实验2指南¶
请跟随实验指南完成实验，完成文档中所有的TASK。BONUS部分的内容完成可作为加分，但报告的总分不应超过100分。请下载此指南作为实验报告模版，将填充完成的实验报告导出为PDF格式，并命名为“学号_姓名_lab2.pdf”，上传至学在浙大平台。下载请点击 这里 。
1 串口¶
1.1 驱动¶
由于现在的电脑已经不再标配串口，我们需要使用USB转串口的方式来进行串口通信。在本实验中，我们使用的是CP2102，其驱动程序可以在 Silicon Labs官网 上选择适合自己操作系统的版本进行下载。
在驱动安装完成后，将CP2102插到电脑的USB口，我们可以在设备管理器中看到相应设备，如下图所示：
记住这里的COM编号，就是上图中的COM7，我们将在后面的实验中使用。
对于Linux或者MacOS，我们可以使用ls /dev/tty*命令来查看串口设备，如下图所示：
上图中的/dev/tty.usbserial-0001就是我们需要的串口设备。
TASK1 请在此处放置你所查找到的USB转串口设备的截图（5分）
由于这之后的实验大多需要同时连接ST-Link和CP2102，因此建议准备一个小的USB Hub用来同时连接这两个设备，以避免插拔USB线带来的不便。
1.2 串口调试助手¶
在实验中，我们需要使用串口调试助手来进行串口通信，实现和单片机的信息交互。下面将提供三种常用的串口调试助手，供大家选择。
1.2.1 PuTTY¶
适用平台：Windows
PuTTY是一款开源的串口调试助手，其下载地址为 PuTTY官网 。选择对应架构的Windows Installer进行下载。
进行串口通信的配置如下图所示，选择Serial，根据硬件管理器里的COM编号在Serial Line输入COM7，在Speed输入115200，然后Open就可以了：
1.2.2 PicoCom¶
适用平台：Linux，MacOS
PicoCom是一款开源的串口调试助手，其Release地址为 PicoCom 。可以下载源码自行编译安装，也可以通过相应平台的包管理器进行安装，如Ubuntu可以使用sudo apt install picocom进行安装，MacOS可以使用brew install picocom进行安装。
这是一个典型的Linux开源软件。启动picocom时，用以下的命令行参数：
picocom -b 115200 /dev/tty.usbserial-0001
其中115200是波特率，/dev/tty.usbserial-0001是串口设备。
picocom启动时会显示所有的配置参数：
picocom v3.2a
port is : /dev/tty.usbserial-0001
flowcontrol : none
baudrate is : 115200
parity is : none
databits are : 8
stopbits are : 1
escape is : C-a
local echo is : no
noinit is : no
noreset is : no
hangup is : no
nolock is : no
send_cmd is : sz -vv
receive_cmd is : rz -vv -E
imap is :
omap is :
emap is : crcrlf,delbs,
logfile is : none
initstring : none
exit_after is : not set
exit is : no
Type [C-a] [C-h] to see available commands
Terminal ready
以上所有的参数都可以通过命令行参数来设置。暂时我们不需要做任何的特殊配置。
退出picocom时，按下Ctrl+A，然后按下Ctrl+X即可。
1.2.3 CoolTerm¶
适用平台：Windows，Linux，MacOS
CoolTerm是一款开源的串口调试助手，其下载地址为 CoolTerm官网 。选择对应系统及架构的版本进行下载。
点击软件左下角，选择对应的串口和波特率（此处使用115200），点击Connect即可连接。
TASK2 请给出使用串口调试助手成功连接串口后的截图，软件可任意选择（5分）
2 工程配置¶
和Lab 1一样配置SYS、GPIO等，注意时钟一定要使用外部晶体。
这次要多配置的是Connectivity里的USART。
-
点击Connectivity→USATR1；
-
设置MODE为
Asynchronous（异步通信）； -
Parameter Setting：Basic Parameters：均采用默认不修改：波特率为115200 Bits/s。传输数据长度为8 Bit，奇偶检验无，停止位1。
-
