【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 支持、標(biāo)準(zhǔn)豐富的 API，以及 TCP／ IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。 多任務(wù)實(shí)現(xiàn)方式 有 實(shí)時(shí)進(jìn)程和普通進(jìn)程 之分 ，分別采用先來(lái)先服務(wù)和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度 的方式來(lái)完成。 因?yàn)?系統(tǒng)中存在有許多中斷的底半處理，所以會(huì)引起系統(tǒng)中斷處理的延時(shí)。所以其多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)需要一定技巧 。 方案三：使用 uC/OSII 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。 uC/OSII 是一個(gè)源代碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式內(nèi)核，包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、簡(jiǎn)單內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信與同步等實(shí)時(shí)系統(tǒng)所需的基本功能。在 uC/OS II 操作系統(tǒng)下，將程序按功能劃分成不同的任 務(wù)，這樣可以提高程序執(zhí)行的效率。而且 uC/OS II 簡(jiǎn)單易學(xué)。 通過(guò)以上比較，本系統(tǒng)采用 uC/OSII 為 控制器的 操作系統(tǒng) 9 第三章 ． 控制器的 硬件 設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、流量、液位等的精確測(cè)量、顯示 , 同時(shí)輸出數(shù)字或位式開(kāi)關(guān)控制信號(hào) , 對(duì)被測(cè)量對(duì)象進(jìn)行有效的正作用或反作用控制 , 我們利用從最底層著手，設(shè)計(jì)了模塊化工業(yè)控制器。分別從系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)思路做起，完成了模塊化工業(yè)控制器的完整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 主控芯片 STM32 是選用來(lái)自于 ARM 公司具有突破性的 CortexM3 內(nèi) 核的 32 位閃存微控制器。該內(nèi)核是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)于滿(mǎn)足集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競(jìng)爭(zhēng)性?xún)r(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求。 STM32 的出現(xiàn)給 MCU 用戶(hù)前所未有的自由空間，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)，再加上豐富的外設(shè)和有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格，得到了市場(chǎng)上高度的認(rèn)可，使得它成為眾多商家的第一選擇。 STM32 有兩個(gè)系列增強(qiáng)型和基本型。 STM32F103 是增強(qiáng)型系列，工作在 72 MHz，帶有片內(nèi) RAM 和豐富的外設(shè)。 STM32F101 是基本型系列，工作在 36 MHz。兩個(gè)系列的產(chǎn)品擁有相同的片內(nèi)閃存選項(xiàng)，在軟件和引腳封裝方面兼容。均可以用于顯示、聲音、存儲(chǔ)和高級(jí)控制；兼有低功耗和多種省電工作模式，能夠優(yōu)化工業(yè)設(shè)備、物業(yè)控制設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備和計(jì)算機(jī)外設(shè)等產(chǎn)品的性能。 STM32增強(qiáng)型 STM32F103ZE的 工作頻率為 72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器 (高達(dá) 128K字節(jié)的閃存和 20K字節(jié)的 SRAM)，豐富的增強(qiáng) I/O端口和聯(lián)接到兩條 APB總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含 2個(gè) 12位的 ADC、 3個(gè)通用 16位定時(shí)器和一個(gè) PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá) 2個(gè) I2C和 SPI、 3個(gè) USART、一個(gè) USB和一個(gè) CAN。 