【文章內(nèi)容簡介】 器（ EXTI） ,時鐘和啟動 ， Boot 模式 ,電源供電方案 ， 電源管理 ， 電湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 9 9 壓調(diào)節(jié) ， 低功耗模式 。 STM32 的主要架構(gòu)優(yōu)勢：除新增的功能強(qiáng)化型外設(shè)接口外， STM32 還提供 了 微控制器的標(biāo)準(zhǔn)接口， 統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口使開發(fā)者在使用不同型號的 STM32 芯片開發(fā)時不必過多熟悉軟件驅(qū)動和硬件架構(gòu)，從而提高了開發(fā)的效率。 新 STM32 的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括兩個12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器、五個 USART 接口 ， 兩個 12 位 1Msample/s 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (交錯模式下 2Msample/s)、兩個 I2C 接口 ， 三個 SPI 端口 和 10 個定時器。 STM32 還具有低 電壓和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，以 72MHz 時鐘頻率從閃存中取出并執(zhí)行代碼為例，最低僅僅消耗 27mA的電流。 （三） 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng) UC/OSIII 介紹 UC/OSIII由 Micrium 公司提供， UC/OSIII 系統(tǒng)不僅 是一個可裁剪的、可固化的內(nèi)核，還是一個可移植， 占先式多任務(wù)實(shí)時內(nèi)核 。 UC/OSIII 不僅也 適用于多種微處理器，微控制器 ，同時也適用于 DSP 芯片。同時，該 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)源代碼開放 、并且具有 整潔 性和 一致 性 ， 代碼的注釋清楚詳盡 ， 非常 適合 應(yīng)用于小型的嵌入式 系統(tǒng)開發(fā)。 嚴(yán)格地說 UC/OSIII 只是 一個實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核，它僅僅包含了任務(wù) 管理 ， 時間管理， 任務(wù)調(diào)度 ，內(nèi)存管理和任務(wù)間的 異步 通信和 任務(wù)間的 同步等基本功能。沒有提供 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)， 輸入輸出， 顯示功能， 文件系統(tǒng)等額外的服務(wù)。 然而因?yàn)?UC/OSIII 提供了開源的條件，這些服務(wù)都可以由用戶根據(jù)不同的硬件平臺自主設(shè)計來完成和實(shí)現(xiàn)。 UC/OSIII的設(shè)計是基于優(yōu)先級的搶占性內(nèi)核，并且具有實(shí)時性。不同的任務(wù)分別以不同的優(yōu)先級存在于系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)核根據(jù)不同優(yōu)先級來在各個任務(wù)之間切換，從而完成嵌入式實(shí)時性的要求。 UC/OS 系統(tǒng)的主要組成： UC/OSIII可以大致分成核心 部分 、任務(wù)處理 部分 、時間處理 部分 、任務(wù)同步與通信 部分 ， CPU 的移植 部分 等 5個部分。 1) 核心部分 () 函數(shù) 是操作系統(tǒng)的 核心處理函數(shù) ， 主要功能 包括操作系統(tǒng) 的 初始化、操作系統(tǒng) 的 運(yùn)行、 所有 中斷進(jìn)出的前導(dǎo) 控制 、時鐘節(jié)拍 的控制 、任務(wù)調(diào)度 算法和調(diào)度控制 、事件 的 處理等多 個 部分。能夠 參與 維持系統(tǒng) 的 基本工作 功能的 部分都在這里。 湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 10 10 2) 任務(wù)處理部分 () 該 部分中的內(nèi)容 均與 與任務(wù)的 各種 操作密切相關(guān)的。包括任務(wù)的建立、 任務(wù)的 刪除、 任務(wù)的 掛起、 任務(wù)的 恢復(fù)等等。因 為 UC/OSIII 是以任務(wù) 的形式 為基本單位調(diào)度的， 每個任務(wù)就是一個并行的線程， 所以這部分內(nèi)容也 非常 重要。 3) 時鐘部分 () 在 UC/OSIII 系統(tǒng) 中 timetick（時鐘節(jié)拍） 是最小的時鐘單位 。任務(wù) 的 延時 和計數(shù)器的工作時鐘 等操作是在這里完成的。 4) 任務(wù)同步和通信部分 該 為事件處理部分，包括信號量、 互斥信號量，消息 郵箱、郵箱隊(duì)列、事件標(biāo)志等 許多 部分； 該部分主要用于臨界資源的訪問和任務(wù)間的互相通信聯(lián)系。 5) 與 CPU 的接口部分 通常 使 用匯編 來 編寫 ，也有的是匯編和 C 語言的嵌套實(shí)現(xiàn)， 因?yàn)?涉及到 CPU 的移植部分 。 CPU 接口部分通常包括各種優(yōu)先級級別任務(wù)，任務(wù)級別任務(wù)的底層實(shí)現(xiàn)，中斷的處理和異常響應(yīng)等等。 