GPIO Settings：看到PA9为USART1_TX，PA10为USART1_RX；
-
NVIC Settings：使能UASRT1 global interrupt。
另外，在Project Manager的Code Generator，勾选“Generate peripheral initiallization as a pair of '.c/.h' files per peripheral”（每个功能生成独立的.c和.h文件）。勾选后再生成代码，可以将所有的功能分别生成独立的.c和.h文件，方便我们后面的实验。本实验中会生成usart.c/h和gpio.c/h。
TASK3 请给出工程配置完成后自动生成代码后的层次结构截图，要求展开Core文件夹中的Inc、Src和Startup三个文件夹（5分）
3 连线¶
连线之前将USB-Hub从电脑上拔掉，在断电状态下进行操作。本实验中其余器件的连接方式参考Lab 1。需要额外进行连线的是CP2102和103板。
CP2102板的末端有6根插针，它们的标字在背面，顺着字的方向，依次是DTR、RXD、TXD、VCC、CTS和GND。
CP2102和103板的连线方式如下表所示：
| 103 | CP2102 | 颜色 | 意义 |
|---|---|---|---|
| A9 | RXD | 103发送数据给PC | |
| A10 | TXD | PC发送数据给103 | |
| GND | GND | 黑色 | 地 |
TASK4 请在下方放上完整连接的实物图，包括CP2102、103板、开关和ST-Link（5分）
TASK5 我们可以观察到，CP2102板子上也有VCC，已知此VCC输出电压为3.3V。请问在 不改变当前其他连线 情况下，可以将此VCC和103板的3.3V连接起来为其供电吗？如果不行，请说明原因。（5分）
4 串口通信¶
4.1 轮询输出¶
请使用轮询的方式，每隔1s在串口输出一次Hello World!。
TASK6 请在下方给出实现轮询输出的代码，并给出上板运行后使用串口调试软件观察的截图。（10分）
提示
可以在HAL库中查找与UART相关的函数来实现轮询输出。
4.2 测量按钮按下时间¶
此处要求使用时钟中断的方式，测量按钮按下的时间，并从串口输出。此处同样要求进行按键消抖。
4.2.1 使用 SysTick 测量时间¶
SysTick 为24bit的系统定时器（又称嘀嗒定时器）。只要是 ARM Cotex-M 系列内核的MCU都包含这个定时器。使用内核的 SysTick 定时器来实现延时，可以不占用系统定时器，节约资源。在操作系统执行多任务管理时，SysTick 定时产生的中断能确保单个任务不会锁定整个系统。SysTick还可用于闹钟定时、时间测量等。
TASK7 请在下方给出使用SysTick测量按钮按下时间的 关键代码 ，并给出上板运行后使用串口调试软件 观察的截图 。（5分）
BONUS1 尝试更改 SysTick 时钟中断周期，以改变按键按下时间的测量精度。（5分bonus）
TASK8 请解释 HAL_Delay() 函数的工作原理。在 TASK7 完成后，你的工程是否还可以正常使用 HAL_Delay() ？请简述原因。（5分）
BONUS2 在 BONUS1 完成后，你的工程是否还可以正常使用 HAL_Delay() ？请简述原因。（5分bonus）
4.2.2 使用 TIM 测量时间¶
TIM（Timer）是定时器，是一种用于产生定时中断的硬件设备。Timer作为定时使用时信号来源通常使用内部时钟
STM32单片机中有很多个Timer，通常TIM6和TIM7为基础定时器、TIM1和TIM8为高级定时器，其余为通用定时器。基础定时器仅有定时功能；通用定时器在定时基础上，还支持外部输入补货、比较、PWM输出等功能；高级定时器则在通用定时器的基础上增加了互补输出、死区、编码器等功能。
以下为有关TIM的几项常见参数：
-
Prescaler预分频系数在STM32中常见取值为
0~65535。 -
CounterMode计数模式-
向上计数模式（Up）
计数器从0计数到自动加载值（TIMx_ARR），然后重新从0开始计数并且产生一个计数器溢出事件。
-
向下计数模式（Down）
计数器从自动加载值（TIMx_ARR）开始向下计数到0，然后从自动装入的值重新开始，并产生一个计数器向下溢出事件。
-
中央对齐模式（向上/向下计数）
计数器从0开始计数到自动装入的值-1，产生一个计数器溢出事件，然后向下计数到1并且产生一个计数器溢出事件；然后再从0开始重新计数。
-
-
Period计数周期即为上方所述的自动加载值。
在STM32中常见取值为
0~65535。 -
AutoReloadPreload自动重装载预装载使能计数器再计满一个周期之后会自动重新计数，也就是默认会连续运行。在计数中途对Period进行更改可能会产生预想不到的结果。使能AutoReloadPreload后，Period的修改将会在完成当前计数周期后才更新；