STM32F103ZE 的具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如 圖 31所示： 10 圖 31 STM32F103ZE 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 在本次設(shè)計(jì)中，我們采用 STM32系列 32位閃存微控制器作為我們的主控制芯片，并在該 STM32F103ZET7開(kāi)發(fā)板移植加入嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行模塊控制器的設(shè)計(jì)。 供電電源模塊 日常生活供電電壓一般為 220V 或者更高，但是 本系統(tǒng) 的 USB 接口供電電壓為 5V，選 用 的 主芯片 STM32 工作電壓在 ， 所以在設(shè)計(jì)中， 需 要設(shè)計(jì) 電源 轉(zhuǎn)化電路，由于外界提供的電 壓可能不穩(wěn)定， 也 可能含有低頻、高頻成分的 干擾成分 ，需要電容、電感對(duì)其濾除。 首先我們選取一個(gè)能產(chǎn)生 直流 5電壓 V的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，然后在開(kāi)發(fā)板 中 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化電路，將 5V 電壓轉(zhuǎn)化為 ,保證系統(tǒng)的正常工作。 我們選擇 AMS1117 作為系統(tǒng)的穩(wěn)壓器 芯片， AMS1117 器件引腳上兼容其他三端 SCSI 穩(wěn)壓器，提供適用貼片安裝的SOT223， 8 引腳 SOIC，和 TO252(DPAK)塑料封裝。在最大輸出電流時(shí)， AMS1117 器件的壓差保證最大不超過(guò) ，并隨負(fù)載電流的減小而逐漸降低。因此 用來(lái)為 STM32 芯片供電 非常合適 ，具體電路如 圖 32 所示： 圖 32 電源轉(zhuǎn)換電路圖 如上圖的電路設(shè)計(jì)，首先是 5V 電壓源的接口電路， 先 連接轉(zhuǎn) 換 開(kāi)關(guān)，然后連接AMS1117 芯片，輸出 電壓給 STM32 芯片供電。 11 晶振電路的設(shè)計(jì) 晶振時(shí)鐘電路對(duì)單片機(jī)至關(guān)重要，它相當(dāng)于單片機(jī)的心臟，為 系統(tǒng)工作提供脈沖 時(shí)鐘信號(hào) 。本系統(tǒng)的時(shí)鐘電路如 圖 33所示： 圖 33 時(shí)鐘電路 圖 X1和 X2 分別與單片機(jī)的 XTAL1 和 XTAL2 引腳相接，它們分別為用作片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出，本設(shè)計(jì)選用的晶振頻率為 8MHZ，單片機(jī)內(nèi)部提供一個(gè) PLL倍頻器， 使 STM32 工作的晶振頻率為 72MHZ，這樣能夠大大提高單片機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度，提高儀器的快速檢測(cè)能力。 JTAG 下載電路的設(shè)計(jì) JTAG 也是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議（ 兼容），主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試。現(xiàn)在多數(shù)的高級(jí)器件都支持 JTAG 協(xié)議 ,如 DSP、 FPGA、單片機(jī)器件等。標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG 接口是4 線： TMS、 TCK、 TDI、 TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。本 設(shè)計(jì)中 的 JTAG 調(diào)試單元電路如 圖 34所示： 圖 34 JTAG 接口電路 設(shè)計(jì)中相關(guān) JTAG 引腳的定義為： TCK 為測(cè)試時(shí)鐘輸入； TDI 為測(cè)試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過(guò) TDI 引腳輸入 JTAG 接口； TDO 為測(cè)試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過(guò) TDO 引腳從 JTAG 接口輸出； TMS 為測(cè)試模式選擇， TMS 用來(lái)設(shè)置 JTAG 接口處于某種特定的測(cè)試模式； TRST 為測(cè)試復(fù)位，輸入引腳，低電平有效。 12 RS485接口電路 在 本系統(tǒng) 中， 各模塊之間的通信 采用 Modbus 協(xié)議。 Modbus 協(xié)議的物理層一般都采用 RS485 半雙工結(jié)構(gòu)作為通信接口標(biāo)準(zhǔn)。 RS485 是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn) ， 由電子工業(yè)協(xié)會(huì)（ EIA） 1983 年在 RS422 基礎(chǔ)上 制定并發(fā)布了 RS485 標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍 。 在通信距離為幾十米到上千米時(shí)， RS485 收發(fā)器被廣泛使用。 