【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 rtexM3,它采用 ARMv7M 構(gòu)架。 ARM 成立于 1990 年，是蘋(píng)基于單片機(jī)的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)（接收部分） 7 果、 Acorn 和 VLSI 三家公司的合資，現(xiàn)如今最流行的是基于 ARMv7 架構(gòu)的 ARM 處理器，它加入了經(jīng)過(guò)優(yōu)化的 Thumb2 指令集，這是現(xiàn)在最前衛(wèi)的新技術(shù)。 Cortex系列是 v7 架構(gòu)的第一次亮相，其中 CortexM3 就是按款式 M 設(shè)計(jì)的，它不僅支持16 位的 Thumb 指令集和基本的 32 位 Thumb2 指令集架構(gòu)，而且擁有很多新特性。與 ARM7 TDMI 相比， CortexM3 擁有的性能更強(qiáng)勁、代碼密度也更高、中斷可嵌套、低功耗、位帶操作、成本低等眾多優(yōu)勢(shì)。 CortexM3 的中斷處理完全基于硬件進(jìn)行，可減少的時(shí)鐘周期數(shù)最多可達(dá) 12 個(gè)，在應(yīng)用中可節(jié)約 70%的中斷；同時(shí) CortexM3采用了單線(xiàn)調(diào)試（ Single Wire）這種新型技術(shù)，能夠減少非常多的調(diào)試工具費(fèi)用，其中還集成了大部分存儲(chǔ)器控制器，這樣設(shè)計(jì)人員可以直接將 Flash 外接在 MCU上，降低了應(yīng)用障礙和設(shè)計(jì)難度。作為 CortexM3 內(nèi)核最先嘗 蟹的公司之一， ST在技術(shù)支持方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他對(duì)手，其生產(chǎn)的 STM32F103 系列單片機(jī)擁有包括：FSMC、 TIMER、 SPI、 IIC、 USB、 CAN、 IIS、 SDIO、 ADC、 DAC、 RTC、 DMA 等外設(shè)及功能和 84 個(gè)中斷， 16 級(jí)可編程優(yōu)先級(jí)，非凡的功耗控制，而且它的開(kāi)發(fā)成本低，具有極高的集成度。相對(duì)于傳統(tǒng)的 51 單片機(jī)，它的實(shí)時(shí)性更好，功能更強(qiáng)大，處理速度和能力都很強(qiáng)。 [4] 本設(shè)計(jì)處理器平臺(tái) STM32F103ZET6 來(lái)自于星翼電子科技有限公司所做的戰(zhàn)艦ALIENTEK STM32 開(kāi)發(fā)板，該開(kāi)發(fā)板將 STM32 的資源開(kāi)發(fā)到了極致，基于所用 STM32的內(nèi)部資源都可以在此板上得到驗(yàn)證，配套的軟件資料分為庫(kù)函數(shù)版本和寄存器版本，將內(nèi)部控制寄存器的函數(shù)打包，不用自己一點(diǎn)點(diǎn)追究每一個(gè)控制位的設(shè)置，使用起來(lái)很方便，它的最小系統(tǒng)原理圖如圖 所示： 圖 STM32F103ZET6 單片機(jī)最小系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)用了此單片機(jī)的外部中斷、串口通信、 DA 轉(zhuǎn)換、定時(shí)器等硬件資源，加上軟件上的設(shè)計(jì)，構(gòu)成了本設(shè)計(jì)的處理核心。 基于單片機(jī)的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)（接收部分） 8 STM32 單片機(jī)中斷系統(tǒng) STM32 單片機(jī)的 EXTI 控制器支持多達(dá) 19 個(gè)外部中斷事件請(qǐng)求，每個(gè)中 斷設(shè)有狀態(tài)位，有獨(dú)立的觸發(fā)和屏蔽設(shè)置，檢測(cè)脈沖寬度低于 APB2 時(shí)鐘寬度的外部信號(hào)。[5]它的每一個(gè) IO 口都可以設(shè)為外部中斷輸入，觸發(fā)方式有上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)兩種，其外部中斷 /事件線(xiàn)路映像如圖 所示。 圖 外部中斷通用 I/O映像 STM32 單片機(jī)中斷系統(tǒng)有很多與之相關(guān)的寄存器，包括中斷屏蔽寄存器、事件屏蔽寄存器、上升沿觸發(fā)選擇寄存器、下降沿觸發(fā)選擇寄存器、軟件中斷事件寄存器、掛起寄存器、外部中斷 /事件寄存器。通過(guò)配置這些寄存器就可以使用單片機(jī)的外部中斷了，本設(shè)計(jì)所應(yīng)用的就是它的邊沿觸發(fā)方式， 由單片機(jī) IO 口 PEPE3 管腳輸入，實(shí)時(shí)根據(jù)接收傳感器輸出的跳變沿控制內(nèi)部 IO 口 PA0 管腳輸出信號(hào)波形。 