圖1 將被賦予“智慧”的東東
二、需求分析
測距傳感器的核心功能是測量距離，但當(dāng)其用于不同場合時(shí)，會有許多不同的需求。
如果是傳統(tǒng)的傳感器概念，只需將“非電量轉(zhuǎn)換為便于測量的電量”即可，這是一個比較通俗也基本正確的定義，“便于測量的電量”通常為：直流小電流、小電壓以及方波等。
這類傳統(tǒng)傳感器給系統(tǒng)帶來了不少“麻煩”，因?yàn)槠漭敵龅乃^“便于測量的電量”只是物理上的，充其量達(dá)到“可測”而已，由于其輸出的不統(tǒng)一、不靈活，甚至有些“粗糙”，使得系統(tǒng)不得不付出一些開銷去彌補(bǔ)之。
就拿GP2D12來說，其輸出是直流電壓，可與距離的關(guān)系是非線性的，且是反比例，輸出還是非連續(xù)的，就這三個特征就足以讓系統(tǒng)耗費(fèi)不少周折才能得到想要的距離值。
還有很多類似的例子，如熱電偶溫度測量傳感器、光敏傳感器等，在此就不一一枚舉了。
從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度考慮，最好是傳感器將所測量的量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，系統(tǒng)不必再去理會這些“底層”的處理，專心于功能的實(shí)現(xiàn)。如同現(xiàn)在的PC操作系統(tǒng)，有統(tǒng)一的設(shè)備接口，系統(tǒng)級應(yīng)用是“與硬件無關(guān)”的，設(shè)備的差異由各設(shè)備廠家通過驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一。
以往由于技術(shù)和成本的限制，為了節(jié)省開支，將很多功能都交給了主控系統(tǒng)完成，形成所謂“樹形”架構(gòu)，只有“主干”是有智能的，其余都是“末梢神經(jīng)”，只具備最低級的信號采集能力，也就是傳統(tǒng)傳感器的角色。
隨著單片機(jī)的功能提升、價(jià)格下降，新的構(gòu)架方式逐漸顯現(xiàn)：一個系統(tǒng)中，每個部分都自成體系，主控只是負(fù)責(zé)策略、協(xié)調(diào)，各個獨(dú)立的功能模塊“自行其事”。這就是“分布式”系統(tǒng)。
分布式系統(tǒng)概念的普及，催生了智能傳感器的需求。
所謂“智能傳感器”，至少有以下特征：
1) 能夠?qū)⒈粶y量轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，而非簡單的模擬量；
2) 能夠根據(jù)要求獨(dú)立完成測量；
3) 能夠通過數(shù)字通訊接口接受命令、輸出數(shù)據(jù)。
具備此特征的傳感器已有很多，有些已制成IC，如常見的溫度傳感器 18B20。
智能傳感器除了降低了系統(tǒng)的軟硬件開銷外，附帶的一個好處就是便于傳送，傳統(tǒng)傳感器的輸出信號傳輸時(shí)的“干擾”和“衰減”是最令設(shè)計(jì)者頭痛的！
因此，智能傳感器是未來的方向。實(shí)際也是如此，讀者可搜索一下新興的MESM（微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器，不論是兩軸、三軸加速度，還是陀螺儀等，新產(chǎn)品幾乎都是I2C、SPI等數(shù)字總線接口。
所以，我們這個超聲波測距傳感器也是按智能傳感器理念設(shè)計(jì)的。
因本篇只是示范性軟件設(shè)計(jì)，沒有特定的應(yīng)用場合，所以只好就測量本身來定義需求：
在性能上，測量關(guān)注兩方面：一是得到數(shù)據(jù)的速度，二是數(shù)據(jù)的可靠度。
在功能上，測量有兩類：一是不斷的測量并輸出結(jié)果，二是觸發(fā)后開始測量。
所以至少應(yīng)滿足上述需求：
1) 可設(shè)置為快速測量模式，讓系統(tǒng)最快得到測量數(shù)據(jù)；
2) 可設(shè)置為精確測量模式，返回給系統(tǒng)比較可靠的數(shù)據(jù)；
3) 可以設(shè)置為連續(xù)測量模式，不斷提供給系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)；
4) 可以按照系統(tǒng)請求開始測量，返回即時(shí)數(shù)據(jù)。

