嵌入式学习——LED

输出速度：合理配置，高速=高功耗+强电磁干扰+快信号变化时间，led用低速就行了。

Moran1688

1954人浏览 · 2025-04-28 10:14:45

Moran1688 · 2025-04-28 10:14:45 发布

网课：Alice_西风&爱上半导体

从点灯开始：通过GPIO引脚输出点亮或者熄灭。

什么是GPIO?

GPIO 的全称是通用输入输出端口（General Purpose Input Output）。你可以把它想象成 STM32 芯片的 “手脚”。用户可自定义的引脚

作为 “手”：它能向外输出高电平或者低电平信号，就像手去控制一些东西一样，比如控制一个小灯的亮灭，高电平就是让灯亮，低电平就是让灯灭。

作为 “脚”：它能接收外部的信号，比如接收一个按钮有没有被按下的信号。当按钮按下时，GPIO 引脚就会变检测到一个电平化，就好像脚感觉到了有东西踩上去一样，然后告诉芯片发生了什么事情。

可以有一下几种模式：

输入模式：将引脚配置为输入模式，用于读取外部信号。

适用场景：读取按钮状态、传感器信号等

输出模式：将引脚配置为输出模式，用于驱动外部设备或信号。

适用场景：LED控制、电机驱动等

模拟（信号）模式：将引脚配置为模拟模式，用于模拟信号输入或输出。

适用场景：ADC读取、DAC输出等

复用功能：将引脚配置为某个外设的备用功能，如UART、SPI或I2C等。（一个引脚可够配置多个功能，但只能同时选择一个功能）

适用场景：通信接口、定时器输出等

输出模式：

对输出模式的详细介绍：BV1Pr4y1n74J

推挽输出模式 (Push-Pull)：

驱动高电平和低电平

就好像一个有两个“小助手”的电路控制模式。在这种模式下，当要输出高电平时，其中一个“小助手”（上拉晶体管）会把引脚连接到电源，让引脚输出高电平；而当要输出低电平时，另一个“小助手”（下拉晶体管）会把引脚连接到地，让引脚输出低电平。这两个“小助手”相互配合，一个负责拉高电平，一个负责拉低电平，就像两个人在推和拉一个东西一样，所以叫推挽输出模式。这种模式能很好地控制引脚输出稳定的高低电平，并且具有较强的驱动能力。用于控制LED，继电器，开关，信号输出等。

开漏输出模式 (Open-Drain)

可以把它想象成一个只有 “下拉助手” 的特殊电路模式。常用于I2C总线

在开漏输出模式下，当要输出低电平时，“下拉助手”（下拉晶体管）会把引脚连接到地，让引脚输出低电平，这和推挽输出模式中的下拉操作类似。但是，当要输出高电平时，就不一样了，这时没有 “上拉助手” 把引脚连接到电源来拉高电平，而是引脚处于一种悬空的状态，需要外部电路接上一个上拉电阻才能将引脚拉高到高电平。就好像一个人只能把东西往下拉，要让东西上去得靠别人帮忙拉一把。（如下图，因为当输出高电平时，晶体管不上拉也不下拉，引脚相当于接上无穷大的电阻，此时所输出的电压来源于电阻电压）

开漏输出模式常用于一些需要多个设备共享总线的情况，比如 I2C 总线。多个设备的开漏输出引脚连接在一起，通过外部上拉电阻实现电平的拉高，这样可以避免多个设备同时输出高电平时产生冲突。

为什么能避免冲突？

开漏输出就像一群人在拉一根绳子（电平），每个人都只能把绳子往下拉（拉低电平），要让绳子升上去（拉高电平）得靠一个共同的外力（外部上拉电阻）。当大家都不往下拉时，外力把绳子拉高。只要是有一个人把绳子往下拉（接地），其他人就算 “放手”（处于高阻态）也不影响绳子被拉低（拉低电平），这样就不会出现大家一起用力拉绳子，方向不一致产生冲突的情况啦。

