【正文】 ....................................................... 26 附錄 ............................................................... 27 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 前 言 隨著計(jì)算機(jī)、微電子、信息技術(shù)的快速 發(fā)展，智能化技術(shù)的開發(fā)速度越來越快，程度越來越高，廣泛應(yīng)用于海洋開發(fā)、宇宙探測、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事、社會服務(wù)、娛樂等各個(gè)領(lǐng)域。智能電動小車系統(tǒng)以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科，主要由路徑識別、角度控制及車速控制等功能模塊組成，被應(yīng)用于隧道探測、機(jī)器人、考古、娛樂等許多方面。因此，對智能小車的研究具有重要的實(shí)際意義。 嵌入式技術(shù)依靠其體積小、成本低、功能強(qiáng)等特點(diǎn)，適應(yīng)了智能化發(fā)展的最新要求。單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的微處理器，在數(shù)據(jù)處理和代碼存儲等方面都已 經(jīng)無法滿足系統(tǒng)的要求， ARM 微處理器資源豐富，具有良好的通用性。 CortexM3是 ARM 公司最新推出的第一款基于 ARMv7 體系的處理器內(nèi)核。它主要針對 MCU 領(lǐng)域，在存儲系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、調(diào)試接口等方面做了較大的改進(jìn)，有別于過去的ARM7 處理器； CortexM3 具有高性能、低功耗、極低成本、穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適合汽車電子、工業(yè)控制系統(tǒng)、醫(yī)療器械、玩具等領(lǐng)域?；?CortexM3內(nèi)核的 STM32 系列處理器于 2020 年由 ST公司率先推出，它集先進(jìn) CortexM3 內(nèi)核結(jié)構(gòu)、出眾創(chuàng)新的外設(shè)、良好的功耗和低成本 于一體，極大的滿足自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。作為先進(jìn)的 32 位通用微控制器的領(lǐng)跑者， STM32 以其出眾的性能、豐富且靈活的外設(shè)、很高的性價(jià)比以及令人意外的功耗水準(zhǔn)，使其自面世以來得到眾多設(shè)計(jì)者的青睞，眾多行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者紛紛選用 STM32 作為新一代產(chǎn)品的平臺。因此將 STM32F103 應(yīng)用于智能小車的控制系統(tǒng)是一種較好的選擇。 基于此，本文提出了一個(gè)比較合理的智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。整個(gè)小車系統(tǒng)以 STM32F103 芯片為控制核心，附以外圍電路，利用紅外探測器、觸角傳感器采集外界信息和檢測障礙物；充分利用 STM32F103 的 串口、并口資源和高速的運(yùn)算、處理能力，來實(shí)現(xiàn)小車自動識別路線按跡行走、躲避障礙物，并且通過 LCD 顯示器實(shí)時(shí)顯示小車運(yùn)動參數(shù)；配置 STM32F103 通用定時(shí)器為 PWM輸出模式產(chǎn)生 PWM波，通過步進(jìn)調(diào)節(jié) PWM 波占空比參數(shù)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；設(shè)計(jì)簡便的按鍵式鍵盤輸入來切換小車運(yùn)行模式，以及調(diào)節(jié)小車速度。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 第 1 章 緒論 STM32 芯片介紹 2020 年 ARM 公司推出了基于 ARMv7 架構(gòu)的 Cortex 系列的標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，以滿足各種技術(shù)的不同性能要求，包含 A、 R、 M 三個(gè)分工明確的系列 [1]。