【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 rs，即應(yīng)用處理器。 A 系列現(xiàn)在主要有 A 5 A8以及 A9三個(gè)子系列。其中的 CortexA9是目前支持 ARMv7架構(gòu)的性能最強(qiáng)的 ARM 處理器，并支持多核。 R 系列即為 Realtime applications，目前主要有 Cortex R4系列。 Cortex R 系列保持了與不帶 MMU 的傳統(tǒng) ARM 處理器的代碼兼容，即傳統(tǒng) ARM 芯片的程序不需要重新編譯就可在 Cortex R4上面運(yùn)行。 M 系列的 M 即為 Money,Cortex M 系列對(duì)成本及功耗進(jìn)行了優(yōu)化。目前主要有 M0、M M M4四個(gè)子系列。其中 Cortex M4是 ARM 最新的嵌入式處理器，其增加了數(shù)字信號(hào)處理的功能。另外， ARM 公司為 Cortex M 系列微控制器開(kāi)發(fā)了 Cortex 微控制器軟件接口標(biāo)準(zhǔn)（ CMSIS） ,該標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)與 MCU 供應(yīng)商獨(dú)立的硬件抽象層， CMSIS 簡(jiǎn)化了軟件設(shè)計(jì)，基于 CMSIS 標(biāo)準(zhǔn)的軟件架構(gòu)主要分為以下 4層：用戶應(yīng)用層、操作系統(tǒng)及中間件接口層、 CMSIS 層、硬件寄存器層。其中 CMSIS 層起著承上啟下的作用 [1]。 Cortex M3是目前應(yīng)用最多的產(chǎn)品，其內(nèi)部框架如圖 11所示。其中主要包括處理器內(nèi)核、中斷控制器、調(diào)試單元、總線單元以及內(nèi)存保護(hù)單元。 圖 11 目前 Cortex M3的產(chǎn)品主要有意法半導(dǎo)體的 STM32系列，德州儀器的 LM3S 系列以及恩智浦的 LPC 1300/1700系列。下面主要介紹意法半導(dǎo)體的 STM32系列。 . STM32 系列芯片概述 STM32 系列 32 位閃存微控制器使用來(lái)自于 ARM 公司具有突破性的 CortexM3 內(nèi)核，該內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)于滿足集高 性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競(jìng)爭(zhēng)性價(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求。 CortexM3 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的增強(qiáng)，讓 STM32 受益無(wú)窮； Thumb2指令集帶來(lái)了更高的指令效率和更強(qiáng)的性能。 STM32 系列 MCU 給用戶帶來(lái)了前所未有 6 的自由空間，提供了全新的 32 位產(chǎn)品選項(xiàng)，結(jié)合了高性能、實(shí)時(shí)、低功耗、低電壓等特性，同時(shí)保持了高集成度和易于開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)。 意法半導(dǎo)體的 STM32 系列目前主要包括 3 個(gè)大系列 : ? STM32F 系列， 32 位 ARM Cortex 基礎(chǔ)型微控制器。 ? STM32L 系列， 32 位超低功耗微控制器。 ? STM32W 系列， 32 位 ARM Cortex 射頻微控制器。 STM32F10X 系列目前有 5 個(gè)產(chǎn)品線： STM32F100（ Value Line）、 STM32F101（基本型）、STM32F102（ USB 基本型）、 STM32F103（增強(qiáng)型）、 STM32F105/STM32F107（互聯(lián)型）。如圖 12 所示。 圖 12 目前最高版本的 STM32F103XG 支持 1MB Flash 和 96KB RAM。 . CAN 總線概述 CAN總線是德國(guó) BOSCH公司從 80年代初為解 決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率可達(dá) 1MBPS。 CAN 總線通信接口中集成了 CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。 CAN 協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí) 7 碼可由 11位或 29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義 211或 229個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為 8個(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)， 8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。 CAN 協(xié)議采用 CRC 檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。 CAN 卓越的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來(lái)越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一 [2]。 CAN 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如 圖 13所示 圖 13 . SD 卡概述 SD 卡（ Secure Digital Memory Card）中文翻譯為安全數(shù)碼卡，是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，它被廣泛地于便攜式裝置上使用，例如數(shù)碼相機(jī)、個(gè)人數(shù)碼助理 (PDA)和多媒體播放器等。 SD 卡由日本松下、東芝及美國(guó) SanDisk 公司 8 于 1999 年 8 月共同開(kāi)發(fā)研制。大小猶如一張郵票的 SD 記憶卡，重量只有 2 克，但卻擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動(dòng)靈活性以及很好的安全性 。 SD卡結(jié)構(gòu)如圖 14 所示 圖 14 圖 15 SD 卡有 2 種可選的通信協(xié)議： SD 模式和 SPI 模式。 SD 模式是 SD 卡的標(biāo)準(zhǔn)讀寫方式，選用此模式需要選擇帶 SD 卡控制接口的 MCU 或者額外的 SD 卡控制單元； SPI模式通過(guò) SPI總線完成 SD卡與主控制器的通信。單片機(jī)控制 SD 卡一般采用 SPI 模式。 SPI 模式下 SD卡引腳如圖 15 所示。 . FATFS 文件系統(tǒng)概述 FATFS 即 FAT File System， FATFS 是專為 小型嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) FAT 文件系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)的通用的文件系統(tǒng)模型。它是用標(biāo)準(zhǔn) C 編寫的與硬件架構(gòu)無(wú)關(guān)的文件系統(tǒng)模型。它可以不經(jīng)任何改變而移植到一些低價(jià)的微控制器上面。 