存器： 設(shè)定比較值，當(dāng)計(jì)數(shù)器值與其匹配時(shí)觸發(fā)事件（如中斷、引腳電平變化）。

6. 控制邏輯： 配置工作模式、使能/禁用中斷等。

主要工作模式：

1. 基本定時(shí)模式：

   1. 計(jì)數(shù)器持續(xù)遞增/遞減，溢出時(shí)產(chǎn)生中斷/事件。

   2. 用途： 系統(tǒng)心跳（RTOS調(diào)度）、精確延時(shí)（替代軟件循環(huán)）。

2. 輸入捕獲模式：

   1. 捕獲外部信號邊沿（上升/下降沿）時(shí)刻的計(jì)數(shù)器值。

   2. 用途： 精確測量脈沖寬度、頻率或周期（如超聲波測距）。

3. 輸出比較模式：

   1. 當(dāng)計(jì)數(shù)器值匹配比較寄存器時(shí)，自動(dòng)改變引腳電平或觸發(fā)中斷。

   2. 用途： 生成精確時(shí)間信號、單脈沖輸出。

4. PWM模式：

   1. 自動(dòng)重裝載值設(shè)定PWM周期，比較值設(shè)定占空比。

   2. 用途： 控制電機(jī)速度、LED亮度、舵機(jī)角度（占空比決定輸出強(qiáng)度）。

5. 編碼器接口模式：

   1. 自動(dòng)解碼正交編碼器信號，計(jì)算位置和方向。

   2. 用途： 電機(jī)位置控制、旋轉(zhuǎn)測量。

2.3定時(shí)器可以起到什么作用

嵌入式系統(tǒng)中的核心作用：

1. 系統(tǒng)心跳：提供操作系統(tǒng)（如RTOS）任務(wù)調(diào)度的時(shí)基。定時(shí)器中斷驅(qū)動(dòng)著整個(gè)系統(tǒng)的“心跳”，確保任務(wù)按時(shí)執(zhí)行。

2. 精確延時(shí)：實(shí)現(xiàn)微秒級或毫秒級的精確等待，替代不精確的軟件循環(huán)。

3. 周期性任務(wù)觸發(fā)：定時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)、刷新顯示、檢查狀態(tài)等。

4. PWM生成：控制電機(jī)速度、LED亮度、舵機(jī)位置、開關(guān)電源等。

5. 時(shí)間測量：

   ​ 測量事件間隔（如按鍵消抖時(shí)間、脈沖寬度）。

   ​ 測量信號頻率、周期。

   ​ 為系統(tǒng)提供時(shí)間戳。

6. 事件計(jì)數(shù)：對外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)（可以作為定時(shí)器的簡單替代）。

7. 看門狗定時(shí)器：一種特殊的定時(shí)器，用于監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行。如果系統(tǒng)正常，軟件需定期“喂狗”（重置計(jì)數(shù)器）；如果系統(tǒng)崩潰無法喂狗，WDT超時(shí)后會(huì)強(qiáng)制復(fù)位系統(tǒng)，提高可靠性。

8. 實(shí)時(shí)時(shí)鐘：專用的低功耗定時(shí)器（RTC），用于日歷和時(shí)間保持，即使在主系統(tǒng)掉電時(shí)（依靠備用電池）也能持續(xù)運(yùn)行。

三、定時(shí)器的應(yīng)用

3.1定時(shí)器的使用場景

1. 需要精準(zhǔn)時(shí)序控制 → PWM/輸出比較

   （例：無人機(jī)電調(diào)控制）

2. 需要測量時(shí)間參數(shù) → 輸入捕獲

   （例：示波器測量脈沖）

3. 需要周期性操作 → 基本定時(shí)模式

   （例：數(shù)據(jù)日志記錄）

4. 需要抗系統(tǒng)崩潰 → 看門狗定時(shí)器

   （例：醫(yī)療設(shè)備監(jiān)護(hù)）

5. 需要低功耗運(yùn)行 → RTC喚醒

   （例：智能水表）

3.2場景舉例

1. 電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制

   1. 直流電機(jī)調(diào)速，調(diào)節(jié)占空比控制電機(jī)轉(zhuǎn)速

   2. 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，生成步進(jìn)脈沖序列和方向信號

   3. 舵機(jī)角度控制

   4. 編碼器反饋，解碼正交信號計(jì)算位置/速度

2. 信號生成與采集

   1. PWM信號輸出

      1. LED調(diào)光（調(diào)節(jié)亮度）

      2. 開關(guān)電源控制（Buck/Boost電路）

      3. 音頻DAC驅(qū)動(dòng)（生成模擬波形）

   2. 脈沖信號捕獲

      1. 測量超聲波回波時(shí)間（測距）

      2. 旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)數(shù)（計(jì)算轉(zhuǎn)速）

