作为一个电子工程师，在大众的眼里，你们似乎拥有麒麟臂，上能九天揽月，下可五洋捉鳖，抄板、焊板、画板、仿真、编程、调试、创意什么的通通不在话下。

今天，小编要给各位大佬介绍几款非常实用的单片机小工具，涉及调试、计算、设计、自动代码生成等。

引言

我在学习STM32芯片的GPIO模块时对一些细节感到困惑，Demystifying Microcontroller GPIO Settings这篇文章几乎解答了我所有的疑问。因此将它翻译出来，希望对大家有帮助。

写单片机软件的人都会配置和管理通用输入输出口（GPIO）的引脚。表面上看，GPIO配置非常简单：引脚是输入或输出，是高电平或低电平。但是，你不可避免地会碰到配置选项很多的芯片，或者电子工程师会问一些你不懂的引脚配置（比如将某条线设置成高阻态）。本文会帮助你理解现代单片机上不同的引脚配置。

背景知识

在学习引脚配置之前，先要弄懂一些和GPIO、IO信号有关的描述和名词。

大多数现代GPIO线路都实现成一个三态缓冲器（tri-state buffer）。这表明这些GPIO线路可以有三个状态：

1. 逻辑低电平（和GND相连）
2. 逻辑高电平（和VCC相连）
3. 高阻抗，也称为“悬空”（floating）、高阻（Hi-Z）和三态（tri-stated）

如果某条线路是高阻抗（High-impedance）状态，那么它实际上就从电路中移除了。这使得多个电路或设备能够共用输出线路，就可以实现通信总线（communication buses）。在需要高阻抗的场合但没能使用高阻态会导致I/O争用（I/O contention）和短路（short-circuit）。

如果信号的状态不确定，则称为悬空（Floating），表示它没有连接到VCC或GND。该信号的电压会“悬空”，和残余电压匹配。“悬空”这个名词还可以用来描述引脚是高阻抗状态。

上拉（Pull-Up）是指将信号通过电阻连接到VCC，上拉电阻用于将悬空的信号设置成一个默认状态。当输入引脚处于高阻抗模式且没有外部源驱动它时，引脚就处于悬空状态，电压值是残余电压。引脚没有主动的驱动时，上拉电阻强行将信号电压变成VCC，避免引脚悬空。当其他的源将信号拉低（连接到GND），就忽略上拉电阻，输入引脚会读到低电平。很多单片机提供内置的上拉配置选项。有时候，需要在芯片外部上拉一个特定阻值的电阻，而非使用内部的上拉电阻。

下拉（Pull-Down）是将信号通过一个电阻连接到GND。下拉电阻用于将悬空的信号设置到某个默认状态。如果其他的源将信号拉高（连接到VCC），就忽略下拉电阻，输入引脚会读到高电平。很多单片机提供内置的下拉配置选项。有时候，需要在芯片外部下拉一个特定阻值的电阻，而非使用内部的下拉电阻。

电流阱（Current Sink）表示电流流入引脚、结点或信号中。对于数字I/O口，电流阱为负载提供了GND连接端。电流源（Current Source）和电流阱相反，表示电流流出引脚、结点或信号中。对于数字I/O口，电流阱为负载提供了电压源。电流阱和电流源都有电流流动，但方向相反。

输入输出模式

GPIO输入模式

如果配置GPIO为输入，就可以读取电子信号的状态。配置GPIO为输入，引脚就是高阻抗状态。总体来说，GPIO输入主要配置成下面三种方式：

1. 高阻抗（默认，没有驱动则是悬空状态）
2. 上拉（内部连接到VCC的电阻）
3. 下拉（内部连接到GND的电阻）

大多数GPIO输入引脚内部有可以防止引脚状态虚假变化的迟滞模块。迟滞模块是内置特性，而不是配置选项。

GPIO输出模式
如果GPIO配置成输出，可以驱动一个信号为高电平或低电平。GPIO输出主要有两个选项：推拉（push-pull）和开漏（open-drain）。

推拉输出

推拉（也有翻译成“推挽”）输出是大多数场景下GPIO输出的默认配置。推拉输出的GPIO既能灌电流（source）也能拉（sink）电流。推拉输出的GPIO中，有一个连接到VCC或GND的三极管来驱动信号为高电平或低电平。当输出是低电平，信号就被主动地拉（pull）到GND，如果输出是高电平，信号就被主动地推（push）到VCC。

开漏输出

和推拉模式不同的是，开漏输出只能拉电流。输出有两种状态：低电平和高阻抗。想在线路上输出一个高电平，需用上拉电阻将开漏输出连接到想要的输出电平。你可以将开漏输出GPIO想象成一个接地或断开的开关。