定时时间的计算公式如下：
TASK9 在下方给出使用TIM测量按钮按下时间的 关键代码 以及定时器的相应 配置截图 ，并给出上板运行后使用串口调试软件 观察的截图 。（10分）
提示
TIM的中定时器溢出中断回调函数为HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)，你可能需要重写该函数。
请注意需要在ioc文件中启用TIM，并按照上述定时时间的计算公式配置合理时间的中断。
4.2.3 使用引脚中断来处理按钮和测量时间（Bonus）¶
BONUS3 请在下方给出使用引脚中断来处理按钮和测量时间的 关键代码 ，并给出上板运行后使用串口调试软件 观察的截图 。（5分bonus）
提示
请将相应的引脚配置成GPIO_EXIT模式，并在NVIC中使能相应的中断。
你可能需要重写HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)函数。注意引脚中断和时钟中断优先级的配置。
4.3 使用中断和DMA输出串口数据（Bonus）¶
请查询相应资料并参考 HAL手册 中有关UART_Transmit和UART_Recevie的部分，找到处理中断和DMA相关任务的函数，完成下面的任务。
BONUS4 自行设计适合中断方式传输串口数据的情境，并给出具体代码和结果截图（5分bonus）
BONUS5 自行设计适合DMA方式传输串口数据的情境，并给出具体代码和结果截图（5分bonus）
参考资料
如果你没有学习过计算机组成和计算机体系结构，不了解中断和DMA的概念，可以参考以下链接：
5 方波¶
5.1 使用PWM输出方波¶
使用PWM输出方波的方法有很多种，这里我们使用TIM的PWM模式来实现。
在配置TIM时，需要将Clock Source设置为Internal Clock，并选择一个可用的通道生成PWM信号。如下图所示，在TIM1中的通道2生成了PWM信号。
在配置完成后，可以在右边的芯片示意图上看到默认输出的引脚。
在下方的 Parameter Settings 中，可以看到TIM的配置参数，在此处我们需要关心 Counter Settings 中的内容：
其中有如下公式：
其中freq为目的定时器频率（在这里即为PWM输出频率），SysClock为时钟源频率，PSC为预分频寄存器的值，ARR为自动重载寄存器的值。我们可以通过调整自动重载值和预分配系数，来调整PWM的输出频率。
TASK10 请在下方给出你所配置的 Tim Mode 以及 Counter Settings 截图，并根据公式计算出理论上的方波频率（5分）
参考资料
PWM的占空比指的是高电平所占的时间比例，占空比越大，方波的高电平时间越长，低电平时间越短。占空比（duty）的计算方法如下：
其中CCR为捕获/选择寄存器的值。
TASK11 在下方给出使用TIM产生方波的 关键代码 ，并要求对CCR进行修改以指定占空比，并计算出按照你的设置，占空比应当为多少。（10分）
提示
可能用到的函数：HAL_TIM_PwM_Start、HAL_TIM_PWM_Stop、__HAL_TIM_SET_COMPARE。
5.2 测量方波¶
5.2.1 交叉连线测量¶
此步骤需要两人合作完成，一人负责输出方波，一人负责测量方波。
输出方波的内容参考前一小节的内容，另一人需要和输出方波的同学进行交叉连线，测量方波脉冲的宽度，并将每次测量的结果通过串口输出到PC。
TASK12 在下方给出测量方波脉冲宽度的 关键代码 ，并将测量结果（即串口输出的结果）进行截图。（10分）
TASK13 请画出小组交叉连线进行测量时 实验的完整电路连接示意图 ，包括两组的103板、CP2102、ST-Link等。需要标识清楚参与连线的引脚。（5分）
BONUS6 试探能够测量的最小脉冲宽度（5分bonus）
5.2.2 逻辑分析仪/示波器测量¶
逻辑分析仪的使用方法请参考逻辑分析仪使用方法。
TASK14 使用逻辑分析仪或示波器测量方波的频率以及空占比，并给出相应软件测量到的截图。请将此处测量出的脉冲宽度和交叉连线中测量到的进行比较。（10分）
TASK15 请画出使用逻辑分析仪/示波器测量时 实验的完整电路连接示意图 ，包括103板、逻辑分析仪/示波器、CP2102、ST-Link、开关等。需要标识清楚参与连线的引脚。（5分）
6 讨论和心得¶
请认真填写本模块，若不填写或胡乱填写将酌情扣分，写明白真实情况即可。
请在此处填写实验过程中遇到的问题及相应的解决方式。
由于本实验为新实验，可能存在不足之处，欢迎同学们对本实验提出建议。
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