RS485 收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收， 能有效克服共模干擾、抑制線路噪聲 ,加上接收器具有高的靈敏度，能檢測(cè)低達(dá) 200mV 的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。 在設(shè)計(jì)中我們就采用 TI公司的 SN75LBC184作 RS485收發(fā)器 , 它是一種具有瞬變電壓抑制的收發(fā)器 ,可以防止因靜電放電 (ESD)對(duì)收發(fā)器造成的損壞。它能夠?qū)纹瑱C(jī)的邏輯電平經(jīng)過(guò)光耦 6N137 隔離后轉(zhuǎn)換成 485 差分信號(hào)在總線上傳輸。 標(biāo)準(zhǔn) Modbus 端口是使用一個(gè) RS485 的串行接口，定義了連接器，接線電纜，信號(hào)等級(jí)，傳輸波特率，和奇偶校驗(yàn)，控制器可直接或通過(guò)調(diào)制解調(diào)器 (以后簡(jiǎn)稱(chēng) Modems)接入總線 (網(wǎng)絡(luò) )。 RS485 接口原理圖 如 圖 35 所示： 圖 35 RS485 接口原理圖 LCD 顯示模塊 LCD 顯示屏以其低功耗，具有字符和點(diǎn)陣顯示功能，已廣泛用于便捷式儀器，越來(lái)越多的應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域。很多微控制器電路芯片內(nèi)集成 有 LCD 控制器，可以直接驅(qū)動(dòng)LCD 顯示，運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù)通過(guò) CPU 處理轉(zhuǎn)換后寫(xiě)入顯示寄存器中，最后送到顯示驅(qū)動(dòng)單元輸出。不同的 MCU 母體來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的產(chǎn)生方式各不相同。利用 LCD 可以構(gòu)建一個(gè)非常友好的人機(jī)交互界面。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 LCD 顯示模塊采用 320*240 的 ILI9320 液晶顯示， ILI9320 是手機(jī)常 13 用的彩屏控制器，采用 16bit 并行總線方式，端口映射到 DSP 的 I/O 空間，彩屏具有 4個(gè)背光 LED 燈（控制端為 LED1~LED4），采用三極管 9012 鏈接共陽(yáng)極 LEDA，是背光受控于 DSP 的 PE3 腳，若一段時(shí) 間內(nèi)未觸摸屏幕，控制 PE3 腳為高，是背光熄滅，降低系統(tǒng)功耗，彩屏與 4 線電阻式觸摸屏緊貼在一起。 圖 36 ILI9320 控制電路圖 在控制芯片選用好后，將其分別集成與 TFT 顯示屏上做成 20 管腳的集成芯片，并且和 STM32 芯片的顯示端 PG 接口連接，以控制數(shù)據(jù)的顯示。 本系統(tǒng)使用的 LCD 具有觸摸功能，觸摸屏控制芯片為 ADS7483,。供電電壓 ~5 V，參考電壓 VREF 為 1V~+VCC，轉(zhuǎn)換電壓的輸入范圍為 0~ VREF，最高轉(zhuǎn)換速率為 125 kHz。 ， ADS7843 觸摸屏接口是 TI 公司生產(chǎn)的 4線電 阻觸摸屏轉(zhuǎn)換接口芯片，它 是一個(gè)內(nèi)置12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換、低導(dǎo)通電阻模擬開(kāi)關(guān)的串行接口芯片。 在 125kHz 吞吐速率和 電壓下的功耗為 750uW,而在關(guān)閉模式下的功耗僅為 。因此， ADS7843 以其低功耗和高速率等特性，被廣泛應(yīng)用在采用電池供電的小型設(shè)備上 。 ADS7843 的引腳如圖 37所示： 圖 37 ADS7843 引腳圖 14 觸摸屏的電阻膜示意圖如圖 38所示： 圖 38 觸摸屏的電阻膜示意圖 觸摸屏工作時(shí)，上下導(dǎo)體層相當(dāng)于電阻網(wǎng)絡(luò)，如圖 38所示。當(dāng)某一層電極加上電壓時(shí)，會(huì)在該網(wǎng)絡(luò)上形 成電壓梯度。當(dāng)外力使上下兩層在某一點(diǎn)接觸，則在未加電壓的另一層電極可以測(cè)得接觸點(diǎn)處的電壓，從而知道接觸點(diǎn)處的坐標(biāo)。比如，在頂層的電極(X+,X－ )上加上電壓，則在頂層導(dǎo)體層上形成電壓梯度，當(dāng)外力使上下兩層在某一點(diǎn)接觸，在底層就可以測(cè)得接觸點(diǎn)處的電壓，可根據(jù)該電壓與電極 (X+)之間的距離關(guān)系，知道該處的 X坐標(biāo)。然后，將電壓切換到底層電極（ Y+,Y－）上，并在頂層測(cè)量接觸點(diǎn)處的電壓，從而得到 Y 坐標(biāo)。根據(jù)觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)便可設(shè)置程序去完成不同的功能。 ADS7843 是一款連續(xù)近記錄（ SAR）的 A/D 轉(zhuǎn)換器，本實(shí)訓(xùn)中通 過(guò)連接觸摸屏 X+將觸摸信號(hào)輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換器，同時(shí)打開(kāi) Y+和 Y驅(qū)動(dòng)，然后數(shù)字化 X+的電壓，從而得到當(dāng)前 Y位置的測(cè)量結(jié)果，同理也得到 x 方向的坐標(biāo)。