用于微控制器原型設(shè)計(jì)的mbed快速原型開發(fā)解決方案

ARM的mbed快速原型開發(fā)解決方案將NXP LPC1768微控制器與支持組件和智能USB接口與基于云的工具配對，可以高效評估微控制器功能和應(yīng)用原型。 mbed尋找可以優(yōu)化工作原型時(shí)間的技術(shù)和權(quán)衡，使設(shè)計(jì)人員能夠在設(shè)計(jì)周期的早期快速測試，評估和演示創(chuàng)意。

微控制器變得更小，功能更強(qiáng)大，功耗更低，更多的連接，但價(jià)格不斷下降。對于能夠成功采用該技術(shù)的新市場來說，這是一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)。關(guān)鍵在于確定微控制器可以解決的新問題，并構(gòu)建概念驗(yàn)證，將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為成為潛在產(chǎn)品。

業(yè)界已為嵌入式工程師構(gòu)建了出色的工具，可根據(jù)需要生成微控制器設(shè)計(jì)規(guī)范是已知的。但是，當(dāng)任務(wù)是證明一個(gè)概念或定義規(guī)范時(shí)，即使對于有經(jīng)驗(yàn)的工程師來說，風(fēng)險(xiǎn)和時(shí)間尺度通常也不會(huì)增加。結(jié)果是想法沒有得到嘗試;幾乎沒有迭代或設(shè)計(jì)空間探索;最終的設(shè)計(jì)也是原型，或者規(guī)范過于謹(jǐn)慎。鑒于在許多情況下，可以定義這些應(yīng)用程序的想法，觀察和見解將來自其他問題領(lǐng)域的人，這些限制被放大。這有可能成為采用的真正障礙。

策略

mbed的基本目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對微控制器功能的有效評估以及可應(yīng)用的應(yīng)用程序的原型設(shè)計(jì)。特別是，它旨在匹配產(chǎn)品設(shè)計(jì)其他方面的設(shè)計(jì)周期時(shí)間。有助于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的策略(圖1)是尋找可以優(yōu)化工作原型時(shí)間的技術(shù)和權(quán)衡，而不是優(yōu)化設(shè)計(jì)本身。

圖1：mbed策略。

例如，微控制器的趨勢是以固定價(jià)格提高性能和內(nèi)存容量。雖然大多數(shù)工具專注于使用戶能夠在可以創(chuàng)建的應(yīng)用程序的最終功能中利用它，但mbed卻專注于使用此性能和容量來減少設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。一個(gè)很好的例子是提供高級(jí)抽象，使得功能可以以實(shí)現(xiàn)效率和增加代碼大小為代價(jià)來訪問。

另一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是克服進(jìn)入障礙;技術(shù)驗(yàn)收模型(圖2)為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了一個(gè)清晰的框架，突出了易用性和感知有用性。通過實(shí)驗(yàn)和教育洞察技術(shù)，可以提高認(rèn)知的實(shí)用性。原型設(shè)計(jì)方法自然支持用戶探索，同時(shí)使?fàn)I銷和應(yīng)用工程功能能夠輕松演示和展示技術(shù)。

圖2：技術(shù)接受度(Davis等，1989)。易于使用實(shí)際上非常依賴于背景;大多數(shù)好工具都很容易用于他們的預(yù)期任務(wù)。但對于不同的任務(wù)，結(jié)果不太可能相同。通過明確定義快速原型設(shè)計(jì)的背景，使設(shè)計(jì)權(quán)衡集中于易用性變得更有意義。對于熟悉現(xiàn)有專有架構(gòu)和工具鏈的行業(yè)內(nèi)嵌入式開發(fā)人員而言，從專家到學(xué)習(xí)者的額外負(fù)面感覺可能令人望而生畏。僅這些因素就足以推遲探索轉(zhuǎn)向現(xiàn)代解決方案的好處。對于新用戶而言，恐懼，不確定性和懷疑同樣令人望而卻步。這使初始體驗(yàn)變得至關(guān)重要;這些工具必須快速提供結(jié)果，投資少，建立信任并獲得任何進(jìn)一步的持續(xù)投資。

入門

mbed的目標(biāo)是讓新用戶盡快運(yùn)行他的第一個(gè)項(xiàng)目，建立信心和信任在硬件和軟件工具鏈中。 mbed工具采用了一些新技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，結(jié)果不言而喻;你可以在60秒內(nèi)開始。這一成就意味著沒有理由不進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

結(jié)果是通過兩項(xiàng)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)的;基于USB磁盤的編程器，用于硬件和編譯器工具，用作在Web瀏覽器中運(yùn)行的基于云計(jì)算的Web應(yīng)用程序。這些解決方案有一些明顯的好處，但有些并不是立竿見影的。

預(yù)先確定的優(yōu)點(diǎn)是無需設(shè)置或安裝。對于許多人來說，這只是一個(gè)令人愉快的驚喜，允許在沒有行政職責(zé)的情況下即時(shí)訪問。但對于其他在許多教育和工作場所環(huán)境中都有鎖定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的人而言，這可能是能否測試微控制器之間的區(qū)別。