UC/OS 系列從 1992年出現(xiàn)發(fā)展至今，已經(jīng)發(fā)布過多種功能和性能各不相同的版本，而最新的 UC/OSIII 是以往版本的經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，相對于 UC/OSII， UC/OSIII 系統(tǒng)刪除了許多冗余的功能，優(yōu)化了系統(tǒng)資源，同時也添加了時間片輪詢算法，提高了系統(tǒng)資源的利用率。 UC/OSIII 提供了更加高效和的功能和服務(wù)來滿足不同處理器平臺的硬件要求，從而能夠不斷適應(yīng)陸續(xù)發(fā)布的不同處理器平臺。特別的 ， UC/OSIII 系統(tǒng)是為32 位機(jī)設(shè)計應(yīng)用的，但也能夠在 8 位機(jī)和 16 位機(jī)上運(yùn)行。 湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 11 11 三． 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 （一） 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)及總體框圖 本系統(tǒng)在開啟時實(shí)時時鐘運(yùn)行并通過 LCD 顯示器顯示當(dāng)前時間，震動傳感器和聲光測距傳感器同時工作，并且數(shù)據(jù)庫得到創(chuàng)建。當(dāng)震動傳感器檢測到有震動發(fā)生，并且聲光測距傳感器所測得的距離不在安全距離之內(nèi)的時候， MCU 給出相應(yīng)的 GPIO 信號，聲光報警電路得到信號后產(chǎn)生聲光報警， MCU 讀取當(dāng)前的時間值并記錄寫入數(shù)據(jù)庫。 具體軟件設(shè)計流程圖為圖 圖 設(shè)計 圖 （二） 系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件設(shè)計部分主要包括： STM32 MCU 控制器、 LCD 顯示、傳感器、報警模塊等芯片的選擇；主控芯片電路設(shè)計、數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計，時鐘電路，報警電路等功能模塊電路設(shè)計。 （三） 系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件采用模塊化的 C語言設(shè)計實(shí)現(xiàn)。嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)程序主要在 OS 里面，實(shí) STM32 控制器 LCD 控制器 聲光 報警 數(shù)據(jù)庫 系統(tǒng) 震動 傳感器 測距 傳感器 實(shí)時 時 鐘 溫濕度 傳感器 湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 12 12 時時鐘模塊通過 文件來實(shí)現(xiàn)，聲光測距傳感器和震動傳感器的功能通過 文件來 實(shí)現(xiàn)， LCD 顯示器的功能通過 文件來實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫的功能通過 文件來實(shí)現(xiàn)，聲光報警功能在主函數(shù) 中來實(shí)現(xiàn)。啟動通過bootloader 加載啟動之后進(jìn)入主函數(shù)，首先初始化 STM32 系統(tǒng)時鐘，然后是各個模塊的初始化，完成之后建立幾個用戶線程分別運(yùn)行各個模塊的功能，從而開啟工作模式。 湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 13 13 四． 系統(tǒng)硬件電路 詳細(xì) 設(shè)計 （一） MCU 供電電路設(shè)計 圖 輸入 +5V，提供 的固定電壓輸出，為了降低電磁 干擾， C1C5 為CPU 提供 BANK 電源（ VCC： P50、 P7 P100、 P2 P11 GND： P4 P7 P9 P2P10）濾波。 CPU 的模擬輸入電源供電腳 VDDA（ P22）通過 L1 22uH 的電感與 + VDD 電壓連接， CPU 的模擬地 VSSA(P19)及 VREF （ P20）通過 R1 0 歐電阻與 GND 連接。VREF+(P21)采用 VDDA(P22)電源基準(zhǔn)。為 RTC 的備份電源采用 V1 鋰離子片狀電池。 （二） 啟動方式電路設(shè)計 Boot1— Boot0（ P37， P94） : x0: 內(nèi)部程序存儲區(qū)啟動 01：系統(tǒng)存儲區(qū)啟動 (為異步通信 ISP 編程方式 )在此將 BOOT1 始終設(shè)置為 0， BOOT0 為可變的狀態(tài)，在正常模式下將其置為 0，在 ISP 編程時將其置為 1。用 JP1 跳線塊設(shè)置，開路為 ISP 模式，短路為正常運(yùn)行模式。 圖 湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 14 14 （三） 時鐘源電路 外部晶體 /陶瓷諧振器 (HSE)（ P1 P13）： B1： 8MHz 晶體諧振器， C8， C9 諧振電容選擇 10P。系統(tǒng)的時鐘經(jīng)過 PLL 模塊將時鐘提高到 72MHz。低速外部時鐘源 (LSE)（ P P9）： B2: 晶體諧振器。 C10， C11 諧振電容選擇 10P。注意的是： 根據(jù) ST 公司的推薦， B2 要采用電容負(fù)載為 6P 的晶振，否則有可能會出現(xiàn)停振的現(xiàn)象。 