其中， A系列面向復(fù)雜的尖 端應(yīng)用程序，用于運(yùn)行開放式的復(fù)雜操作系統(tǒng)； R 系列適合實(shí)時(shí)系統(tǒng)； M 系列則專門針對低成本的微控制領(lǐng)域。 CortexM3 是首款基于 ARMv7M體系結(jié)構(gòu)的 32 位標(biāo)準(zhǔn)處理器，具有低功耗、少門數(shù)、短中斷延遲、低調(diào)試成本等眾多優(yōu)點(diǎn)。它是專門為在微控制系統(tǒng)、汽車車身系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)等對功耗和成本敏感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高系統(tǒng)性能而設(shè)計(jì)的，它大大簡化了編程的復(fù)雜性，集高性能、低功耗、低成本于一體 [2]。半導(dǎo)體制造廠商意法半導(dǎo)體 ST 公司是 ARM 公司 CortexM3 內(nèi)核開發(fā)項(xiàng)目一個(gè)主要合作方， 2020 年 6 月11日 ST 公司率先推出了基于 CortexM3內(nèi)核的 STM32 系列 MCU。本章將簡要介紹 STM32 系列處理器的分類、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，并對本設(shè)計(jì)中重點(diǎn)應(yīng)用的通用定時(shí)器做進(jìn)一步分析。 STM32 處理器的分類 STM32 系列處理器目前分為 2 個(gè)系列。 STM32F101 是標(biāo)準(zhǔn)型系列，工作在36MHZ； STM32F103 是增強(qiáng)型系列，工作在 72MHZ，帶有更多片內(nèi) RAM 和更豐富的外設(shè)。這兩個(gè)系列的產(chǎn)品擁有相同的片內(nèi) Flash 選項(xiàng)，在軟件和引腳封裝方面是兼容 [3]。 標(biāo)準(zhǔn)型系列是 STM32 處理器入門產(chǎn)品，其價(jià)格僅相同于 16 位 MCU 卻擁有32 位 MCU 的性能，其外設(shè)的配置能提供優(yōu)秀的控制和聯(lián)接能力。增強(qiáng)型系列產(chǎn)品則將 32 位 MCU 的性能和功效引向一個(gè)新的級別。內(nèi)含的 CortexM3內(nèi)核工作在 72MHZ，能實(shí)現(xiàn)高端運(yùn)算，其外設(shè)的配置能提供極好的控制和聯(lián)接能力。 STM32 全系列處理器擁有的腳對腳、外設(shè)及軟件的高度兼容性，這給其應(yīng)用帶來全方位的靈活性，可以在不必修改原始框架及軟件的條件下，將應(yīng)用升級到需要更多的存儲空間，或精簡到使用更少的存儲空間，或改用不同的封裝規(guī)格。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 對于使用同一平臺進(jìn)行多個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)而言， STM32更是一種非常好的選擇。因?yàn)樵?STM32 全系列產(chǎn)品中，既有適合僅需少量的存儲空間和引腳，也有滿足需要更多的存儲空間和引腳；既有適于高性能應(yīng)用的，又有滿足低功耗要求的；既有適合低成本簡單應(yīng)用，也有滿足高端復(fù)雜應(yīng)用的。全系列兼容，使得項(xiàng)目之間的代碼重用和代碼移植變得非常方便。 STM32 處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) STM32F103 系列微處理器是首款基于 ARMv7M 體系結(jié)構(gòu)的 32 位標(biāo)準(zhǔn) RISC （精簡指令集）處理器，提供很高的代碼效率，在通常 8 位和 16 位系統(tǒng)的存儲空間上發(fā)揮了 ARM 內(nèi)核的高性能。該 系列微處理器工作頻率為 72MHz，內(nèi)置高達(dá)128K 字節(jié)的 Flash 存儲器 和 20K 字 節(jié)的 SRAM，具有豐富的通用 I/O 端口。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 圖 STM32F10x內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 [4] STM32F103 系列微處理器主要資源和特點(diǎn)如下 [5]： 1. 