【经验分享】STM32H7的GPIO应用之跑马灯

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STMCU小助手发布时间：2021-12-22 13:30

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文章简介:	虽然是跑马灯的初级例程，但有必要掌握程序的基本设计框架，后面的例子都是建立在这个框架的基础上。

18.1 初学者重要提示
  虽然是跑马灯的初级例程，但有必要掌握程序的基本设计框架，后面的例子都是建立在这个框架的基础上。
  LED不是用CPU的IO直接驱动，而是由74HC574驱动的，74HC574是一个8路并口缓冲器，挂在FMC总线上，实现IO扩展。也许初学者会问为什么要做IO扩展，不是已经用了240脚的STM32H743XIH6吗？因为开发板使用了32位SDRAM和RGB888硬件接口，消耗IO巨大，所以必须得扩展了。
  对于初学者来说，仅需掌握LED驱动的实现方法和对应的API调用即可，需要深入的理解IO扩展部分，会在后面的第48章节进行详细讲解。
  FMC总线扩展32路高速IO理解成GPIO的ODR寄存器就很简单了，其实就是一个东西。
FMC扩展IO是对地址0x60001000的32bit数据空间的0和1的操作。GPIOA的ODR寄存器是对地址 0x40000000 + 0x18020000 + 0x14 空间的操作。但只能操作16个引脚。
使用总线的优势就在这里了，相当于在GPIOA到GPIOK的基础上，又扩展出GPIOL和GPIOM。

#define PERIPH_BASE ((uint32_t)0x40000000)
#define D3_AHB1PERIPH_BASE (PERIPH_BASE + 0x18020000)
#define GPIOA_BASE (D3_AHB1PERIPH_BASE + 0x0000)
#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
typedef struct
{
__IO uint32_t MODER; /*!< GPIO port mode register, Address offset: 0x00 */
__IO uint32_t OTYPER; /*!< GPIO port output type register, Address offset: 0x04 */
__IO uint32_t OSPEEDR; /*!< GPIO port output speed register, Address offset: 0x08 */
__IO uint32_t PUPDR; /*!< GPIO port pull-up/pull-down register, Address offset: 0x0C */
__IO uint32_t IDR; /*!< GPIO port input data register, Address offset: 0x10 */
__IO uint32_t ODR; /*!< GPIO port output data register, Address offset: 0x14 */
__IO uint16_t BSRRL; /*!< GPIO port bit set/reset low register, Address offset: 0x18 */
__IO uint16_t BSRRH; /*!< GPIO port bit set/reset high register, Address offset: 0x1A */
__IO uint32_t LCKR; /*!< GPIO port configuration lock register, Address offset: 0x1C */
__IO uint32_t AFR[2]; /*!< GPIO alternate function registers, Address offset: 0x20-0x24 */
} GPIO_TypeDef;

复制代码

18.2 跑马灯硬件设计
跑马灯的硬件设计如下：

aHR0cHM6Ly9pbWcyMDE4LmNuYmxvZ3MuY29tL2Jsb2cvMTM3OTEwNy8yMDE5MDUvMTM3OTEwNy0yMDE5.png

通过这个硬件设计，有如下四点需要学习：

18.2.1 灌电流驱动方式
关于拉电流、灌电流和相关的电气特性，在第15章的15.4小节做了专门的讲解。对于STM32H7来说，使用拉电流和灌电流驱动LED都是可以的，因为拉电流和灌电流时，STM32H7总的拉电流和灌电流都是不可超过140mA，单个引脚最大不可超过20mA。

开发板这里是采用的灌电流方式。

18.2.2 LED的压降和驱动电流
这种采用的是灌电流方式，而流经LED的电流大小是多少呢？这里需要先补充一个基础的知识点。

直插超亮发光二极管压降，主要有三种颜色，然而三种发光二极管的压降都不相同，具体压降参考值如下：

  红色发光二极管的压降为2.0V-2.2V。
  黄色发光二极管的压降为1.8V-2.0V。
  绿色发光二极管的压降为3.0V-3.2V。
  正常发光时的额定电流约为20mA。
贴片LED压降：

  红色的压降为1.82-1.88V，电流5-8mA。
  绿色的压降为1.75-1.82V，电流3-5mA。
  橙色的压降为1.7-1.8V，电流3-5mA。
  蓝色的压降为3.1-3.3V，电流8-10mA。
  白色的压降为3-3.2V，电流10-15mA。