圖 （四） LCD 顯示接口模塊 LCD 顯示模塊 采用 ” TFT320X240LCD(控制器 ILI9325), 采用 CPU 的 FSMC 功能， LCD 片選 CS 采用 FSMC_NE1(P88)， FSMC_A16(P58)作為 LCD 的 RS 選擇，F(xiàn)SMC_nWE(P86)作為 LCD 的 /WR, FSMC_nOE(P85)作為 LCD 的 /RD, LCD 的 RESET 腳用CPU 的 PE1(P98)（ LCDRST）， FSMC_D0FSMC_D15 和 LCD 的 D1D8 D10D17 互相 連接， 電阻式 觸摸屏 的檢測 接口采用 SPI1 接口，片選為 PB7SPI1CS3，由于 LCD 背光燈使 用恒流源 PT4101 芯片 控制， 使用脈寬調(diào)制 PWM 波作為 控制信號 從而來 控制背光的明暗， PWM 信號由 PD13LIGHTPWM 來控制。 PB67846INT 用來 接收觸 摸電路的中斷觸發(fā)和 申請。 LCD 寄存器地址為： 0x6000 0000, LCD 數(shù)據(jù)區(qū)地址： 0x6002 0000 圖 LCD接口電路 湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 15 15 （五） HCSR04 超聲測距模塊 圖 超聲測距信號發(fā)送電路 圖 超聲測距信號接收電路 HCSR04 超聲測距模塊可提供 2cm400cm 的非接觸式距離 的檢測 功能， 最小的 測距精度可達(dá) 3mm， 該 模塊 主要 包括超聲波發(fā)生器， 超聲波 接收器與 超聲波 控制電路。 基本工作原理： 1） 采用 IO 口 TRIG 觸發(fā)測距， 提供 少 10us 的高電平信 號。 2） 模塊 觸發(fā)后 自動發(fā)送 8個 40KHz 的方波 信號 ， 并 自動檢測是否有信號 的 返回。 3）若 有信號返回， 會 通過 IO 口 ECHO 輸出一個高電平， 輸出的 高電平 所 持續(xù)的 時間就是超聲波 信號 從發(fā)射到返回 使用 的時間。 測試距離 =（高電平時間 *聲速） /2. 超聲波時序圖： 湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 16 16 圖 超聲波時序圖 以上時許圖表明只需要提供一個 最少 10us 的 方波 脈沖 作為 觸發(fā)信號， 當(dāng)觸發(fā)信號發(fā)送后， 該模塊內(nèi)部將 自動 發(fā) 送 8 個 40KHz 周期 方波 電平并 且 檢測回波 信號 。一旦 接收并且 檢測到有回波信號 便立即 輸出回響信號。 輸出的 回響信號的 高電平所持續(xù)的時間 與所測的距離成正比。 因 此 可以 通過 測量從 發(fā)射信號到接收信號 之間的 時間間隔 ，并用此時間間隔的時間 可以計算得到距離。 （六） 聲光報警電路 圖 聲光報警電路 工作原理：當(dāng)串口 IO 輸出高電平的時候二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，發(fā)光二極管和蜂鳴器均不工作，當(dāng)串口 IO輸出低電平時，發(fā)光二極管和蜂鳴器工作，產(chǎn)生聲光報警的效果。 湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 17 17 （七） SW420震動傳感器電路 圖 震動傳感器電路 工作原理：通過 10K 電位器調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度輸出，當(dāng)目前處于靜 止?fàn)顟B(tài)沒有震動情況發(fā)生時，傳感器處于截止的狀態(tài)，電壓比較器 LM393 的同相輸入端電壓低于反相輸入端電壓，電壓比較器輸出低電平，開關(guān)指示燈亮， DO口 =輸出低電平。當(dāng)有震動產(chǎn)生的時候，傳感器處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時電壓比較器 LM393 同相輸入端的電平高于反相輸入端的電平，電壓比較器輸出高電平，開關(guān)指示燈不亮， DO 口輸出高電平。 （八）溫濕度檢測電路 溫濕度傳感器 DHT11 接口電路如圖 圖 DHT11接口電路 溫濕度傳感器通過如圖所示電路與 STM32 的 GPIO 端口相連接，并且將對應(yīng)的GPIO 端口設(shè)定為浮空輸入模式，通過每次 MCU 接收到的四字節(jié)數(shù)據(jù)來進(jìn)行處理得出結(jié)果。 湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 18 18 五． 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 （一） 軟件總體設(shè)計框圖 圖 軟件設(shè)計框圖 在系統(tǒng)通過 bootloader 第一階段和第二階段將內(nèi)核從 flash 加載到 RAM 中完畢之后， PC 便通過跳轉(zhuǎn)進(jìn)入 RAM 中的 0 地址既主函數(shù) main 的入口處，從主函數(shù) mian 開始執(zhí)行，既用戶自己的用戶程序。 而進(jìn)入主函數(shù)后首要任務(wù)便是對于 STM32 各種系統(tǒng)硬件資源的初始化，通過一些已經(jīng)宏化的特殊功能寄存器記性操作來完成相關(guān)的功能，特別是對于時鐘和中斷的處理。當(dāng) STM32 硬件資源初始化完畢之后便是對 UC/OS 操作系統(tǒng)的初始化，對于各種系統(tǒng)資源的分配，任務(wù)堆棧和優(yōu)先級的分配等等 都是在這里完成地，只有系統(tǒng)初始化完成之后任務(wù)才能夠訪問系統(tǒng)資源，否則整個程序?qū)邮?。?dāng)操作系統(tǒng)內(nèi)核初始化完成之后便是各個任務(wù)線程的建立，這里主要用到 O