IDE簡單但功能強(qiáng)大，可以讓它走出方式并做它的設(shè)計(jì) - 編輯和編譯代碼。通過預(yù)先配置的所有內(nèi)容，它可以在任何平臺(tái)上開箱即用，包括PC，Mac或Linux。這種即時(shí)無障礙訪問使工具更有信心，使用戶能夠在需要使用或演示它們時(shí)隨時(shí)取出它們。

現(xiàn)在，通常可以在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上工作，在線方法成為一個(gè)特別的優(yōu)勢。您不僅可以避免多次安裝的問題并保持同步，而且無論您身在何處，您的在線工作空間都隨身攜帶。

微妙的優(yōu)點(diǎn)是您看不到的東西。您無需做出決定，因?yàn)橐呀?jīng)為這項(xiàng)任務(wù)提供了最合適結(jié)果的選項(xiàng)和配置。

已經(jīng)完成了大部分硬件和軟件基礎(chǔ)工作。這些工具非常輕巧，從任何機(jī)器上都可以登錄，從頭開始創(chuàng)建項(xiàng)目，并在幾分鐘內(nèi)測試或修改一些東西;這種靈活性會(huì)對工作方式產(chǎn)生重大影響。簡化設(shè)置意味著一切都很容易重現(xiàn)。

結(jié)合單一硬件和庫模型，每個(gè)其他mbed用戶都在相同的環(huán)境中進(jìn)行開發(fā)。這使得社區(qū)支持變得更加容易，因?yàn)槿藗兛梢栽诠餐谋尘跋路窒韱栴}和疑問。

圖3：在線編譯器。

快速原型設(shè)計(jì)

mbed的硬件和軟件組件的架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)在原型設(shè)計(jì)方面提供了獨(dú)特的優(yōu)勢。

mbed微控制器硬件封裝了恩智浦LPC1768微控制器，支持元件和智能USB接口采用實(shí)用的40引腳0.1“間距DIP外形，非常適合在無焊接面板，條板和通孔PCB上進(jìn)行試驗(yàn)。為了支持暴露的接口，mbed C/C ++庫提供了高 - 微控制器外圍設(shè)備的電平接口，實(shí)現(xiàn)清晰，緊湊，API驅(qū)動(dòng)的編碼方法。這種組合可立即連接外圍設(shè)備和模塊，用于基于微控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原型設(shè)計(jì)和迭代，為開發(fā)人員提供更多創(chuàng)新和更多的自由圖4顯示了基本的mbed微控制器引腳排列，指示了接口資源的可用性和位置。接口指示特德匹配mbed庫中的那些。這突出了它們共同開發(fā)的一些主要優(yōu)點(diǎn)。 API提供抽象的外圍接口，而不是特定于實(shí)現(xiàn)。這些庫使用面向?qū)ο?，它可以很好地映射到有形的物理硬件資源。硬件，庫和文檔共享相同的接口命名和概念。

圖4：mbed微控制器引腳排列。

硬件和軟件之間的對齊使得自然編程風(fēng)格能夠捕獲意圖，這對于快速實(shí)驗(yàn)和迭代至關(guān)重要。

例如，mbed避免了需要通常的多級(jí)間接引腳和資源分配需要。這些往往會(huì)失去意義并引入錯(cuò)誤。

#include“mbed.h”//mosi，miso，sclkSPI myspi(p5，p6，p7);

int main(){//設(shè)置9 -bit SPI @ 1MHz

myspi.frequency(1000000);

myspi.format(9); int response = myspi.write(0x8F);

圖5：配置并寫入a SPI器件。

圖5中的SPI示例演示了如何設(shè)置SPI主接口。首先，創(chuàng)建一個(gè)SPI對象并將其綁定到所需的引腳(mosi，miso和sclk)，如圖4所示。請注意，當(dāng)物理連接器件時(shí)，此表達(dá)式現(xiàn)在同樣有用 - 規(guī)范已捕獲物理連接。

接下來，在執(zhí)行寫/讀事務(wù)之前配置SPI對象(myspi)的頻率和位格式。 SPI對象上的方法定義明確，界面直觀，操作獨(dú)立于底層硬件的低級(jí)設(shè)置或要求實(shí)際上，要更改本例中使用的SPI端口，只有引腳名稱會(huì)需要改變。這有助于將設(shè)計(jì)的物理方面(使用的資源以及它們?nèi)绾伪还潭?的修改分離到控件(它們的作用)。

圖6中顯示了捕獲意圖的類似示例。在這種情況下，每次在數(shù)字輸入引腳上發(fā)生上升沿中斷時(shí)，都會(huì)調(diào)用一個(gè)函數(shù)。中斷是一個(gè)簡單的概念，但設(shè)置和正常運(yùn)行非常復(fù)雜。使用mbed，代碼在概念上非常簡單。創(chuàng)建一個(gè)可以產(chǎn)生中斷的引腳，并將一個(gè)函數(shù)附加到該引腳的上升沿。