      3. 紅外遙控信號解碼（NEC協(xié)議）

   3. 通信時(shí)序控制

      1. 生成UART/SPI/I²C的精確波特率

      2. 軟件模擬通信協(xié)議（如單總線協(xié)議）

3. 傳感器與測量

1. 周期性數(shù)據(jù)采集

每100ms讀取溫濕度傳感器（DHT11）

定時(shí)觸發(fā)ADC采樣（電池電壓監(jiān)控）

2. 高精度時(shí)間測量

激光測距（飛行時(shí)間測量）

電容觸摸檢測（充放電時(shí)間測量）

4. 系統(tǒng)可靠性與監(jiān)控

1. 看門狗定時(shí)器 (WDT)

系統(tǒng)崩潰時(shí)自動(dòng)復(fù)位（需在中斷中定期“喂狗”）

2. 工業(yè)設(shè)備防死機(jī)設(shè)計(jì)

超時(shí)檢測

串口通信響應(yīng)超時(shí)（例：等待Modbus應(yīng)答超時(shí)則重發(fā)）

按鍵長按檢測（持續(xù)3秒進(jìn)入配置模式）

5. 低功耗管理

1. 喚醒定時(shí)

睡眠模式下定時(shí)喚醒（如每10分鐘采集數(shù)據(jù)后繼續(xù)休眠）

RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）鬧鐘喚醒（穿戴設(shè)備定時(shí)提醒）

2. 周期省電模式

傳感器間歇工作（如LORA節(jié)點(diǎn)每5分鐘激活一次）

3.3項(xiàng)目示例：

3.3.1智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

項(xiàng)目背景

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，為提高水資源利用效率、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)設(shè)備控制。傳統(tǒng)灌溉依賴人工判斷，效率低、浪費(fèi)大。而基于嵌入式的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)：

1. 根據(jù)設(shè)定時(shí)間自動(dòng)開啟/關(guān)閉水泵

2. 結(jié)合土壤濕度傳感器實(shí)現(xiàn)條件觸發(fā)灌溉

3. 支持遠(yuǎn)程控制與定時(shí)任務(wù)

4. 提高灌溉效率，節(jié)約用水

定時(shí)器在項(xiàng)目的核心作用

在本系統(tǒng)中，定時(shí)器用于周期性地觸發(fā)灌溉控制邏輯，其作用如下：

1. 定時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)：每10秒讀取一次土壤濕度；

2. 定時(shí)執(zhí)行灌溉控制：根據(jù)濕度值決定是否開啟水泵；

3. 實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行：主程序可進(jìn)入低功耗模式，由定時(shí)器喚醒；

4. 避免輪詢浪費(fèi)CPU資源：通過中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)高效調(diào)度。

3.3.2智能寵物喂食器的設(shè)計(jì)

項(xiàng)目背景

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的發(fā)展，智能家居設(shè)備逐漸普及。寵物喂食器作為其中一員，能夠幫助主人遠(yuǎn)程控制喂食時(shí)間與份量，尤其適用于上班族、出差頻繁或經(jīng)常旅行的寵物主人。

核心功能需求

1. 定時(shí)投喂：用戶可設(shè)定多個(gè)投喂時(shí)間點(diǎn)，系統(tǒng)自動(dòng)投食；

2. 遠(yuǎn)程控制：通過Wi-Fi連接手機(jī)APP，遠(yuǎn)程手動(dòng)投喂；

3. 食物余量檢測：使用重量傳感器或紅外傳感器檢測食物余量；

4. 低功耗運(yùn)行：適合長時(shí)間待機(jī)；

5. 斷網(wǎng)自動(dòng)運(yùn)行：本地定時(shí)任務(wù)不受網(wǎng)絡(luò)影響。

定時(shí)器在項(xiàng)目的核心作用

在本系統(tǒng)中，定時(shí)器主要承擔(dān)的任務(wù)如下：

1. 周期性檢測當(dāng)前時(shí)間：與設(shè)定的投喂時(shí)間進(jìn)行比對；

2. 觸發(fā)投喂動(dòng)作：當(dāng)時(shí)間匹配時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)投食；

3. 低功耗喚醒：在待機(jī)狀態(tài)下由定時(shí)器喚醒系統(tǒng)；

4. 防止誤觸發(fā)：避免因時(shí)間誤差導(dǎo)致重復(fù)投喂；

5. 支持多時(shí)間段設(shè)定：如早上8點(diǎn)、中午12點(diǎn)、晚上7點(diǎn)等。