个人理解：就好像只要有一个人饿（接地），就不会做饭（引脚不会拉高电平），只有当所有人都不饿（都不接地），才会做饭（引脚拉高电平），ps:最出生的一集。饿就是肚子空空，接入地线，一点电子都没有。

同时，它还可以实现""线与""功能，即只要有一个设备输出低电平，总线就为低电平，只有所有设备都不输出低电平时，总线才在外部上拉电阻的作用下为高电平。

当全部为高电平，则引脚为高电平。否则为低电平

总结：

输出速度：合理配置，高速=高功耗+强电磁干扰+快信号变化时间，led用低速就行了。

cubeMX引脚配置及其使用

引脚结合原理图来看

模块—功能原件对应引脚（看原件接地还是接电源：决定输入1还是0）—杜邦线连到芯片IO口—CuBeMX中设置对应引脚为输出模式( 对于LED控制，通常选择Output Mode。如果需要通过PWM控制LED亮度，则选择Alternate Function并连接到定时器。)

如图，配置对应的接口

其中要配置每个引脚的 PB12 Configuration

依次为：输出电平，输出模式（回顾上文），上下拉电阻（led不需要），输出速度，标签（对引脚的别名）

配置好引脚就可以生成文件

keil配置

主函数中对hal库初始化外设和时钟，

其中GPIO.c文件解释如下

首先在app文件下创建app.c.h，以及mydefine.h文件，在app.h文件中引用mydefine.c文件（作为其他头文件引用过度文件）,mydefine中引用，注意写成预定义形式防止交叉引用现象

什么是预定义形式：

预定义（Predefined）通常指的是在编程语言中已经定义好的一些特定的变量、常量或函数。这些预定义的实体可以直接在程序中使用，无需重新定义或声明。预定义的实体通常是由编程语言标准或标准库所提供的，可以在程序中直接引用。

在C语言中，有一些常见的预定义宏，如`__LINE__`表示当前所在代码行号，`__FILE__`表示当前所在文件名，`__DATE__`表示当前编译日期等。这些预定义宏可以帮助程序员获取一些编译时的信息，方便调试和记录日志。

另外，在C语言标准库中也存在一些预定义的函数，如`printf`、`scanf`等，在使用这些函数时无需进行额外的定义，只需要包含对应的头文件即可直接调用。

否则会出现一下错误

解决方案：

这样的预定义是怎么防止冲突的呢？

预处理指令可以通过条件编译来避免头文件的重复引用。常用的方式是使用`#ifndef`、`#define`、`#endif`来包围头文件的内容。

具体来说，可以在头文件的开头和结尾添加如下代码：

这段代码的作用是：
- `#ifndef LED_APP_H`检查是否定义了`LED_APP_H`宏，如果未定义，则继续编译；如果已定义，则跳过后续代码。
- `#define LED_APP_H`定义了`LED_APP_H`宏，防止重复引用。
- `#endif`标志着条件编译的结束。

通过这种方式，即使在多个地方引用同一个头文件，也可以确保头文件只被包含一次，避免了重复引用的问题。

点灯的流程：

首先定义ucled数组，创建led底层函数。用新老变量去记录LED状态。for循环去遍历led状态，然后直接写入，然后新老变量相等。

创建led显示处理函数（主函数调用），在其中调用led_disp函数更新led状态

在主函数中初始化调度器函数，同时引用调度器.h文件

while循环中执行调度器“scheduler_run”

大概就是这样：（led_app.c）

#include "led_app.h"
#include "gpio.h" // 确保包含了HAL库的GPIO头文件

uint8_t ucLed[6] = {1,0,1,0,1,1}; // LED 状态数组 (6个LED)

/**
* @brief 根据ucLed数组状态更新6个LED的显示
* @param ucLed Led数据储存数组 (大小为6)
*/
void led_disp(uint8_t *ucLed)
{
uint8_t temp = 0x00; // 用于记录当前 LED 状态的临时变量 (最低6位有效)
static uint8_t temp_old = 0xff; // 记录之前 LED 状态的变量, 用于判断是否需要更新显示

for (int i = 0; i < 6; i++) // 遍历6个LED的状态
{
// 将LED状态整合到temp变量中，方便后续比较
if (ucLed[i]) temp |= (1 << i); // 如果ucLed[i]为1, 则将temp的第i位置1
}

