嵌入式设计中对于只有两种状态的变量存储设计，如何高效的对循迹小车进行偏差量化

前言

（1）在嵌入式程序设计中，我们常常会要对各类传感器进行数据存储。大多时候的传感器，例如红外光传感器，返回的数据要么是0，要么是1。因此，只需要一bit就能够存储。而很多人却常常使用char型数组存储，这样真正申请到的内存只使用了八分之一。对于MCU这种空间宝贵的微型控制器而言，这是对内存的极大浪费。
（2）因此，我在此介绍一个初学C语言时候讲解的技术——位域，提高空间的利用率。
（3）在入门嵌入式开发的时候，大多数人都是做一个循迹小车，而进行循迹，就需要对光电传感器进行偏差量化。根据偏差量化的值进行输出相应的PWM。（如果是开环控制）进行偏差量化，使用联合体，无疑是最高效的方式。

优化两种状态变量存储

存储

（1）例如，我这个小项目，需要使用上一个12路循迹模块，一个红外遥控器，一个触摸模块（有一种触摸模块你手摸上去，就会返回指定电平）。
（2）为了高效存储这些只有两个状态的变量。我们可以按照下面方式进行存储。

/*--- 存储结构设计 ---*/
typedef struct
{uint8_t track_bit1	:1;uint8_t track_bit2	:1;uint8_t track_bit3	:1;uint8_t track_bit4	:1;uint8_t track_bit5	:1;uint8_t track_bit6	:1;uint8_t track_bit7	:1;uint8_t track_bit8	:1;uint8_t track_bit9	:1;uint8_t track_bit10	:1;uint8_t track_bit11	:1;uint8_t track_bit12	:1; //上面都是灰度传感器控制位uint8_t IRDS_bit13	:1; //红外遥控器控制位uint8_t Touch_bit14	:1; //触摸模块uint8_t bit15	:1;     //下面2bit保留uint8_t bit16	:1;
}Bit_field;

访问

（1）现在我们知道如何存储这个如何访问呢？这个其实是C语言位域基础知识，但是为了防止有一些大学这部分不教，所以我还是讲一下。

Bit_field two_status_sensor;
two_status_sensor.track_bit1 = readpin(1); //使用你当前的MCU读取引脚电平函数
two_status_sensor.track_bit2 = readpin(2); //使用你当前的MCU读取引脚电平函数
two_status_sensor.IRDS_bit13 = readpin(13); //使用你当前的MCU读取引脚电平函数
if(two_status_sensor.IRDS_bit13 == 1) //假设遥控器被按下，引脚为高电平
{//...
}

利用共用体进行偏差量化

利用Excel可视化偏差量化

（1）现在我们使用位域对这种2值变量有了一个很好的存储了。但是我们都知道，想循迹模块需要对数据进行处理。而如何进行偏差量化又是一个问题。在此，我推荐使用excl表格，这样能够非常直观的对数据处理。
（2）我们有几路循迹，就需要写几格，一个16进制数据之后方便编程，最后是我们偏差量化值，2进制那一格是为了方便转换成16进制而写。
（3）美化表格

>

（4）将表格填充

在这里插入图片描述

（5）然后自己填写自己设定的偏差量化值，并且将传感器有反应的地方用蓝色填充，这样有利于阅读。

在这里插入图片描述

将偏差量化编程出来

大部分人写的垃圾代码

（1）用Excel将传感器的数值偏差量化出来了，但是如何编程了？想必很多同学使用下面这种非常低效方法进行偏差量化。

char deviation;  //存储偏差量化值
if(two_status_sensor.track_bit1 == 1) deviation = -11;
if(two_status_sensor.track_bit1 == 1 && two_status_sensor.track_bit2) deviation = -10;
if(two_status_sensor.track_bit1 == 1) deviation = -9;
//...