开漏GPIO可以典型地配置成两种模式：开漏或内部上拉的开漏。大多数使用开漏电路的应用在开漏输出上使用外部上拉电阻。一般来说，内部上拉电阻的阻值对目标电路是不够的。

当多个门或引脚连接到一起时，开漏输出会很有用，比如I2C总线。当设备没有在用总线时，开漏输出处于高阻抗模式，电压被上拉电阻拉高。当设备将输出拉低时，所有连接到一起的线路都是低电平。

开漏输出的另一个用途是在单片机上用多个外部设备驱动一个主动拉低的中断引脚。

集电极开路（Open-Collector）
集电极开路和漏极开路的功能一样。集电极开路指的是从BJT输出拉电流，漏极开路指的是从FET输出拉电流。我在元器件数据手册上比在单片机数据手册上碰到集电极开路更多一些。

GPIO速度

GPIO速度控制转换速度（slew rate），也就是信号在高低电平直接转换的速度（上升速度和下降速度）。速度控制选项描述为“速度”、“转换速度”、“频率”和“高频模式”。提高GPIO速度可以提高输出电压（减小上升时间）改变的速度。但是，功耗和发射到电路中的噪声也会随着GPIO速度升高。一般来讲，没有特殊原因的话，应该降低GPIO速度。

在单片机开发过程中，我们总被代码的执行效率、单片机器件的性能、成本困扰着，以至于用很长时间思考这类问题，这是难以避免的，毕竟开发过程中的性价比、执行效率等因素都是十分重要的考量因素。为了让大家更高效率的开发，小编总结了几个技巧，帮助大家进阶，在优秀的开发者路上越走越远！

如何提高C的代码效率？

用C语言进行单片机程序设计是单片机开发与应用的必然趋势。如果使用C编程时，要达到最高的效率，最好熟悉所使用的C编译器。 先试验一下每条C语言编译以后对应的汇编语言的语句行数，这样就可以很明确的知道效率。在今后编程的时候，使用编译效率最高的语句。

各种C编译器都会有一定的差异，故编译效率也会有所不同，优秀的嵌入式系统C编译器代码长度和执行时间仅比以汇编语言编写的同样功能程度长 5-20％。

虽然C语言是最普遍的一种高级语言，但由于不同的MCU厂家其C语言编译系统是有所差别的，特别是在一些特殊功能模块的操作上。所以如果对这些特性不了解，那么调试起来问题就会很多，反而导致执行效率低于汇编语言。

如何解决单片机的抗干扰性问题？

防止干扰最有效的方法是去除干扰源、隔断干扰路径，但往往很难做到，所以只能看单片机抗干扰能力够不够强了。单片机干扰最常见的现象就是 复位；至于程序跑飞，其实也可以用软件陷阱和看门狗将程序拉回到复位状态；所以单片机软件抗干扰最重要的是处理好复位状态。

一般单片机都会有一些标志寄存 器，可以用来判断复位原因；另外你也可以自己在RAM中埋一些标志。在每次程序复位时，通过判断这些标志，可以判断出不同的复位原因；还可以根据不同的标 志直接跳到相应的程序。这样可以使程序运行有连续性，用户在使用时也不会察觉到程序被重新复位过。

如何测试单片机系统的可靠性？

对于不同的单片机系统产品会有不同的测试项目和方法，但是有一些是必须测试的：

测试单片机软件功能的完善性。这是针对所有单片机系统功能的测试，测试软件是否写的正确完整。

上电、掉电测试。在使用中用户必然会遇到上电和掉电的情况，可以进行多次开关电源，测试单片机系统的可靠性。

老化测试。测试长时间工作情况下，单片机系统的可靠性。必要的话可以放置在高温，高压以及强电磁干扰的环境下测试。

ESD和EFT等测试。可以使用各种干扰模拟器来测试单片机系统的可靠性。例如使用静电模拟器测试单片机系统的抗静电ESD能力；使用突波杂讯模拟器进行快速脉冲抗干扰EFT测试等等。

来源：网络，转载此文目的在于传递更多信息，版权归原作者所有。

单片机主要作用是控制外围的器件，并实现一定的通信和数据处理。但在某些特定场合，不可避免地要用到数学运算，尽管单片机并不擅长实现算法和进行复杂的运算。下面主要是介绍如何用单片机实现数字滤波。

在单片机进行数据采集时，会遇到数据的随机误差，随机误差是由随机干扰引起的，其特点是在相同条件下测量同一量时，其大小和符号会现无规则的变化而无法预测，但多次测量的结果符合统计规律。为克服随机干扰引起的误差，硬件上可采用滤波技术，软件上可采用软件算法实现数字滤波。滤波算法往往是系统测控算法的一个重要组成部分，实时性很强。

