【文章內容簡介】 rtexM3,它采用 ARMv7M 構架。 ARM 成立于 1990 年，是蘋基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設計（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 架構的 ARM 處理器，它加入了經(jīng)過優(yōu)化的 Thumb2 指令集，這是現(xiàn)在最前衛(wèi)的新技術。 Cortex系列是 v7 架構的第一次亮相，其中 CortexM3 就是按款式 M 設計的，它不僅支持16 位的 Thumb 指令集和基本的 32 位 Thumb2 指令集架構，而且擁有很多新特性。與 ARM7 TDMI 相比， CortexM3 擁有的性能更強勁、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。 CortexM3 的中斷處理完全基于硬件進行，可減少的時鐘周期數(shù)最多可達 12 個，在應用中可節(jié)約 70%的中斷；同時 CortexM3采用了單線調試（ Single Wire）這種新型技術，能夠減少非常多的調試工具費用，其中還集成了大部分存儲器控制器，這樣設計人員可以直接將 Flash 外接在 MCU上，降低了應用障礙和設計難度。作為 CortexM3 內核最先嘗 蟹的公司之一， ST在技術支持方面都遠遠超過其他對手，其生產(chǎn)的 STM32F103 系列單片機擁有包括：FSMC、 TIMER、 SPI、 IIC、 USB、 CAN、 IIS、 SDIO、 ADC、 DAC、 RTC、 DMA 等外設及功能和 84 個中斷， 16 級可編程優(yōu)先級，非凡的功耗控制，而且它的開發(fā)成本低，具有極高的集成度。相對于傳統(tǒng)的 51 單片機，它的實時性更好，功能更強大，處理速度和能力都很強。 [4] 本設計處理器平臺 STM32F103ZET6 來自于星翼電子科技有限公司所做的戰(zhàn)艦ALIENTEK STM32 開發(fā)板，該開發(fā)板將 STM32 的資源開發(fā)到了極致，基于所用 STM32的內部資源都可以在此板上得到驗證，配套的軟件資料分為庫函數(shù)版本和寄存器版本，將內部控制寄存器的函數(shù)打包，不用自己一點點追究每一個控制位的設置，使用起來很方便，它的最小系統(tǒng)原理圖如圖 所示： 圖 STM32F103ZET6 單片機最小系統(tǒng) 本設計用了此單片機的外部中斷、串口通信、 DA 轉換、定時器等硬件資源，加上軟件上的設計，構成了本設計的處理核心。 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設計（接收部分） 8 STM32 單片機中斷系統(tǒng) STM32 單片機的 EXTI 控制器支持多達 19 個外部中斷事件請求，每個中 斷設有狀態(tài)位，有獨立的觸發(fā)和屏蔽設置，檢測脈沖寬度低于 APB2 時鐘寬度的外部信號。[5]它的每一個 IO 口都可以設為外部中斷輸入，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 /事件線路映像如圖 所示。 圖 外部中斷通用 I/O映像 STM32 單片機中斷系統(tǒng)有很多與之相關的寄存器，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。通過配置這些寄存器就可以使用單片機的外部中斷了，本設計所應用的就是它的邊沿觸發(fā)方式， 由單片機 IO 口 PEPE3 管腳輸入，實時根據(jù)接收傳感器輸出的跳變沿控制內部 IO 口 PA0 管腳輸出信號波形。 STM32 單片機串口通信 通信有并行和串行兩種方式，在單片機系統(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上逐個傳送，對于一個字節(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。 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設計（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。同步通信時要保證發(fā)送方時鐘直接對接收方時鐘控制的建立，使收發(fā) 雙方達到完全同步，保持位同步和字符同步關系；異步通信指的是通信發(fā)送與接收設備使用各自的時鐘來控制數(shù)據(jù)的傳輸過程，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部分：起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位，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與單片機或單片機與計算機之間的通信。 