STM32 單片機(jī)串口通信 通信有并行和串行兩種方式，在單片機(jī)系統(tǒng)中，信息交換多采用串行通信。 [6]串行通信就是將數(shù)據(jù)按字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線(xiàn)上逐個(gè)傳送，對(duì)于一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，串口通信一次只傳送一位，所以最少要分八次才能傳送完畢，如圖 所示。 基于單片機(jī)的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)（接收部分） 9 圖 串行通信方式 串行通信分為同步串行通信和異步串行通信兩種方式。同步通信時(shí)要保證發(fā)送方時(shí)鐘直接對(duì)接收方時(shí)鐘控制的建立，使收發(fā) 雙方達(dá)到完全同步，保持位同步和字符同步關(guān)系；異步通信指的是通信發(fā)送與接收設(shè)備使用各自的時(shí)鐘來(lái)控制數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程，如圖 所示。 圖 異步串行通信方式 異步通信一幀字符信息的組成分為四個(gè)部分：起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位和停止位，如圖 所示。 圖 異步串行通信數(shù)據(jù)格式 異步串行通信方式通常用于在單片機(jī)與單片機(jī)或單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信。 STM32 單片機(jī)具有通用同步異步收發(fā)器 (USART)與外部設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，具有 NRZ（不歸零碼）標(biāo)準(zhǔn)格式，可編程數(shù)組字長(zhǎng)度 8 位或 9 位，支持 1 或 2個(gè)的停止位。 [5]任何 USART 雙向通信至少需要兩個(gè)引腳：接收數(shù)據(jù)輸入（ RX）和發(fā)送數(shù)據(jù)輸出（ TX），本設(shè)計(jì)作為紅外通信系統(tǒng)的接收部分，使用到了 USART 的接收數(shù)據(jù)輸入端（ RXD）， RX 通過(guò)過(guò)采樣技術(shù)來(lái)區(qū)分噪音和數(shù)據(jù)，從而恢復(fù)數(shù)據(jù)。STM32F103 單片機(jī)最多包含有五路串口，有支持同步單線(xiàn)通信和半雙工單線(xiàn)通訊、基于單片機(jī)的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)（接收部分） 10 分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器、支持調(diào)制解調(diào)器操作、具有 DMA、智能卡協(xié)議、支持 LIN 和IrDA SIR ENDEC 規(guī)范等。 STM32 具有一個(gè)狀態(tài)寄存器（ USART_SR）、一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器（ SUART_DR）、每 個(gè)串口都有自己的波特率寄存器（ USART_BRR）， 12 位的整數(shù)和4 位小數(shù)，可以用來(lái)設(shè)置不同的波特率。波特率的單位是 bps（位 /秒），被定義為每秒傳輸二進(jìn)制代碼的位數(shù)。 STM32 的串口波特率計(jì)算公式如下： ）（波特率 US A R T DI VRxTx P C L K*16 f/ x? （ ） 此式中， PCLKxf 是給串口的時(shí)鐘， USARTDIV 為一個(gè)無(wú)符號(hào)定點(diǎn)數(shù)，只要能 夠得到 USARTDIV 的值，就可以得到串口波特率寄存器 USART1BRR 值，反之，我們得到 USART1BRR 的值，也就可以推導(dǎo)出 USARTDIV 的值。 [7]一般我們更關(guān)心的是如何從 USARTDIV 的值得到 USART_BRR 的值，因?yàn)橐话阄覀冎赖氖遣ㄌ芈屎?PCLKx的時(shí)鐘，要求的就是 USART_BRR 的值。本設(shè)計(jì)設(shè)置 STM32 單片機(jī) USART 波特率為115200bps，以防語(yǔ)音信號(hào)不能及時(shí)傳輸。 STM32單片機(jī)的 USART接收器可以根據(jù)控制寄存器 USART_CR1 的 M位接收 8位或 9 位的數(shù)據(jù)字，如圖 所示。 圖 字長(zhǎng)設(shè)置 在使用其串口時(shí)要對(duì)其進(jìn)行初始化，初始化是不用設(shè)置奇偶校驗(yàn)位的，本設(shè)計(jì)使用的是 9 位數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)置了 1 位奇偶校驗(yàn)位和 8 位的數(shù)據(jù)位。