实际测试开发板红色贴片LED的压降的确是1.8V左右，那么流过LED的电流就是

                                                                        （3.3 – 1.8）/ 1K = 1.4mA

在不考虑二极管本身电阻的情况下，流过LED的电流就是1.4mA。

18.2.3 总线扩展
在教程第48章节详细讲解了这个问题，对于初学者来说，可以先不用看，等后面学习了FMC总线后再去看，就容易掌握多了。

18.2.4 贴片LED的正负极区分
仔细查看开发板版上面所使用的贴片LED，会发现一端有绿点，有绿点的这端是负极，而另一端就是正级了。

18.3 跑马灯软件驱动设计
跑马灯的软件驱动实现比较简单，主要是IO初始化，LED亮，LED灭，LED翻转。对应的驱动文件也是实现了这几个功能，没有特别的技巧，所以大家看源代码也比较省事。

18.4 跑马灯板级支持包（bsp_led.c）
LED驱动文件bsp_led.c主要实现了如下几个API：

  bsp_InitLed
  bsp_LedOn
  bsp_LedOff
  bsp_LedToggle
  bsp_IsLedOn
下面将这几个API逐一进行说明。

18.4.1 函数bsp_InitLed
函数原型：

/*
*********************************************************************************************************
* 函数名: bsp_InitLed
* 功能说明: 配置LED指示灯相关的GPIO, 该函数被 bsp_Init() 调用。
* 形参: 无
* 返回值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void bsp_InitLed(void)
{
bsp_LedOff(1);
bsp_LedOff(2);
bsp_LedOff(3);
bsp_LedOff(4);
}

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函数描述：

此函数主要用于LED初始化。由于将GPIO设置为输出时，GPIO输出寄存器的值缺省是0，因此会驱动LED点亮，因此在改变GPIO为输出前，先关闭LED指示灯。

注意事项：

大家会有疑惑，为什么这里没有初始化GPIO。这是因为V7开发板是由74HC574驱动的，不是用CPU的IO直接驱动，74HC574是一个8路并口缓冲器，挂在FMC总线上，实现IO扩展。
通过FMC总线扩展出的IO来驱动，不是GPIO直接驱动。
调用此函数前，要优先调用函数bsp_InitExtIO()，此函数用于初始化FMC扩展接口，关于这方面的知识在48章节专门做了讲解
使用举例：

调用此函数前，务必优先调用函数bsp_InitExtIO()。这里底层驱动初始化一般都是在bsp.c文件的函数bsp_Init里面调用。

18.4.2 函数bsp_LedOn
函数原型：

/*
*********************************************************************************************************
* 函数名: bsp_LedOn
* 功能说明: 点亮指定的LED指示灯。
* 形参: _no : 指示灯序号，范围 1 - 4
* 返回值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void bsp_LedOn(uint8_t _no)
{
if (_no == 1)
{
HC574_SetPin(LED1, 0);
}
else if (_no == 2)
{
HC574_SetPin(LED2, 0);
}
else if (_no == 3)
{
HC574_SetPin(LED3, 0);
}
else if (_no == 4)
{
HC574_SetPin(LED4, 0);
}
}

复制代码

函数描述：

此函数主要用于点亮LED。

函数参数：

第1个参数用于指定点亮那个LED，范围1-4。
使用举例：

此函数的使用比较简单，需要调用的时候直接调用即可。另外使用前记得先调用函数bsp_InitExtIO()和bsp_InitLed。

18.4.3 函数bsp_LedOff
函数原型：

/*
*********************************************************************************************************
* 函数名: bsp_LedOff
* 功能说明: 熄灭指定的LED指示灯。
* 形参: _no 指示灯序号，范围 1 - 4
* 返回值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void bsp_LedOff(uint8_t _no)
{
if (_no == 1)
{
HC574_SetPin(LED1, 1);
}
else if (_no == 2)
{
HC574_SetPin(LED2, 1);
}
else if (_no == 3)
{
HC574_SetPin(LED3, 1);
}
else if (_no == 4)
{
HC574_SetPin(LED4, 1);
}
}

复制代码

函数描述：

此函数主要用于熄灭LED。

函数参数：

第1个参数用于指定熄灭那个LED，范围1-4。
使用举例：

此函数的使用比较简单，需要调用的时候直接调用即可。另外使用前记得先调用函数bsp_InitExtIO()和bsp_InitLed。

18.4.4 函数bsp_LedToggle
函数原型：

/*
*********************************************************************************************************
* 函数名: bsp_LedToggle
* 功能说明: 翻转指定的LED指示灯。
* 形参: _no 指示灯序号，范围 1 - 4
* 返回值: 按键代码
*********************************************************************************************************
*/
void bsp_LedToggle(uint8_t _no)
{
uint32_t pin;
if (_no == 1)
{
pin = LED1;
}
else if (_no == 2)
{
pin = LED2;
}
else if (_no == 3)
{
pin = LED3;
}
else if (_no == 4)
{
pin = LED4;
}
else
{
return;
}
if (HC574_GetPin(pin))
{
HC574_SetPin(pin, 0);
}
else
{
HC574_SetPin(pin, 1);
}
}