STM32 單片機具有通用同步異步收發(fā)器 (USART)與外部設備之間進行數(shù)據(jù)交換，具有 NRZ（不歸零碼）標準格式，可編程數(shù)組字長度 8 位或 9 位，支持 1 或 2個的停止位。 [5]任何 USART 雙向通信至少需要兩個引腳：接收數(shù)據(jù)輸入（ RX）和發(fā)送數(shù)據(jù)輸出（ TX），本設計作為紅外通信系統(tǒng)的接收部分，使用到了 USART 的接收數(shù)據(jù)輸入端（ RXD）， RX 通過過采樣技術來區(qū)分噪音和數(shù)據(jù)，從而恢復數(shù)據(jù)。STM32F103 單片機最多包含有五路串口，有支持同步單線通信和半雙工單線通訊、基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設計（接收部分） 10 分數(shù)波特率發(fā)生器、支持調制解調器操作、具有 DMA、智能卡協(xié)議、支持 LIN 和IrDA SIR ENDEC 規(guī)范等。 STM32 具有一個狀態(tài)寄存器（ USART_SR）、一個數(shù)據(jù)寄存器（ SUART_DR）、每 個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)，可以用來設置不同的波特率。波特率的單位是 bps（位 /秒），被定義為每秒傳輸二進制代碼的位數(shù)。 STM32 的串口波特率計算公式如下： ）（波特率 US A R T DI VRxTx P C L K*16 f/ x? （ ） 此式中， PCLKxf 是給串口的時鐘， USARTDIV 為一個無符號定點數(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，也就可以推導出 USARTDIV 的值。 [7]一般我們更關心的是如何從 USARTDIV 的值得到 USART_BRR 的值，因為一般我們知道的是波特率和 PCLKx的時鐘，要求的就是 USART_BRR 的值。本設計設置 STM32 單片機 USART 波特率為115200bps，以防語音信號不能及時傳輸。 STM32單片機的 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 字長設置 在使用其串口時要對其進行初始化，初始化是不用設置奇偶校驗位的，本設計使用的是 9 位數(shù)據(jù)傳輸，設置了 1 位奇偶校驗位和 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)寄存基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設計（接收部分） 11 器 USART_DR 來實現(xiàn)的，它是一個雙寄存器，包含 TDR 和 RDR 兩個，當向它寫數(shù)據(jù)時串口會自動發(fā)送數(shù)據(jù)；當有數(shù)據(jù)收到的時候，也存在該寄存器內。通過串口狀態(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，同時可以開啟 STM32 單片機的串口中斷，一個字符被接收到時， RXNE位被標記，進步中斷函數(shù)。本設計就是在串口接收到數(shù)據(jù)后直接進入串口中斷函數(shù)，在中斷中判斷數(shù)據(jù)類型以及將數(shù)據(jù)分配給不同的硬件資源。 STM32 單片機 DAC 大容量的 STM32F103 單片機具有內部 DAC，本設計所用的單片機是帶有 DAC 模塊的。 STM32 的 DAC 數(shù)字 /模擬轉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為模式的時候，可以設置數(shù)據(jù)為左對齊方式或右對齊方式，它的輸 出通道有兩個，每個通道都有單獨的轉換器；在雙 DAC 模式下，兩個通道可以獨立地進行轉換，也可同時進行并同步更新兩個通道輸出。 DAC 的精確轉換結果可以通過引腳輸入?yún)⒖茧妷?VREF+來獲得，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 通過設置 DAC 數(shù)據(jù)保持寄存器的值就可以在 DAC 輸出端到得到相關的電壓。本設計用的是 DAC 通道 1 的 12 位右對齊數(shù)據(jù)保持寄存器 DAC_DHR12R1,向其寫入12 為數(shù)據(jù)，由單片機 PA4 管腳輸出轉換結果。