具體外設(shè)電路如 圖 39 所示 ： 圖 39 觸摸屏接口的電路圖 15 第 四 章．控制器的 軟 件 設(shè)計(jì) 開(kāi)發(fā)工具介紹 本實(shí)訓(xùn)軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境使用的是 Real View MDK(Keil uv4)軟件， Keil 是 ARM 公司出品的單片機(jī) c 語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境， 同 匯編相比， c語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。 Keil 軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的 集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面。另外重要的一點(diǎn)， Keil 編譯后生成的匯編 目標(biāo)代碼效率非常高，多數(shù)的匯編代碼 結(jié)構(gòu) 很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。 Keil 還 提供 了 AGSI 接口 以 開(kāi)發(fā)仿真實(shí)驗(yàn)板。 通過(guò) 仿真將枯燥無(wú)味的數(shù)字用形象的圖形表達(dá)出來(lái)，可以使初學(xué)者在沒(méi)有硬件時(shí)就能感受到真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，降低單片機(jī)的入門(mén)門(mén)檻。 所以本系統(tǒng) 以 keil 開(kāi)發(fā)環(huán)境 為依托進(jìn)行程序的設(shè)計(jì) 。 μC/OS II 操作系統(tǒng)介紹 μC/OS II 是一個(gè) 是一個(gè)源代碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式內(nèi)核，包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、 時(shí)間管理、簡(jiǎn)單內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信與同步等實(shí)時(shí)系統(tǒng)所需的基本功能。沒(méi)有提供輸入輸出管理、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)之類(lèi)的額外服務(wù)。 基于 μC/OS II的可移植性和開(kāi)放性，用戶(hù)可以自己的實(shí)際應(yīng)用添加所需的模塊。 μ C/OSII 是一個(gè)搶占式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，即已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)可以剝奪正在運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的 CPU 使用權(quán)。這個(gè)特點(diǎn)使得它的實(shí)時(shí)性比非占先式的內(nèi)核要好。另外內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)都仔細(xì)考慮了運(yùn)行時(shí)間的確定性問(wèn)題，任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間通信和內(nèi)存分配都是 由 執(zhí)行時(shí)間 來(lái) 確定，不會(huì)因?yàn)槿蝿?wù)數(shù) 量 變化、 執(zhí)行 順序變化等 引起沖突 。μC/ OSII可供不同的微處理器使用，可以移植到 8位到 64位不同的微處理器上。它的基本思路就是“近似地每時(shí)每刻總是讓優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)”。 μC/OS II 結(jié)構(gòu)的關(guān)系如下 圖 41 所示： 應(yīng) 用 軟 件（ 用 戶(hù) 代 碼 ）U C / O S Ⅱ已 處 理 器 無(wú) 關(guān) 的 原 代 碼O S _ C O R E . C O S _ S E M C . CO S _ F L A G . C O S _ T A S K . CO S _ M B O X . C O S _ T I M E . CO S _ M E M C . C U C O S Ⅱ . CO S _ M U T E X . C U C O S Ⅱ . HO S _ Q . CU C / O S Ⅱ 配 置與 應(yīng) 用 相 關(guān) 代 碼 O S _ C F G . HI N C L U D E S . HU C / O S Ⅱ 處 理 器 相 關(guān) 代 碼 O S _ C P U . HO S _ C P U _ A . A S MO S _ C P U _ C . C 圖 41 uC/OSII 結(jié)構(gòu)的關(guān)系圖 16 從圖中可以看出， μC/OS II 主要包括