复制代码

函数描述：

此函数主要用于翻转LED。

函数参数：

第1个参数用于指定翻转那个LED，范围1-4。
使用举例：

此函数的使用比较简单，需要调用的时候直接调用即可。另外使用前记得先调用函数bsp_InitExtIO()和bsp_InitLed。

18.4.5 函数bsp_IsLedOn
函数原型：

/*
*********************************************************************************************************
* 函数名: bsp_IsLedOn
* 功能说明: 判断LED指示灯是否已经点亮。
* 形参: _no 指示灯序号，范围 1 - 4
* 返回值: 1表示已经点亮，0表示未点亮
*********************************************************************************************************
*/
uint8_t bsp_IsLedOn(uint8_t _no)
{
uint32_t pin;
if (_no == 1)
{
pin = LED1;
}
else if (_no == 2)
{
pin = LED2;
}
else if (_no == 3)
{
pin = LED3;
}
else if (_no == 4)
{
pin = LED4;
}
else
{
return 0;
}
if (HC574_GetPin(pin))
{
return 0; /* 灭 */
}
else
{
return 1; /* 亮 */
}
}

复制代码

函数描述：

此函数主要用于获取LED亮灭状态。

函数参数：

第1个参数用于指定获取那个LED的亮灭状态，范围1-4。
使用举例：

此函数的使用比较简单，需要调用的时候直接调用即可。另外使用前记得先调用函数bsp_InitExtIO()和bsp_InitLed。

18.5 跑马灯驱动移植和使用
跑马灯控制是基于FMC扩展IO实现的，所以跑马灯的移植需要看第48章的移植方式。

18.6 实验例程设计框架
通过程序设计框架，让大家先对配套例程有一个全面的认识，然后再理解细节，本次实验例程的设计框架如下：

第1阶段，上电启动阶段：

这部分在第14章进行了详细说明。

第2阶段，进入main函数：

第1部分，硬件初始化，主要是MPU，Cache，HAL库，系统时钟，滴答定时器和LED。
第2部分，应用程序设计部分，实现了一个简易的跑马灯效果。
18.7 实验例程说明（MDK）
配套例子：

V7-001_跑马灯

实验目的：

学习H7平台的跑马灯实现。

实验内容：

启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED1和LED2。
再启动一个自动重装软件定时器，每500ms翻转一次LED3和LED4。
上电后串口打印的信息：

波特率 115200，数据位 8，奇偶校验位无，停止位 1

程序设计：

系统栈大小分配：

RAM空间用的DTCM：

硬件外设初始化

硬件外设的初始化是在 bsp.c 文件实现：

/*
*********************************************************************************************************
* 函数名: bsp_Init
* 功能说明: 初始化所有的硬件设备。该函数配置CPU寄存器和外设的寄存器并初始化一些全局变量。只需要调用一次
* 形参：无
* 返回值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void bsp_Init(void)
{
/* 配置MPU */
MPU_Config();
/* 使能L1 Cache */
CPU_CACHE_Enable();
/*
STM32H7xx HAL 库初始化，此时系统用的还是H7自带的64MHz，HSI时钟:
- 调用函数HAL_InitTick，初始化滴答时钟中断1ms。
- 设置NVIV优先级分组为4。
*/
HAL_Init();
/*
配置系统时钟到400MHz
- 切换使用HSE。
- 此函数会更新全局变量SystemCoreClock，并重新配置HAL_InitTick。
*/
SystemClock_Config();
/*
Event Recorder：
- 可用于代码执行时间测量，MDK5.25及其以上版本才支持，IAR不支持。
- 默认不开启，如果要使能此选项，务必看V7开发板用户手册第xx章
*/
#if Enable_EventRecorder == 1
/* 初始化EventRecorder并开启 */
EventRecorderInitialize(EventRecordAll, 1U);
EventRecorderStart();
#endif
bsp_InitKey(); /* 按键初始化，要放在滴答定时器之前，因为按钮检测是通过滴答定时器扫描 */
bsp_InitTimer(); /* 初始化滴答定时器 */
bsp_InitUart(); /* 初始化串口 */
bsp_InitExtIO(); /* 初始化FMC总线74HC574扩展IO. 必须在 bsp_InitLed()前执行 */
bsp_InitLed(); /* 初始化LED */
}