FATFS 在系統(tǒng)中的位置如圖16 所示。 FATFS 具有如下特點(diǎn)： 圖 16 ? 與 Windows 完全兼容的 FAT 文件系統(tǒng)。 ? 與硬件平臺(tái)無(wú)關(guān)，便于移植。 ? 占用很小的 ROM 及 RAM。 ? 各 種配置選項(xiàng)：多個(gè)卷（物理驅(qū)動(dòng)器和分區(qū)）、 RTOS、長(zhǎng)文件名、只讀等。 此外 FATFS還有一個(gè)子集 Petit FatFs，它是專為小型 8位微控制器實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)的。它具有非常小的代碼以及占用非常小的 RAM的特點(diǎn)。 FATFS提供了應(yīng)用程序接口，可以很方便的對(duì) FAT卷進(jìn)行操作 [3]。 2. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) . 總體方案概述 基于 STM32F103xB 的多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的 整體結(jié)構(gòu)圖如圖 21 所示 9 圖 21 其中溫度傳感器采用高精度的鉑電阻 PT100，通過(guò)從節(jié)點(diǎn) STM32 內(nèi)部自帶的 12 位AD 將溫度值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。然后將數(shù)字形式的溫度值通過(guò) CAN 總線傳到 CAN 主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口各從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送到 Delphi 編寫的上位機(jī)軟件，上位機(jī)對(duì)各點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線顯示并進(jìn)行存貯。在沒(méi)有上位機(jī)的場(chǎng)合，主節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)以文本文檔的形式存儲(chǔ)在主節(jié)點(diǎn)的 SD 卡中。 . 系統(tǒng)上位機(jī)概述 上位機(jī)選用運(yùn)行 Windows XP 的 PC， Windows XP 具有穩(wěn)定性好、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。上位機(jī)軟件編程語(yǔ)言采用 Delphi， Delphi 是 Windows 平臺(tái)下著名的快速應(yīng) 用程序開(kāi)發(fā)工具， Delphi 是一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（ IDE），使用的核心是由傳統(tǒng) Pascal 語(yǔ)言發(fā)展而來(lái)的 Object Pascal，以圖形用戶界面為開(kāi)發(fā)環(huán)境，透過(guò) IDE、 VCL 工具與編譯器，配合連結(jié)數(shù)據(jù)庫(kù)的功能，構(gòu)成一個(gè)以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)為中心的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具。Delphi 有強(qiáng)大的可視化控件庫(kù)（ VCL）， VCL 是 Delphi 的核心，它擴(kuò)展了 Delphi 的功能。本系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)主要用到了以下兩個(gè)控件： SPCOMM（串口控件）和 TeeChart（圖形控件）。該上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)了五個(gè)功能： ? 實(shí)時(shí)曲線顯示當(dāng)前各 從節(jié)點(diǎn)的溫度 ? 打印實(shí)時(shí)曲線 10 ? 將實(shí)時(shí)曲線保存為圖片 ? 將實(shí)時(shí)曲線的數(shù)據(jù)保存為 TXT 文檔 ? 實(shí)時(shí)溫度超過(guò)報(bào)警值時(shí)報(bào)警 . 系統(tǒng)下位機(jī)概述 系統(tǒng)下位機(jī)即 CAN 主節(jié)點(diǎn)，下位機(jī)微控制器采用 STM32F103RBT6，下位機(jī)通過(guò)串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。下位機(jī)起到協(xié)議轉(zhuǎn)換器的作用，實(shí)現(xiàn) CAN 總線協(xié)議和串口協(xié)議之間的橋接，即下位機(jī)接受 CAN 從節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，將其按照一定的格式通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)。下位機(jī) CAN 收發(fā)器采用 NXP 的高速收發(fā)器 TJA1040。 RS232 電平轉(zhuǎn)換芯片采用 MAX3232。此外，下位機(jī)還有 SD 卡模塊， SD 卡通過(guò) SPI 總線與 STM32 通信，并移植了 FATFS 文件系統(tǒng)，可以把各從節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)值存儲(chǔ)在 SD 卡中。 . CAN 從節(jié)點(diǎn)概述 CAN 從節(jié)點(diǎn)微控制器采用 STM32F103RBT6， CAN 從節(jié)點(diǎn)的站地址由撥碼開(kāi)關(guān)選擇。溫度傳感器 PT100 接在傳感器測(cè)量電橋的一個(gè)橋臂上，從電橋獲取的差分信號(hào)通過(guò)兩級(jí)運(yùn)放放大后輸入 STM32。經(jīng) STM32 內(nèi)部 AD 轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)值。此數(shù)字值通過(guò) CAN 總線傳送到 CAN 主節(jié)點(diǎn)。 3. 系統(tǒng)硬件選型與電路原理圖設(shè)計(jì) . 硬件選型 本系統(tǒng)采用主節(jié)點(diǎn) +從節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，主節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn) CAN 總線 和串口協(xié)議之間的橋接。 CAN 總線的實(shí)現(xiàn)一般有兩種方法： MCU+獨(dú)立 CAN 控制器， 直接選用帶 CAN控制器的 MCU。由于獨(dú)立 CAN 控制器價(jià)格一般比較貴，這里直接選用帶 CAN 控制器的MCU?；?Cortex M3 內(nèi)核的 STM32 系列微控制器自上市以來(lái)，以市場(chǎng)定位優(yōu)勢(shì)與技術(shù)領(lǐng)先，贏得各種大規(guī)模應(yīng)用的龍頭企業(yè)的青睞。 STM32F10X 功能框圖如圖 31 所示。 11 圖 31 其中增強(qiáng)型 STM32F103 系列帶有 CAN 控制器，可以滿足本系統(tǒng)的需求。在兼顧成本和功能以及為以后的擴(kuò)展留出一定余量的基礎(chǔ)上，本 系統(tǒng)選擇具有 128KB Flash 和