在 USART 接收期間，數(shù)據(jù)的最低有效位首先進(jìn)入 RX 引腳， STM32 的發(fā)送與接收是由數(shù)據(jù)寄存基于單片機(jī)的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)（接收部分） 11 器 USART_DR 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它是一個(gè)雙寄存器，包含 TDR 和 RDR 兩個(gè)，當(dāng)向它寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)串口會(huì)自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)有數(shù)據(jù)收到的時(shí)候，也存在該寄存器內(nèi)。通過(guò)串口狀態(tài)寄存器 USART_SR 讀取串口的狀態(tài)，包括串口數(shù)據(jù)是否發(fā)送完成，是否接收到有效數(shù)據(jù)等，同時(shí)可以開(kāi)啟 STM32 單片機(jī)的串口中斷，一個(gè)字符被接收到時(shí)， RXNE位被標(biāo)記，進(jìn)步中斷函數(shù)。本設(shè)計(jì)就是在串口接收到數(shù)據(jù)后直接進(jìn)入串口中斷函數(shù)，在中斷中判斷數(shù)據(jù)類(lèi)型以及將數(shù)據(jù)分配給不同的硬件資源。 STM32 單片機(jī) DAC 大容量的 STM32F103 單片機(jī)具有內(nèi)部 DAC，本設(shè)計(jì)所用的單片機(jī)是帶有 DAC 模塊的。 STM32 的 DAC 數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換模塊是電壓輸出型的 DAC， 12 位的數(shù)字輸入，它可以配置為 8 位或 12 位工作模式，也可以與 DMA 控制器相配合。 DAC 工作在 12為模式的時(shí)候，可以設(shè)置數(shù)據(jù)為左對(duì)齊方式或右對(duì)齊方式，它的輸 出通道有兩個(gè)，每個(gè)通道都有單獨(dú)的轉(zhuǎn)換器；在雙 DAC 模式下，兩個(gè)通道可以獨(dú)立地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，也可同時(shí)進(jìn)行并同步更新兩個(gè)通道輸出。 DAC 的精確轉(zhuǎn)換結(jié)果可以通過(guò)引腳輸入?yún)⒖茧妷?VREF+來(lái)獲得，而且具有噪聲波形和三角波形生成功能。其通道模塊框圖如圖 所示： 圖 DAC通道模塊框圖 通過(guò)設(shè)置 DAC 數(shù)據(jù)保持寄存器的值就可以在 DAC 輸出端到得到相關(guān)的電壓。本設(shè)計(jì)用的是 DAC 通道 1 的 12 位右對(duì)齊數(shù)據(jù)保持寄存器 DAC_DHR12R1,向其寫(xiě)入12 為數(shù)據(jù)，由單片機(jī) PA4 管腳輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng) DAC 的參考電壓為 Vref+的時(shí)候，DAC 的輸出電壓是線(xiàn)性的從 0Vref+， 12 為模式下的 DAC 輸出電壓與 Vref+及 DORx基于單片機(jī)的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)（接收部分） 12 的計(jì)算公式如下： )4 0 9 5/(* D O R xV re fD A C x ?輸出電壓 () 在 DAC 控制寄存器中可以設(shè)置 DA 輸出緩存位，因?yàn)?STM32 的 DA 輸出帶負(fù)載能力不是很強(qiáng)，如果后接運(yùn)放的話(huà)會(huì)消弱信號(hào)波形， STM32 的 DAC 的內(nèi)部集成了 2個(gè)輸出緩存，用來(lái)減少輸出阻抗，無(wú)需外部運(yùn)算放大器就可以直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。[5]每個(gè) DAC通道可以通過(guò)設(shè) 置 DAC_CR寄存器的 BOFFx位來(lái)使能或者關(guān)閉輸出緩存。設(shè)置了 DAC 的輸出緩存后，帶負(fù)載能力加強(qiáng)，但是 STM32 的 DAC 緩存設(shè)置后輸出不是軌到軌的，最低輸出電壓不能達(dá)到 0V，為此我們可以在發(fā)射端對(duì)語(yǔ)音信號(hào)做調(diào)整，也可以不使用 DAC 緩存，而是后加電壓跟隨器做緩沖，無(wú)論那種方法都可以是信號(hào)傳輸至后級(jí)。