采用数字滤波算法克服随机干扰的误差具有以下优点：

1、数字滤波无需其他的硬件成本，只用一个计算过程，可靠性高，不存在阻抗匹配问题。尤其是数字滤波可以对频率很低的信号进行滤波，这是模拟滤波器做不到的。

2、数字滤波使用软件算法实现，多输入通道可共用一个滤波程序，降低系统开支。

3、只要适当改变滤波器的滤波程序或运算，就能方便地改变其滤波特性，这对于滤除低频干扰和随机信号会有较大的效果。

4、在单片机系统中常用的滤波算法有限幅滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、加权平均滤波法、滑动平均滤波等。

(1)限幅滤波算法

该运算的过程中将两次相邻的采样相减，求出其增量，然后将增量的绝对值，与两次采样允许的最大差值A进行比较。A的大小由被测对象的具体情况而定，如果小于或等于允许的最大差值，则本次采样有效;否则取上次采样值作为本次数据的样本。

算法的程序代码如下：

#defineA //允许的最大差值
chardata; //上一次的数据
char filter()
{
chardatanew; //新数据变量
datanew=get_data(); //获得新数据变量
if((datanew-data)>A||(data-datanew>A))
return data;
else
returndatanew;
}

说明：限幅滤波法主要用于处理变化较为缓慢的数据，如温度、物体的位置等。使用时，关键要选取合适的门限制A。通常这可由经验数据获得，必要时可通过实验得到。

(2)中值滤波算法

该运算的过程是对某一参数连续采样N次(N一般为奇数)，然后把N次采样的值按从小到大排列，再取中间值作为本次采样值，整个过程实际上是一个序列排序的过程。

算法的程序代码如下：

#define N11 //定义获得的数据个数
char filter()
{
charvalue_buff[N]; //定义存储数据的数组
char count,i,j,temp;
for(count=0;count
{
value_buf[count]=get_data();
delay(); //如果采集数据比较慢，那么就需要延时或中断
}
for(j=0;j
{
for(value_buff[i]>value_buff[i+1]
{
temp=value_buff[i];
value_buff[i]=value_buff[i+1];
value_buff[i+1]=temp;
}
}
returnvalue_buff[(N-1)/2];
}

说明：中值滤波比较适用于去掉由偶然因素引起的波动和采样器不稳定而引起的脉动干扰。若被测量值变化比较慢，采用中值滤波法效果会比较好，但如果数据变化比较快，则不宜采用此方法。

(3)算术平均滤波算法

该算法的基本原理很简单，就是连续取N次采样值后进行算术平均。

算法的程序代码如下：

char filter()
{
int sum=0;
for(count=0;count
{
sum+=get_data();
delay():
}
return (char)(sum/N);
}

说明：算术平均滤波算法适用于对具有随机干扰的信号进行滤波。这种信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值附近上下波动。信号的平均平滑程度完全到决于N值。当N较大时，平滑度高，灵敏度低;当N较小时，平滑度低，但灵敏度高。为了方便求平均值，N一般取4、8、16、32之类的2的整数幂，以便在程序中用移位操作来代替除法。

(4)加权平均滤波算法

由于前面所说的“算术平均滤波算法”存在平滑度和灵敏度之间的矛盾。为了协调平滑度和灵敏度之间的关系，可采用加权平均滤波。它的原理是对连续N次采样值分别乘上不同的加权系数之后再求累加，加权系数一般先小后大，以突出后面若干采样的效果，加强系统对参数变化趋势的认识。各个加权系数均小于1的小数，且满足总和等于1的结束条件。这样加权运算之后的累加和即为有效采样值。设D为N个采样值的加权平均值：XN-i为第N-i次采样值;N为采样次数;Ci为加权系数。加权系数Ci体现了各种采样值在平均值中所占的比例。一般来说采样次数越靠后，取的比例越大，这样可增加新采样在平均值中所占的比重。加权平均值滤波法可突出一部分信号抵制另一部分信号，以提高采样值变化的灵敏度。

样例程序代码如下：

char codejq[N]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}; //code数组为加权系数表，存在程序存储区
char codesum_jq=1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+11+12;
char filter()
{
char count;
char value_buff[N];
int sum=0;
for(count=0;count
{
value_buff[count]=get_data();
delay();
}
for(count=0;count
sum+=value_buff[count]*jq[count];
return(char)(sum/sum_jq);
}

(5)滑动平均滤波算法

以上介绍和各种平均滤波算法有一个共同点，即每获取一个有效采样值必须连续进行若干次采样，当采速度慢时，系统的实时得不到保证。这里介绍的滑动平均滤波算法只采样一次，将一次采样值和过去的若干次采样值一起求平均，得到的有效采样值即可投入使用。如果取N个采样值求平均，存储区中必须开辟N个数据的暂存区。每新采集一个数据便存入暂存区中，同时去掉一个最老数据，保存这N个数据始终是最新更新的数据。采用环型队列结构可以方便地实现这种数据存放方式。