// 仅当当前状态与之前状态不同的时候，才更新显示
if (temp != temp_old)
{
// 使用HAL库函数根据temp的值设置对应引脚状态 (假设高电平点亮)
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_12, (temp & 0x01) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); // LED 0 (PB12)
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_13, (temp & 0x02) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); // LED 1 (PB13)
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_14, (temp & 0x04) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); // LED 2 (PB14)
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_15, (temp & 0x08) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); // LED 3 (PB15)
HAL_GPIO_WritePin(GPIOD, GPIO_PIN_8, (temp & 0x10) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); // LED 4 (PD8)
HAL_GPIO_WritePin(GPIOD, GPIO_PIN_9, (temp & 0x20) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET); // LED 5 (PD9)

temp_old = temp; // 更新记录的旧状态
}
}

/**
* @brief LED 显示处理函数 (主循环调用)
*/
void led_proc(void)
{
led_disp(ucLed); // 调用led_disp函数更新LED状态
}

学会用debug找代码问题，然后去找硬件问题，最后找软件问题

作业：led呼吸灯

简单来说就是和51单片机点亮灯一样，该变led在一个循环周期内的高电平占比，实现不同亮度等级。

新思路：将内部时间变化与led亮度变化绑定。频率：LED 开关（高低电平）的速度占空比：LED 开启时间占整个周期的比例

占空比越大，LED 看起来越亮；占空比越小，LED 看起来越暗。

首先引用相关头文件以及定义led灯
#include <math.h> // 同样需要数学库
#include <stdint.h> // 引入标准整数类型

extern uint8_t ucLed[6]; // 假设有6个LED
extern void led_disp(uint8_t *ucLed);
接着在led处理函数中定义局部变量，包括led周期，呼吸计时器，PWM计时器，PWM精度，LED亮度（static变量只会在程序第一次运行到这里时初始化一次。之后每次调用 led_proc，它们都会记住上次的值。）
static uint32_t breathCounter = 0;      // 呼吸效果的内部计时器，模拟时间流逝
static uint8_t pwmCounter = 0;          // 软件PWM的内部计数器，用于生成PWM波形
static uint8_t brightness = 0;          // 当前计算出的LED亮度值 (0-pwmMax)
static const uint16_t breathPeriod = 2000; // 定义一个完整的呼吸周期时长 (单位：毫秒或调用次数，取决于调用频率)
static const uint8_t pwmMax = 10;       // 软件PWM周期的最大计数值 (决定PWM精度和频率)
接着
breathCounter = (breathCounter + 1) % breathPeriod;//让计时器在0~2000内循环 

brightness = (uint8_t)((sinf((2.0f * 3.14159f * breathCounter) / breathPeriod) + 1.0f) * pwmMax / 2.0f);//使得亮度等级随光滑正弦曲线变化
其中sinf((2.0f * 3.14159f * breathCounter) / breathPeriod)将亮度变为正弦函数。范围为-1~1

+1.0f，取值范围为[0~2]（数字后面+f是因为带小数点的默认为double双精度数字，占资源较高，改为flout）。* pwmMax / 2.0f是将最终亮度值范围调到[0~10（pwmMax所处最大值）]

然后
pwmCounter = (pwmCounter + 1) % pwmMax;//用于在 pwmMax 的周期内比较亮度 

ucLed[0] = (pwmCounter < brightness) ? 1 : 0; // 控制第一个LED (ucLed[0])呼吸
例子帮助理解：

当brightness为 0 时，pwmCounter永远不小于 0，LED 始终灭

当brightness为 5 时，pwmCounter在 0-4 时 LED 亮，5-9 时 LED 灭，占空比 50%

当brightness为 10 时，pwmCounter始终小于 10，LED 始终亮

最后调用led_proc(ucled);