复制代码

MPU配置和Cache配置：

数据Cache和指令Cache都开启。配置了AXI SRAM区（本例子未用到AXI SRAM）和FMC的扩展IO区。

/*
*********************************************************************************************************
* 函数名: MPU_Config
* 功能说明: 配置MPU
* 形参: 无
* 返回值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void MPU_Config( void )
{
MPU_Region_InitTypeDef MPU_InitStruct;
/* 禁止 MPU */
HAL_MPU_Disable();
/* 配置AXI SRAM的MPU属性为Write back, Read allocate，Write allocate */
MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE;
MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x24000000;
MPU_InitStruct.Size = MPU_REGION_SIZE_512KB;
MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_BUFFERABLE;
MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_CACHEABLE;
MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;
MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER0;
MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL1;
MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00;
MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE;
HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);
/* 配置FMC扩展IO的MPU属性为Device或者Strongly Ordered */
MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE;
MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x60000000;
MPU_InitStruct.Size = ARM_MPU_REGION_SIZE_64KB;
MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_BUFFERABLE;
MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE;
MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;
MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER1;
MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL0;
MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00;
MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE;
HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);
/*使能 MPU */
HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函数名: CPU_CACHE_Enable
* 功能说明: 使能L1 Cache
* 形参: 无
* 返回值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void CPU_CACHE_Enable(void)
{
/* 使能 I-Cache */
SCB_EnableICache();
/* 使能 D-Cache */
SCB_EnableDCache();
}

复制代码

主功能：

主功能的实现主要分为两部分：

启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED1和LED2。
再启动一个自动重装软件定时器，每500ms翻转一次LED3和LED4。

/*
*********************************************************************************************************
* 函数名: main
* 功能说明: c程序入口
* 形参: 无
* 返回值: 错误代码(无需处理)
*********************************************************************************************************
*/
int main(void)
{
bsp_Init(); /* 硬件初始化 */
PrintfLogo(); /* 打印例程名称和版本等信息 */
PrintfHelp(); /* 打印操作提示 */
/* 先做个LED1的亮灭显示 */
bsp_LedOn(1);
bsp_DelayMS(100);
bsp_LedOff(1);
bsp_DelayMS(100);
bsp_StartAutoTimer(0, 100); /* 启动1个100ms的自动重装的定时器 */
bsp_StartAutoTimer(1, 500); /* 启动1个500ms的自动重装的定时器 */
/* 进入主程序循环体 */
while (1)
{
bsp_Idle(); /* 这个函数在bsp.c文件。用户可以修改这个函数实现CPU休眠和喂狗 */
/* 判断定时器超时时间 */
if (bsp_CheckTimer(0))
{
/* 每隔100ms 进来一次 */
bsp_LedToggle(1);
}
/* 判断定时器超时时间 */
if (bsp_CheckTimer(1))
{
/* 每隔500ms 进来一次 */
bsp_LedToggle(2);
bsp_LedToggle(3);
bsp_LedToggle(4);
}
}
}

复制代码

18.8 实验例程说明（IAR）
配套例子：

V7-001_跑马灯

实验目的：

学习H7平台的跑马灯实现。

实验内容：

启动一个自动重装软件定时器，每100ms翻转一次LED1和LED2。
再启动一个自动重装软件定时器，每500ms翻转一次LED3和LED4。
上电后串口打印的信息：

波特率 115200，数据位 8，奇偶校验位无，停止位 1

程序设计：

系统栈大小分配：

RAM空间用的DTCM：

硬件外设初始化

硬件外设的初始化是在 bsp.c 文件实现：

/*
*********************************************************************************************************
* 函数名: bsp_Init
* 功能说明: 初始化所有的硬件设备。该函数配置CPU寄存器和外设的寄存器并初始化一些全局变量。只需要调用一次
* 形参：无
* 返回值: 无
*********************************************************************************************************
*/
void bsp_Init(void)
{
/* 配置MPU */
MPU_Config();
/* 使能L1 Cache */
CPU_CACHE_Enable();
/*
STM32H7xx HAL 库初始化，此时系统用的还是H7自带的64MHz，HSI时钟:
- 调用函数HAL_InitTick，初始化滴答时钟中断1ms。
- 设置NVIV优先级分组为4。
*/
HAL_Init();
/*
配置系统时钟到400MHz
- 切换使用HSE。
- 此函数会更新全局变量SystemCoreClock，并重新配置HAL_InitTick。
*/
SystemClock_Config();
/*
Event Recorder：
- 可用于代码执行时间测量，MDK5.25及其以上版本才支持，IAR不支持。
- 默认不开启，如果要使能此选项，务必看V7开发板用户手册第xx章
*/
#if Enable_EventRecorder == 1
/* 初始化EventRecorder并开启 */
EventRecorderInitialize(EventRecordAll, 1U);
EventRecorderStart();
#endif
bsp_InitKey(); /* 按键初始化，要放在滴答定时器之前，因为按钮检测是通过滴答定时器扫描 */
bsp_InitTimer(); /* 初始化滴答定时器 */
bsp_InitUart(); /* 初始化串口 */
bsp_InitExtIO(); /* 初始化FMC总线74HC574扩展IO. 必须在 bsp_InitLed()前执行 */
bsp_InitLed(); /* 初始化LED */
}