程序代码如下：

char value_buff[N];
char i=0;
char filter()
{
char count;
int sum=0;
value_buff[i++]=get_data();
if(i==N)
i=0;
for(count=0;count
sum=value_buff[count];
return (char)(sum/N);
}

(6)低通滤波

将普通硬件RC低通滤波器的微分方程用差分方程来表求，变可以采用软件算法来模拟硬件滤波的功能，经推导，低通滤波算法如下：

Yn=a* Xn+(1-a) *Yn-1

式中 Xn——本次采样值

Yn-1——上次的滤波输出值;

，a——滤波系数，其值通常远小于1;

Yn——本次滤波的输出值。

由上式可以看出，本次滤波的输出值主要取决于上次滤波的输出值(注意不是上次的采样值，这和加权平均滤波是有本质区别的)，本次采样值对滤波输出的贡献是比较小的，但多少有些修正作用，这种算法便模拟了具体有教大惯性的低通滤波器功能。滤波算法的截止频率可用以下式计算：

fL=a/2Pit pi为圆周率3.14…

式中 a——滤波系数;

， t——采样间隔时间;

例如：当t=0.5s(即每秒2次)，a=1/32时;

fL=(1/32)/(2*3.14*0.5)=0.01Hz

当目标参数为变化很慢的物理量时，这是很有效的。另外一方面，它不能滤除高于1/2采样频率的干搅信号，本例中采样频率为2Hz，故对1Hz以上的干搅信号应采用其他方式滤除，低通滤波算法程序于加权平均滤波相似，但加权系数只有两个：a和1-a。为计算方便，a取一整数，1-a用256-a，来代替，计算结果舍去最低字节即可，因为只有两项，a和1-a，均以立即数的形式编入程序中，不另外设表格。虽然采样值为单元字节(8位A/D)。为保证运算精度，滤波输出值用双字节表示，其中一个字节整数，一字节小数，否则有可能因为每次舍去尾数而使输出不会变化。

设Yn-1存放在30H(整数)和31H(小数)两单元中，Yn存放在32H(整数)和33H(小数)中。

小结一下吧：数字滤波器，说白了，就是多次采样求平均值的一个过程，精确一点的，就是再顺序排列，去掉首位再求平均值，就是求平均数！！

I/O口是单片机与外界联系的通道。它可对各类外部信号(开关量、模拟量、频率信一号)进行检测、判断、处理，并可控制各类外部设备。单片机通过I/O口感知外界的存在，而外界也通过I/O口感知单片机的存在。

现在的单片机I/O口已经集成了更多的特性和功能。因此，在学习某一款单片机时，需要先了解其I/O口具有哪些特性和特殊的应用功能(不同的单片机是有所差别的)，并因地制宜设计外围电路、编写控制软件，充分发挥该I/O口的优势。

1. 输入/输出概念

大多数I/O口都是双向三态的。根据具体应用情况，可以分为输入口和输出口。输人口用来读取外部输人的电平信号，输出口则用于对外输出一个电平信号。

有些单片机(如PIC)允许设置I/O口的输入/输出状态。这样做的好处是可以让I/O口适应更多的应用环境：当I/O口处于输入状态时，对外表现为“高阻态”;而当I/O口处于输出状态时，对外可以提供更大的灌电流或拉电流，这样可以直接驱动一些如LED之类的负载。无需再外扩驱动电路了。

2. 输入门槛电平

对于51系列单片机来说，输入电平低于0.7V就是低电平，高于1. 8 V就是高电平。如果输入的电平介于二者之间，那么CPU在读取该I/O口时可能会得到一个不确定的错误数据。一般来说，我们不希望输入口上出现这种模棱两可的电平状态（除非那个口是ADC检测口)。

3. 最大输出电流

这个特性是针对输出来讲的。最大输出电流包括两种:灌电流和拉电流。灌电流是指当I/O口输出“0”(低电平)时允许灌人(流入)该I/O口的电流；拉电流则是指当I/O口输出“1"(高电平)时允许流出的电流。

4. 输出电平

这个特性是也针对输出来讲的，包括两种：“0”(低电平电压)和“1"(高电平电压)。理想状态上来说，输出高电平应该等于单片机的工作电压Vcc。但是实际由于内阻的关系，输出高电平会略低于Vcc。尤其是当拉电流较大时，高电平会被进一步拉低。同样的道理，输出低电平也往往不是正好等于0V，而是有可能比0V高出一点。

5. I/O口附加功能

许多单片机都为I/O口集成了许多新的功能控制，包括内部上拉/下拉电阻功能、R-op-TION功能以及漏极（或集电极）开路功能。如果能够合理地使用这些功能，就可以简化外围工作电路。

6. I/O口功能的拓展与复用

包括中断、唤醒、ADC检测以及PWM输出等。