三、功能設(shè)計(jì)
按上述需求，傳感器的功能設(shè)計(jì)如下：
傳感器上電處于待命狀態(tài)，等待系統(tǒng)命令做以下操作：
1) 可以支持連續(xù)測量，并存放最近8次數(shù)據(jù)，測量周期可以由系統(tǒng)設(shè)置。在此狀態(tài)下，系統(tǒng)根據(jù)需要讀取數(shù)據(jù)。
2) 可以支持連續(xù)測量，并且將每次的數(shù)據(jù)返回給系統(tǒng)，由系統(tǒng)進(jìn)行需要的后處理。
3) 可以接受系統(tǒng)命令，返回待命狀態(tài)。
4) 可以支持單輪測量，即系統(tǒng)發(fā)出命令通知傳感器，采集幾次數(shù)據(jù)，傳感器可做基本的數(shù)據(jù)處理，如取平均、剔除最大最小值，完成后返回這組數(shù)據(jù)后，恢復(fù)到待命狀態(tài)。

此外，為了便于調(diào)試，增加讀、寫單片機(jī)內(nèi)存的功能。

四、詳細(xì)設(shè)計(jì)
4.1 題外話
看懂別人軟件是件相當(dāng)困難的事，即使那些較正規(guī)的、有完善文檔的項(xiàng)目，也不是十分輕松，因?yàn)橛涗浵聛淼闹皇墙Y(jié)果，思維的過程無法再現(xiàn)，而讀者有時(shí)更多關(guān)注的是如何“想到的”，特別是初學(xué)者！
但描述軟件的構(gòu)思過程也并非易事！
前 期我寫過的“圓夢小車StepbyStep”系列文章中，嘗試通過一步步“搭建”的方式來引導(dǎo)讀者理解思考過程，并在程序中特別注釋了每一步所增加的內(nèi) 容，程序中排版順序都放棄了邏輯關(guān)系而“屈從”于“搭建”的順序，可似乎收效甚微?。坎聹y是沒有交代最基本的思路所致，因?yàn)榧词故敲恳徊蕉己芫唧w，讀者仍 會問：怎么來的？為何？
本文不是技術(shù)論文，其目的是幫助有意學(xué)習(xí)者實(shí)現(xiàn)自己的愿望，所以本篇嘗試簡述一下思考方式，看是否對學(xué)習(xí)者有幫助，但聲明一點(diǎn)：此乃個人觀點(diǎn)，并非“寶典”，不保證正確，僅供參考！

4.2 程序構(gòu)建思考過程
我開始涉足單片機(jī)編程時(shí)，由于只有匯編語言可用，且編譯環(huán)境較弱，變量名、標(biāo)號限制較多，所以那時(shí)很講究使用流程圖來表達(dá)程序的構(gòu)思，因?yàn)閺膮R編代碼上看懂程序?qū)嵲诶щy，畢竟那是為機(jī)器思維服務(wù)的邏輯順序，與人理解所需的表述相差甚遠(yuǎn)。
當(dāng) 我轉(zhuǎn)換到C語言編程時(shí)，開始還保持著畫流程圖的習(xí)慣，但逐漸覺得有些多余，因?yàn)镃語言的自注釋性（即語句和變量名的組合表達(dá)方式已接近人的理解需要）以及 編譯環(huán)境的提升，配合各類幾乎無限制的定義手段，使程序本身就可以方便的為人所理解。如今編輯器也在優(yōu)化，讀者可以嘗試一下 UltraEdit，其“折疊”、“展開”功能十分有助于理解程序的思路。所以漸漸的放棄了流程圖。但還維持著按實(shí)現(xiàn)過程來構(gòu)建程序的習(xí)慣。
自從我嘗試編寫PC環(huán)境下的VC程序后，逐漸構(gòu)思習(xí)慣有了很大變化，讀者如果沒有嘗試過，可以參照“圓夢小車StepbyStep之二”做一次，然后再用類似的方式構(gòu)建幾個自己想象的題目，一定會有所感受！