问题

调用频率的影响: 这个 led_proc 函数应该放在哪里调用？如果在主循环 `while(1)` 里直接调用，并且CPU很快，那么 breathCounter 和 pwmCounter 会增加得非常快。breathPeriod = 2000 可能代表2000次循环而不是2000毫秒。如何才能让它按毫秒计时？（提示：定时器中断、HAL_Delay()? 哪个更好？）

答：在while(1)里直接调用，然后去定时器或HAL_Delay()延时,更推荐定时器中断,不会占用太多资源，

1. 使用 HAL_Delay() 的优缺点

优点

简单易用：无需额外配置定时器，直接调用函数即可。

代码简洁：适合快速实现简单功能。

缺点

阻塞式延时：在延时期间，CPU 无法执行其他任务，可能导致系统响应变慢。

精度较低：HAL_Delay() 的精度受系统时钟和中断影响，难以实现高精度延时。

资源浪费：如果呼吸灯不是系统的核心功能，长时间占用 CPU 会影响其他任务。

适用场景

系统功能简单，没有其他紧急任务需要处理。

对呼吸灯效果的精度要求不高。

快速原型开发或测试阶段。

2. 使用定时器中断的优缺点

优点

非阻塞：定时器在后台运行，不影响主循环执行其他任务。

高精度：可以精确控制中断触发时间，实现更稳定的呼吸效果。

资源高效：CPU 可以在定时器中断间隔期间处理其他任务，提高系统利用率。

可扩展性：适合多任务系统，多个外设可以共享定时器资源。

缺点

配置复杂：需要额外配置定时器、中断向量表等，代码量增加。

调试难度高：中断处理函数可能与主程序产生竞争条件，需要考虑线程安全。

适用场景

系统需要同时处理多个任务（如传感器数据采集、通信等）。

对呼吸灯效果的稳定性和精度要求较高（如作为状态指示）。

需要低功耗设计（定时器中断可以配合睡眠模式使用）。

`pwmMax` 的影响: 如果把 pwmMax 改成100，亮度变化会更平滑吗？PWM频率会变吗？（提示：PWM频率 = led_proc 调用频率 / pwmMax）。如果PWM频率太低（比如低于50Hz），你会看到什么现象？（提示：闪烁感）

答：会，应为亮度等级在[0~pwmMax]中，如果pwmMax 改成100，就有101个等级层次更加明显。

PWM频率 = led_proc 调用频率 / pwmMax

当 PWM 频率低于人眼的视觉暂留阈值（约 50Hz）时，LED 会出现明显闪烁。这是因为：

人眼无法 "平滑" 整合过快的亮灭变化，而是能直接感知到 LED 的开关状态

低频率的亮灭交替会触发人眼的闪烁感知，尤其在亮度较低时更明显

所以要提高pwmMax时也要提高调用频率

`breathPeriod` 的影响: 把 breathPeriod 改成4000会怎么样？改成500呢？（提示：呼吸快慢）

答：灯由暗——亮——暗时间会变长

亮度曲线: 除了正弦函数，还能用什么函数来计算亮度？比如三角波？或者指数函数？效果会有什么不同？（提示：呼吸的“感觉“会不一样）

硬件PWM: STM32有专门的硬件定时器可以产生PWM波，而且精度高、不占用CPU。用硬件PWM实现呼吸灯会比软件模拟好在哪里？（提示：CPU占用、精度、功耗）

超高频调用 (us级别): 如果 led_proc 在微秒(us)级别被调用，breathPeriod 和 pwmMax 的值需要如何调整才能保持相同的呼吸速度和PWM频率？（提示：数值会变得非常大）。这样做有什么潜在好处或坏处？（提示：PWM频率可以很高，闪烁感完全消失；但CPU负担可能极大，uint32_t 可能不够用）。

多个LED呼吸流水灯

是多个呼吸灯+每个呼吸灯之间有相位的结果

定义和引用同上

其中，关键在于相位（描述周期性现象在一个周期内所处位置的角度）+增强效果（这里采用对亮度值开方+）

相位差：
static const float phaseShift = 3.14159f / 3.0f;//pi分为3部分，一个周期为2pi，六个灯，六个相位差