多達(dá) 51 個(gè)快速 I /O 端口，所有 I/O 口均可以映像到 16 個(gè)外部中斷， 幾乎所有端口都允許 5V 信號輸入。每個(gè)端口都可以由軟件配置成輸出（推挽或開畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 漏）、輸入（帶或不帶上拉或下拉）或其它的 外設(shè)功能口。 2. 2 個(gè) 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，多達(dá) 16 個(gè)外部輸入通道，轉(zhuǎn)換速率可達(dá) 1MHz,轉(zhuǎn)換范圍為 0~ 36V；具有雙采樣和保持功能；內(nèi)部嵌入溫度傳感器 。 3. 靈活的 7路通用 DMA 可以管理存儲器到存儲器、設(shè)備到存儲器和存儲器到設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，無須 CPU 任何干預(yù)。通過 DMA 可以使數(shù)據(jù)快速地移動，這就節(jié)省了 CPU 的資源來進(jìn)行其他操作。 DMA 控制器支持環(huán)形緩沖區(qū)的管理，避免了控制器傳輸?shù)竭_(dá)緩沖區(qū)結(jié)尾時(shí)所產(chǎn)生的中斷。它支持的外設(shè)包括：定時(shí)器、ADC、 SPI、 I2C 和 USART 等。 4. 調(diào)試模式：支持標(biāo)準(zhǔn)的 20 腳 JTAG 仿真調(diào)試以及針對 Cortex M3 內(nèi)核的串行單線調(diào)試（ SWD）功能。通常默認(rèn)的調(diào)試接口是 JTAG 接口。 5. 含有豐富的通信接口：三個(gè) USART 異步串行通信接口、兩個(gè) I2C 接口、兩個(gè) SPI 接口、一個(gè) CAN 接口和一個(gè) USB 接口，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信提供了保證。 6. 內(nèi)部包含 8 個(gè)定時(shí)器。在本設(shè)計(jì)中電機(jī)調(diào)速通過定時(shí)器的 PWM 功能實(shí)現(xiàn)。這將在下一節(jié)做進(jìn)一步介紹。 TIMx 定時(shí)器介紹 STM32F10x系列處理器內(nèi)部有 8個(gè)定時(shí)器，其中 TIM1和 TIM8為高級控制 定時(shí)器， TIM TIM TIM4和 TIM5為 4個(gè)獨(dú)立的通用定時(shí)器， TIM6和 TIM7為基本定時(shí)器。這 8個(gè)定時(shí)器各包含一個(gè) 16位自動裝載計(jì)數(shù)器，由各自的可編程預(yù)分頻器驅(qū)動。其中基本定時(shí)器可以為通用定時(shí)器提供時(shí)間基準(zhǔn)，特別地可以為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)提供時(shí)鐘，實(shí)際上，它們在芯片內(nèi)部直接連接到 DAC并通過觸發(fā)輸出直接驅(qū)動 DAC。 通用定時(shí)器 TIMx，它適用于多種場合，包括測量輸入信號的脈沖長度 (輸入捕獲 )或者產(chǎn)生輸出波形 (輸出比較和 PWM)。通過對定時(shí)器預(yù)分頻器和 RCC時(shí)鐘控制器預(yù)分頻器的編程，可將脈沖長度和波 形周期在幾個(gè)微秒到幾個(gè)毫秒間進(jìn)行調(diào)整。每個(gè)定時(shí)器都是完全獨(dú)立的，沒有互相共享任何資源，它們也可以一起同步操作。 STM32F103主控芯片的 8個(gè)定時(shí)器中，高級控制定時(shí)器 TIM1和 TIM8及 4個(gè)通用定時(shí)器均可生成 PWM波。高級控制定時(shí)器與通用定時(shí)器相比較，它們有非常多的相似之處，雖然前者功能要強(qiáng)大些，但鑒于后者 已能夠滿足設(shè)計(jì)要求，因此選用通用定時(shí)器作為 PWM生成模塊。下面簡要介紹通用定時(shí)器的特性及功能。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 通用定時(shí)器 TIMx (TIM TIM TIM4和 TIM5)主要特性如下 [6]： 1. 16位向上、向下 、向上 /向下自動裝載計(jì)數(shù)器。 2. 16位可編程 (可以實(shí)時(shí)修