在VC中構(gòu)建一個程序，其過程大致如下：
1) 設(shè)計(jì)功能 —— 這是機(jī)器所不能代替的，靠你的創(chuàng)造力實(shí)現(xiàn)之，需要用文本記錄之；
2) 構(gòu)思界面 —— 這就是VC為你提供的方便了，根據(jù)功能和工具可以實(shí)現(xiàn)你所要的界面
3) 變量定義 —— 構(gòu)建界面時(shí)VC會自動生成變量，根據(jù)功能對這些變量進(jìn)行類型定義；
4) 編寫處理程序 —— 基于界面所產(chǎn)生的操作（按鈕等）編寫對上述變量進(jìn)行處理的程序，這是你的智慧展示的空間。

在PC上編程（默認(rèn)是Windows下），由于很多事情都由Windows操作系統(tǒng)幫助做了，所以在VC環(huán)境下編程確實(shí)比較輕松，只需關(guān)注和功能相關(guān)的事，無創(chuàng)意的瑣碎事務(wù)都由系統(tǒng)和VC處理了。
單片機(jī)中雖沒有這么“美”的事，但是這種構(gòu)建過程倒是改變了我，我現(xiàn)在基本也是按此思路去構(gòu)建一個程序，只不過一些VC幫助自動生成的過程由自己完成了。

首先，是確定所做的東西要完成哪些功能，這是基礎(chǔ)。在需求分析和概要設(shè)計(jì)階段基本搞定，在詳細(xì)設(shè)計(jì)的開始處將其具體化，用技術(shù)術(shù)語表達(dá)之。
之后根據(jù)這些功能定義相應(yīng)的變量。如需要記錄 8 次測量數(shù)據(jù)，就需要有一個 8元的數(shù)組，同時(shí)要有存放指針和取數(shù)指針（注意：此處所述“指針”，非C語言的指針，是指數(shù)組的下標(biāo)，只是個人表達(dá)習(xí)慣而已，下同），以便于對數(shù)組操作。
根 據(jù)硬件的性能和需求確定數(shù)組的類型，是用整型還是字節(jié)型等；因?yàn)槲叶x的測量范圍為5米，即使用cm為單位字節(jié)型也不夠，所以用整型。因?yàn)椴豢赡苡胸?fù)數(shù)， 所以用無符號整型。數(shù)值表達(dá)范圍大了，將單位提高到mm，雖然不一定需要，但不增加工作量，感覺卻好多了 : P 何樂而不為？
在定義變量的同 時(shí)，定義一些與變量處理相關(guān)的常量，一方面為了程序的可讀性，同時(shí)也是為了日后便于修改。如現(xiàn)在設(shè)計(jì)是保留最近8次數(shù)據(jù)，但日后也許需要更多或較少，將數(shù) 組的單元數(shù)聲明為符號常量 —— DATA_SAVE_NUM，定義為8，需要時(shí)只需修改此處定義即可，不用在程序中“遍地”去找，遺漏一個就形成一個bug！
在構(gòu)思服務(wù)于功能的 變量時(shí)順便考慮如何處理之，還是拿測量數(shù)據(jù)存放為例。既然需要存放最近N次的數(shù)據(jù)，可以這樣處理：存滿8個之后依次向前移，覆蓋序號最小的單元，騰出序號 最大的存放新數(shù)據(jù)。這樣處理效率太低，常用的方式是環(huán)形緩沖區(qū)的概念，即將數(shù)據(jù)存放區(qū)看成是個首尾相接的環(huán)，存放數(shù)據(jù)時(shí)指針不斷“加”，到尾時(shí)自動環(huán)到 首，不用任何數(shù)據(jù)搬家操作，而取數(shù)也是同樣，只是從存數(shù)指針向回“減”，到首時(shí)自動環(huán)到尾。
基于這個思路，自然2個指針變量的需求就產(chǎn)生了。這兩 個指針據(jù)需要能夠“加”到尾環(huán)頭，或“減”到頭環(huán)尾。如憑直覺，就用比較的方式判斷，每次運(yùn)算都作一次檢測，雖能完成，但似乎有些繁瑣?？紤]一下有無更好 的方式？如果還記得二進(jìn)制的基本運(yùn)算，就可以理解我為何在程序中設(shè)計(jì)環(huán)形數(shù)據(jù)存放區(qū)的時(shí)候均要求單元數(shù)是2的冪，即4、8、16……