（2）这种方法，编写起来非常麻烦，而且不方便阅读，可以说，写的相当的垃圾！

利用联合体管控标志位

（1）为了提高代码的观赏性，同时方便我们进行调试。我认为我们可以使用联合体的方法优化代码。这样之后，我们能够发现，对于偏差量化的值就能够进行非常好的管控。

/*--- 利用共用体优化偏差量化 ---*/
typedef union    //利用共用体优化偏差量化
{Bit_field sensor_value;uint16_t state;
}_two_status_sensor; /*--- 访问变量 ---*/
char deviation;  //存储偏差量化值的当前值
_two_status_sensor two_status_sensor;   //定义用于记录传感器的值
two_status_sensor.sensor_value.track_bit1 = readpin(1); //使用你当前的MCU读取引脚电平函数
//...  省略读取传感器的值过程switch(two_status_sensor.state & 0x0FFF)//偏差量化，因为是12路循迹，所以只要低12位
{case 0x0001:deviation=-11;break; //000000000001bcase 0x0003:deviation=-10;break; //000000000011b//... 省略其他偏差量化过程default://其它特殊情况单独判断{//...}
}

利用带参宏进行标志位判断

（1）但是这个还能不能再次进行优化呢？肯定可以，我们知道，这个2值联合体中，有一些是用于循迹，有些是用于遥控器，有些是用于触摸芯片的。为了提高代码的可阅读性。我们是不是可以用几个带参宏来进行定义呢？

/*--- 利用带参宏进行标志位判断 ---*/
#define track_state(x)  x & 0x0FFF
#define IRDS_state(x)   x & 0x1000
#define Touch_state(x)  x & 0x2000

利用?:和条件编译对提高代码对硬件的适配程度

（1）我们有没有发现一个问题，上面循迹代码，检测到黑线是1。那么肯定有人会说了，假如我硬件上检测到黑线是低电平怎么办呢？
（2）为了提高代码对硬件的适配能力，于是我认为可以使用条件编译。
（3）因为，不同的MCU读取电平返回的不一定是0和1，有可能读取到低电平是0，读取到高电平是一个其他的非0值，例如5。所以为了防止1bit存储不下导致溢出问题。我们可以使用?:来处理。

/*--- 提高代码对硬件的适配能力 ---*/
#define track_active_level  1 //高电平有效写1，低电平有效写0
#if     track_active_level
two_status_sensor.sensor_value.track_bit1 = readpin(1)!=0?0x01:0x00;
//... 其他11个同理
#else 
two_status_sensor.sensor_value.track_bit1 = readpin(1)==0?0x01:0x00;
//... 其他11个同理
#endif

进行错误判断，保护硬件，提高硬件的容错率

（1）看到上面的代码，肯定有骚年觉得已经很好了。但是，我们想想，如果循迹最终的结果返回的数据不是预期数据怎么办？例如小车跑出去了。
（2）为了防止这种异常情况，保护硬件，我们可以加一个标志位worse存储错误次数。如果次数超标就强制停车。
（3）因为小车循迹可能只是刚好偏离路线一点点，或者是硬件突然有点小问题，所以我们还可以建立一个标志位deviation_backup存储偏差量化值的以往值。让小车保持上一次的状态运行提高硬件容错率。

/*--- 提高代码对硬件的适配能力 ---*/
#define track_active_level  1 //高电平有效写1，低电平有效写0
#if     track_active_level
two_status_sensor.sensor_value.track_bit1 = readpin(1)!=0?0x01:0x00;
//... 其他11个同理
#else 
two_status_sensor.sensor_value.track_bit1 = readpin(1)==0?0x01:0x00;
//... 其他11个同理
#endif
/*--- 利用带参宏进行标志位判断 ---*/
#define track_state(x)  x & 0x0FFF
#define IRDS_state(x)   x & 0x1000
#define Touch_state(x)  x & 0x2000
/*--- 利用共用体优化偏差量化 ---*/
typedef union    //利用共用体优化偏差量化
{Bit_field sensor_value;uint16_t state;
}_two_status_sensor; /*--- 访问变量 ---*/
char deviation;  //存储偏差量化值的当前值
char deviation_backup,worse;//存储偏差量化值的以往值，循迹错误次数
_two_status_sensor two_status_sensor;   //定义用于记录传感器的值
two_status_sensor.sensor_value.track_bit1 = readpin(1); //使用你当前的MCU读取引脚电平函数
//...  省略读取传感器的值过程switch(track_state(two_status_sensor.state))//偏差量化，因为是12路循迹，所以只要低12位
{case 0x0001:deviation=-11;worse/2;break; //000000000001bcase 0x0003:deviation=-10;worse/=2;break; //000000000011b//... 省略其他偏差量化过程default://其它特殊情况单独判断{deviation=deviation_backup;//如果是异常情况，就保持上一个状态worse++;}
}
if(worse == 10) //如果多次循迹错误，说明出现问题了，为了保护硬件，强制停车
{//停车
}

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