复制代码

MPU配置和Cache配置：

数据Cache和指令Cache都开启。配置了AXI SRAM区（本例子未用到AXI SRAM）和FMC的扩展IO区。

/*
*********************************************************************************************************
* 函数名: MPU_Config
* 功能说明: 配置MPU
* 形参: 无
* 返回值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void MPU_Config( void )
{
MPU_Region_InitTypeDef MPU_InitStruct;
/* 禁止 MPU */
HAL_MPU_Disable();
/* 配置AXI SRAM的MPU属性为Write back, Read allocate，Write allocate */
MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE;
MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x24000000;
MPU_InitStruct.Size = MPU_REGION_SIZE_512KB;
MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_BUFFERABLE;
MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_CACHEABLE;
MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;
MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER0;
MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL1;
MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00;
MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE;
HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);
/* 配置FMC扩展IO的MPU属性为Device或者Strongly Ordered */
MPU_InitStruct.Enable = MPU_REGION_ENABLE;
MPU_InitStruct.BaseAddress = 0x60000000;
MPU_InitStruct.Size = ARM_MPU_REGION_SIZE_64KB;
MPU_InitStruct.AccessPermission = MPU_REGION_FULL_ACCESS;
MPU_InitStruct.IsBufferable = MPU_ACCESS_BUFFERABLE;
MPU_InitStruct.IsCacheable = MPU_ACCESS_NOT_CACHEABLE;
MPU_InitStruct.IsShareable = MPU_ACCESS_NOT_SHAREABLE;
MPU_InitStruct.Number = MPU_REGION_NUMBER1;
MPU_InitStruct.TypeExtField = MPU_TEX_LEVEL0;
MPU_InitStruct.SubRegionDisable = 0x00;
MPU_InitStruct.DisableExec = MPU_INSTRUCTION_ACCESS_ENABLE;
HAL_MPU_ConfigRegion(&MPU_InitStruct);
/*使能 MPU */
HAL_MPU_Enable(MPU_PRIVILEGED_DEFAULT);
}
/*
*********************************************************************************************************
* 函数名: CPU_CACHE_Enable
* 功能说明: 使能L1 Cache
* 形参: 无
* 返回值: 无
*********************************************************************************************************
*/
static void CPU_CACHE_Enable(void)
{
/* 使能 I-Cache */
SCB_EnableICache();
/* 使能 D-Cache */
SCB_EnableDCache();
}

复制代码

/*
*********************************************************************************************************
* 函数名: main
* 功能说明: c程序入口
* 形参: 无
* 返回值: 错误代码(无需处理)
*********************************************************************************************************
*/
int main(void)
{
bsp_Init(); /* 硬件初始化 */
PrintfLogo(); /* 打印例程名称和版本等信息 */
PrintfHelp(); /* 打印操作提示 */
/* 先做个LED1的亮灭显示 */
bsp_LedOn(1);
bsp_DelayMS(100);
bsp_LedOff(1);
bsp_DelayMS(100);
bsp_StartAutoTimer(0, 100); /* 启动1个100ms的自动重装的定时器 */
bsp_StartAutoTimer(1, 500); /* 启动1个500ms的自动重装的定时器 */
/* 进入主程序循环体 */
while (1)
{
bsp_Idle(); /* 这个函数在bsp.c文件。用户可以修改这个函数实现CPU休眠和喂狗 */
/* 判断定时器超时时间 */
if (bsp_CheckTimer(0))
{
/* 每隔100ms 进来一次 */
bsp_LedToggle(1);
}
/* 判断定时器超时时间 */
if (bsp_CheckTimer(1))
{
/* 每隔500ms 进来一次 */
bsp_LedToggle(2);
bsp_LedToggle(3);
bsp_LedToggle(4);
}
}
}