按上述方式，可以依次定義出功能用的變量。之后就要結(jié)合運(yùn)行定義一些處理用的變量，這就是VC和操作系統(tǒng)可以幫你完成的那部分。

嵌入式系統(tǒng)（或俗稱“單片機(jī)系統(tǒng)”）有以下幾個概念：
1）死循環(huán)
嵌入式系統(tǒng)是連續(xù)不斷運(yùn)行的，所以必然有一個“死循環(huán)”，一般用以下程序?qū)崿F(xiàn)：
While（1）
{
……
}
2）標(biāo)志驅(qū)動
對于嵌入式系統(tǒng)，小的應(yīng)用一般沒有操作系統(tǒng)，內(nèi)存不夠，開銷也大，所以需要自己設(shè)置一些標(biāo)志，以實(shí)現(xiàn)類似于PC上的“消息驅(qū)動”。
在上述循環(huán)中，程序順序檢測各個標(biāo)志，根據(jù)標(biāo)志做相應(yīng)的處理。標(biāo)志的建立一般由中斷完成，或者是中斷處理后產(chǎn)生。
3）時(shí)基
多數(shù)程序都有按時(shí)間處理的需求，如延時(shí)、定時(shí)查詢、周期測量等等，所以一定有一個時(shí)基，由定時(shí)器中斷產(chǎn)生，建立標(biāo)志。在PC中也有類似的機(jī)制，DOS時(shí)代的PC我知道系統(tǒng)有一個18.2ms的時(shí)鐘信號，現(xiàn)在的PC不太清楚了 : (
我設(shè)計(jì)系統(tǒng)通常使用1ms時(shí)基，因?yàn)槎鄶?shù)處理不會小于這個間隔。由此，要設(shè)計(jì)一個1ms中斷標(biāo)志。所有與時(shí)間相關(guān)的處理都安排在1ms中斷標(biāo)志建立后的處理中。
4）狀態(tài)
一個功能的實(shí)現(xiàn)，往往不能“一蹴而就”。
就拿超聲波測距來說：首先得發(fā)出超聲波，之后等待回波，等待過程中要根據(jù)時(shí)間控制增益，逐漸增大，以彌補(bǔ)聲波隨距離增加的衰減。收到后再計(jì)算，至此才能得到一個測量結(jié)果。
按照聲波速度，2m距離約需要12ms（來回4m）。如果程序設(shè)計(jì)成順序依次處理模式，直到完成后再處理其它的任務(wù)，則大概通訊成功率只有一半了，因?yàn)镸CU的處理給測距過程獨(dú)占了。
也許有人說：可以用中斷來處理。
在 此，順便說一下：在成熟的程序中，中斷處理中盡量少安排操作。因?yàn)橐皇菚捎谥袛鄡?nèi)、外同時(shí)處理相同變量產(chǎn)生錯誤，除非你設(shè)計(jì)了嚴(yán)格的“閉鎖”機(jī)制；二是 降低了其它中斷的響應(yīng)速度，也許會導(dǎo)致程序性能下降；如需要精確捕捉脈沖，則會由于延時(shí)響應(yīng)而降低精度。優(yōu)先級機(jī)制雖可彌補(bǔ)，但那更容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤，而 且需要更多的堆?？臻g。
為了避免上述問題，通常使用狀態(tài)來標(biāo)注一個功能做到了哪一步？設(shè)置一個狀態(tài)變量，記錄功能實(shí)現(xiàn)的進(jìn)程，每次輪回時(shí)根據(jù)狀態(tài)做相應(yīng)的事，把能做的做完后立刻退出，把MCU的處理能力交給別的任務(wù)。
這就是“分時(shí)”處理的概念，只不過分時(shí)是由自己寫的程序所調(diào)度，而非“操作系統(tǒng)”，隨著所做的項(xiàng)目復(fù)雜度加大，你會感到“操作系統(tǒng)”的重要！
而利用狀態(tài)控制大概就是所謂的“有限狀態(tài)機(jī)”，這在嵌入式系統(tǒng)中是常見的。
具體實(shí)施時(shí)，采用螺旋式步驟完成程序。
先構(gòu)建一個最基本的程序框架：（這一步在VC中，建立MFC工程時(shí)就自動完成了，可在單片機(jī)上，得自己為之 ? )