本設(shè)計(jì)對(duì)兩種方法都做了設(shè)置，即設(shè)置了 DAC 緩存位，也用 NE5532 運(yùn)放設(shè)計(jì)了電壓跟隨器，可以根據(jù)需要做調(diào)整。 本設(shè)計(jì) DAC 輸出 IO 口為 PA4，轉(zhuǎn)換的是 12 位數(shù)據(jù)，但是 USART 接收的有效數(shù)據(jù)是 8 位，為了保證位數(shù)一 致，紅外發(fā)射部分 ADC 采集的 12 位語(yǔ)音信號(hào)右移了 4位，截取高 8 位，舍棄最后 4 位的數(shù)據(jù)，再通過(guò)串口發(fā)送。本設(shè)計(jì)在程序中將接收到的 8 位的語(yǔ)音數(shù)據(jù)向左移動(dòng)了 4 位，擴(kuò)展成 12 位數(shù)據(jù)，這樣就可以送給 DAC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在發(fā)射端截取數(shù)據(jù)時(shí)，由低 4 位產(chǎn)生的最大誤差電壓為 ，可以認(rèn)為同時(shí)夾雜著噪聲信號(hào)，這樣截取后起到了一定的濾除噪聲電壓的作用，接收端接收的數(shù)據(jù)就是經(jīng)過(guò)減噪的數(shù)字信息。 對(duì)于溫度信號(hào)，發(fā)射端使用的傳感器傳輸?shù)木褪?8 位溫度數(shù)據(jù)，不用擔(dān)心與串口數(shù)據(jù)位數(shù)不一致的問(wèn)題。 STM32 單片機(jī)定時(shí)器 STM32 有很強(qiáng)大的定時(shí)器功能，有 TIME1 和 TIME8 等高級(jí)定時(shí)器，也有 TIMETIME7 等基本定時(shí)器和 TIME2 到 TIME5 的通用定時(shí)器。本設(shè)計(jì)中使用了通用定時(shí)器3 和通用定時(shí)器 4， STM32 的通用定時(shí)器通過(guò)可編程預(yù)分頻器驅(qū)動(dòng)的計(jì)數(shù)器構(gòu)成，具有 16 位向上、向下、向上 /下自動(dòng)裝載功能，計(jì)數(shù)器可設(shè)置 165526 之間任何值的時(shí)鐘頻率分頻系數(shù)，它可以應(yīng)用于：產(chǎn)生輸出波形（比較和 PWM）或測(cè)量輸入信號(hào)的脈沖長(zhǎng)度（輸入信號(hào)捕獲）等多種場(chǎng)合。它的脈沖長(zhǎng)度和波形周期可以通過(guò) RCC 時(shí)鐘控制器預(yù)分頻器和定時(shí)器預(yù)分頻器在 幾個(gè)微秒到幾個(gè)毫秒之間進(jìn)行調(diào)整。 [5]STM32 的每個(gè)通用定時(shí)器包含（ TIMx_CH14） 4 個(gè)獨(dú)立通道，并且沒(méi)有互相共享的資源，完全獨(dú)立。這些通道可以作為輸入比較、輸入捕獲、單脈沖模式輸出、 PWM 生成，同時(shí)它也可以與中斷配合產(chǎn)生更強(qiáng)大的功能，如果發(fā)生計(jì)數(shù)器向上/向下溢出、計(jì)數(shù)器初始化或輸入捕獲等事件，則會(huì)產(chǎn)生中斷。通用定時(shí)器框圖如圖 所示。 基于單片機(jī)的紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)（接收部分） 13 圖 通用定時(shí)器框圖 定時(shí)器的計(jì)數(shù)模式分為向上計(jì)數(shù)模式、向下計(jì)數(shù)模式和中央對(duì)齊模式，本設(shè)計(jì)采用了向上計(jì)數(shù)模式，定時(shí)器時(shí)鐘選擇為內(nèi)部時(shí)鐘。通用定時(shí)器可以 選擇內(nèi)部時(shí)鐘、外部輸入時(shí)鐘、外部觸發(fā)時(shí)鐘和內(nèi)部觸發(fā)時(shí)鐘，即使用一個(gè)定時(shí)器作為另一個(gè)定時(shí)器的與分頻器。通用定時(shí)器可工作于 PWM 模式，可以由自動(dòng)重裝載寄存器 TIMx_ARR 確定頻率、由捕獲 /比較寄存器 TIMx_CCRx 確定占空比的信號(hào)，定時(shí)器邊沿對(duì)齊的 PWM 信號(hào)或中央對(duì)齊的 PWM 信號(hào)的產(chǎn)生是根據(jù) TIMx_CR1 定時(shí)器控制寄存器中 CMS 位狀態(tài)判斷的。本設(shè)計(jì)用定時(shí)器 4 中斷來(lái)判斷紅外信號(hào)是否進(jìn)行傳輸，通過(guò)與單片機(jī) IO 口 PB5 控制的 LED 燈顯示。用定時(shí)器 3 邊沿對(duì)齊模式來(lái)產(chǎn)生PWM 供后面的低通濾波器使用。 濾波電 路模塊設(shè)計(jì) 處理器的 DAC 輸出模擬信號(hào)后還有高頻成分，需要將其濾除，只留 300Hz 到3400Hz 的語(yǔ)音信號(hào)，本設(shè)計(jì)分別設(shè)計(jì)了高通濾波器和低通濾波器，組成