#include“mbed.h”中斷按鈕(p5);

DigitalOut LED(LED1); void flip(){

led =!led;

}

int main(){//附加翻轉(zhuǎn)到p5邊緣 button.rise(& flip); //徘徊永遠(yuǎn)

while(1);

圖6：將函數(shù)附加到引腳中斷事件。

InterfaceFunctionDigitalIn

DigitalOut

DigitalInOut

InterruptIn

AnalogIn

AnalogOut

PwmOut

串口

SPI

I²C

CAN

以太網(wǎng)

定時(shí)器

Ticker

超時(shí)

讀取數(shù)字輸入引腳的狀態(tài)《 br》寫入數(shù)字輸出引腳的狀態(tài)

讀取和寫入雙向數(shù)字引腳

在引腳上升沿/下降沿觸發(fā)功能

讀取模擬輸入引腳上的電壓

控制模擬輸出引腳上的電壓

控制脈沖寬度調(diào)制輸出引腳

與串行(UART)設(shè)備通信

與SPI從設(shè)備通信

與I²C從設(shè)備通信s

在CAN總線上通信

讀寫以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包

通用計(jì)時(shí)器

以固定間隔調(diào)用函數(shù)

7：mbed庫接口。

庫是使用整個(gè)方法構(gòu)建的(參見圖7)，它允許開發(fā)人員專注于應(yīng)用程序邏輯而不是實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

mbed庫建立在低端之上ARM®Cortex™微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)(CMSIS)，是Cortex-M處理器系列獨(dú)立于供應(yīng)商的硬件抽象層。與CMSIS相比，mbed庫提供了一個(gè)非常高級(jí)的API，專注于為外圍設(shè)備的基本控制提供抽象接口。這種結(jié)構(gòu)為用戶提供了一種自然的方式，可以隨時(shí)隨地從mbed庫中受益，同時(shí)添加在CMSIS上構(gòu)建的定制代碼，他們需要支持未提供的功能。特別是，這使得在原型設(shè)計(jì)時(shí)僅能在關(guān)鍵或差異化方面集中精力。除了mbed庫之外，mbed Community外圍庫是用于控制連接到微控制器的外圍設(shè)備(例如傳感器，執(zhí)行器，LCD和其他模塊)的貢獻(xiàn)代碼的擴(kuò)展基礎(chǔ)。這些通常構(gòu)建在mbed庫之上，使系統(tǒng)能夠快速連接，重點(diǎn)關(guān)注邏輯和功能而不是驅(qū)動(dòng)程序。這些庫可以由mbed社區(qū)中的任何人提供，并且隨著時(shí)間的推移將由來自第三方供應(yīng)商的中間件補(bǔ)充。

圖8：mbed庫體系結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用程序示例

為了演示如何使用mbed實(shí)現(xiàn)簡單的應(yīng)用程序?qū)嶒?yàn)，以下示例演示了由Internet數(shù)據(jù)庫控制的硬件設(shè)備。

圖9中的示例程序?qū)崿F(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在屏幕上顯示消息并根據(jù)HTTP請求的結(jié)果移動(dòng)伺服電機(jī)。該解決方案不太可能是最佳的，強(qiáng)大的或完整的，但足以使概念有效。

原型可以實(shí)現(xiàn)硬件的迭代，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的早期開發(fā)，新市場的探索或提供承諾的案例項(xiàng)目。通過使用可訪問的方式來測試想法，mbed有助于降低與產(chǎn)品開發(fā)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，并且可以更頻繁地將高級(jí)微控制器設(shè)計(jì)到應(yīng)用程序中。

#include“mbed.h”#include“HTTPClient.h”

#include “MobileLCD.h”MobileLCD lcd(p5，p7，p8，p9);

//SPI LCD //以太網(wǎng)客戶端

HTTPClient http; //R/C伺服

PwmOut伺服(p21); int main(){//20ms伺服周期

servo.period(0.020);

char result [128]; while(1)

{

http.get(http://a.com/stat.php“，result); lcd.printf(”狀態(tài)為%s n，結(jié)果); //定位伺服，1-2ms脈沖寬度

float percent = atof(result);

servo.pulsewidth(0.001 *%); //每分鐘更新

wait(60);

圖9：從互聯(lián)網(wǎng)app控制屏幕和伺服。

結(jié)論

對快速原型設(shè)計(jì)的關(guān)注使mbed具有廣泛的吸引力。對于剛接觸嵌入式應(yīng)用的工程師，mbed將使他們能夠首次實(shí)驗(yàn)和測試產(chǎn)品創(chuàng)意。對于經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，mbed提供了一種在概念驗(yàn)證階段提高工作效率的方法。對于市場營銷，分銷商和應(yīng)用工程師，mbed為微控制器的演示，評估和支持提供了一致的平臺(tái)。因此，mbed工具將幫助不同的受眾利用NXP LPC1768等高級(jí)微控制器帶來的機(jī)會(huì)。