當 DAC 的參考電壓為 Vref+的時候，DAC 的輸出電壓是線性的從 0Vref+， 12 為模式下的 DAC 輸出電壓與 Vref+及 DORx基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設計（接收部分） 12 的計算公式如下： )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置 DA 輸出緩存位，因為 STM32 的 DA 輸出帶負載能力不是很強，如果后接運放的話會消弱信號波形， STM32 的 DAC 的內部集成了 2個輸出緩存，用來減少輸出阻抗，無需外部運算放大器就可以直接驅動外部負載。[5]每個 DAC通道可以通過設 置 DAC_CR寄存器的 BOFFx位來使能或者關閉輸出緩存。設置了 DAC 的輸出緩存后，帶負載能力加強，但是 STM32 的 DAC 緩存設置后輸出不是軌到軌的，最低輸出電壓不能達到 0V，為此我們可以在發(fā)射端對語音信號做調整，也可以不使用 DAC 緩存，而是后加電壓跟隨器做緩沖，無論那種方法都可以是信號傳輸至后級。本設計對兩種方法都做了設置，即設置了 DAC 緩存位，也用 NE5532 運放設計了電壓跟隨器，可以根據(jù)需要做調整。 本設計 DAC 輸出 IO 口為 PA4，轉換的是 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 位語音信號右移了 4位，截取高 8 位，舍棄最后 4 位的數(shù)據(jù)，再通過串口發(fā)送。本設計在程序中將接收到的 8 位的語音數(shù)據(jù)向左移動了 4 位，擴展成 12 位數(shù)據(jù)，這樣就可以送給 DAC進行轉換。在發(fā)射端截取數(shù)據(jù)時，由低 4 位產(chǎn)生的最大誤差電壓為 ，可以認為同時夾雜著噪聲信號，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)過減噪的數(shù)字信息。 對于溫度信號，發(fā)射端使用的傳感器傳輸?shù)木褪?8 位溫度數(shù)據(jù)，不用擔心與串口數(shù)據(jù)位數(shù)不一致的問題。 STM32 單片機定時器 STM32 有很強大的定時器功能，有 TIME1 和 TIME8 等高級定時器，也有 TIMETIME7 等基本定時器和 TIME2 到 TIME5 的通用定時器。本設計中使用了通用定時器3 和通用定時器 4， STM32 的通用定時器通過可編程預分頻器驅動的計數(shù)器構成，具有 16 位向上、向下、向上 /下自動裝載功能，計數(shù)器可設置 165526 之間任何值的時鐘頻率分頻系數(shù)，它可以應用于：產(chǎn)生輸出波形（比較和 PWM）或測量輸入信號的脈沖長度（輸入信號捕獲）等多種場合。它的脈沖長度和波形周期可以通過 RCC 時鐘控制器預分頻器和定時器預分頻器在 幾個微秒到幾個毫秒之間進行調整。 [5]STM32 的每個通用定時器包含（ TIMx_CH14） 4 個獨立通道，并且沒有互相共享的資源，完全獨立。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，同時它也可以與中斷配合產(chǎn)生更強大的功能，如果發(fā)生計數(shù)器向上/向下溢出、計數(shù)器初始化或輸入捕獲等事件，則會產(chǎn)生中斷。通用定時器框圖如圖 所示。 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設計（接收部分） 13 圖 通用定時器框圖 定時器的計數(shù)模式分為向上計數(shù)模式、向下計數(shù)模式和中央對齊模式，本設計采用了向上計數(shù)模式，定時器時鐘選擇為內部時鐘。通用定時器可以 選擇內部時鐘、外部輸入時鐘、外部觸發(fā)時鐘和內部觸發(fā)時鐘，即使用一個定時器作為另一個定時器的與分頻器。通用定時器可工作于 PWM 模式，可以由自動重裝載寄存器 TIMx_ARR 確定頻率、由捕獲 /比較寄存器 TIMx_CCRx 確定占空比的信號，定時器邊沿對齊的 PWM 信號或中央對齊的 PWM 信號的產(chǎn)生是根據(jù) TIMx_CR1 定時器控制寄存器中 CMS 位狀態(tài)判斷的。本設計用定時器 4 中斷來判斷紅外信號是否進行傳輸，通過與單片機 IO 口 PB5 控制的 LED 燈顯示。用定時器 3 邊沿對齊模式來產(chǎn)生PWM 供后面的低通濾波器使用。 濾波電 路模塊設計 處理器的 DAC 輸出模擬信號后還有高頻成分，需要將其濾除，只留 300Hz 到3400Hz 的語音信號，本設計分別設計了高通濾波器和低通濾波器，組成