因为要实现六个灯的亮灭，故用for循环遍历六个led灯

 for(uint8_t i = 0; i < 6; i++) // 遍历所有6个LED
    {
        // 计算当前LED的相位角 (angle)

        // (2.0f * 3.14159f * breathCounter) / breathPeriod 是基础角度，随时间变化
        // - i * phaseShift 是为第 i 个LED引入的相位延迟
        float angle = (2.0f * 3.14159f * breathCounter) / breathPeriod - i * phaseShift;

        // 计算原始的正弦值 (-1.0 到 1.0)
        float sinValue = sinf(angle);

        // 增强对比度并调整曲线 (让亮灭更分明，全亮时间更短)
        // powf(x, 0.5f) 相当于 sqrt(x)（开方），对于正数，它会把小的数拉高，大的数相对压低一点 (但这里主要用在 >0 的部分)
        // 对于负数，我们取绝对值再开根号，然后加回负号，保持形状对称
        // 这使得亮度从暗到亮的过程变快，从亮到暗的过程也变快，中间亮的时间缩短
float enhancedValue = sinValue > 0 ? powf(sinValue, 0.5f) : -powf(-sinValue, 0.5f);

        // 进一步压缩亮度曲线，使得只有在接近峰值时才真正达到高亮度
        // 如果增强后的值大于0.7 (接近峰值)，则保持不变；否则，乘以0.6，让它更暗
        // 目的是让“光波“显得更窄，流动感更强
enhancedValue = enhancedValue > 0.7f ? enhancedValue : enhancedValue * 0.6f;
仅为增强效果

        // 将处理后的 enhancedValue (-1 到 1 之间) 映射到 0 到 pwmMax 的亮度值
        uint8_t brightness = (uint8_t)((enhancedValue + 1.0f) * pwmMax / 2.0f);

        // 根据计算出的该LED的亮度，使用PWM逻辑设置其状态
        ucLed[i] = (pwmCounter < brightness) ? 1 : 0;
    }

发散性思维与拓展

基于流水灯，我们可以思考更多玩法：

`phaseShift` 的影响: 如果把 phaseShift 改成 PI / 6.0f 会怎么样？改成 PI / 1.0f 呢？（提示：改变流水的"波长"或同时亮的LED数量）

变为在一个周期里有12个相位差/2个相位差，流水灯波长变长/短，同时亮的数量变少/多

`breathPeriod` 的影响: 改变 breathPeriod 会影响单个LED的呼吸快慢，还是整个流水的速度？（提示：两者都会影响）

曲线调整: 尝试修改 powf 的指数（比如改成2.0f，即平方）或者调整 enhancedValue > 0.7f 这个阈值，观察流水效果的变化。有没有办法让光波更窄或者更宽？

pof指数增大（中间亮的时间缩短），0.7f增大，光波变窄，流动感变强（反之亦然）

反向流水: 如何修改代码让流水方向反过来？（提示：修改相位计算中的 i 或 phaseShift 的符号？）

for(uint8_t i = 6; i > 0; i--)

OR

ucLed[i] = (pwmCounter > brightness) ? 1 : 0;

双向流水/其他模式: 能不能实现从中间向两边扩散的流水效果？或者其他更有创意的模式？（提示：可能需要更复杂的角度或亮度计算逻辑）

for循环分为两段

性能考量: 这个流水灯代码在 `for` 循环里做了很多浮点运算 (sinf, powf)。如果CPU性能不足，或者 led_proc 调用频率很高，可能会有效率问题。有什么优化方法吗？（提示：查找表（Look-up Table, LUT）预计算正弦值？定点数运算代替浮点运算？）

us级调用: 如果 led_proc 在us级被调用，浮点运算会成为瓶颈吗？breathPeriod = 4000 可能需要变成多少才能维持几秒的周期？（提示：4,000,000）。使用查找表或硬件PWM会是更好的选择吗？