基于STM32處理器的嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊發(fā)田，葛紅宇，張建華，熊 超

(南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 211167)

基于STM32處理器的嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊發(fā)田，葛紅宇，張建華，熊 超

(南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 211167)

提出了一種專用集成芯片+嵌入式處理器實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)方案，采用典型Cortex處理器STM32與可編程邏輯器件EPM570實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)系統(tǒng)。根據(jù)工業(yè)控制領(lǐng)域的實(shí)時(shí)性、集成度要求，采用模塊化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了處理器電路、U盤控制等硬件設(shè)計(jì)以及相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。結(jié)合嵌入式系統(tǒng)、EDA等的教學(xué)需要，設(shè)計(jì)了相關(guān)課程的基礎(chǔ)性、綜合性等實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，結(jié)合科研與大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐對(duì)研制的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。

嵌入式系統(tǒng);CPLD;工業(yè)控制;實(shí)驗(yàn);教學(xué)

嵌入式計(jì)算機(jī)及控制系統(tǒng)具有運(yùn)算速度快、集成度高等特點(diǎn)，同時(shí)具有豐富的片上外設(shè)與總線接口，尤其適于環(huán)境惡劣，需要復(fù)雜、高速控制的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，能夠?yàn)檫^(guò)程控制、自動(dòng)檢測(cè)、加工自動(dòng)化等領(lǐng)域提供高效、優(yōu)質(zhì)的解決方案［1－3］，在多個(gè)領(lǐng)域得到較為廣泛的重視。

STM32是意法半導(dǎo)體(ST)面向工業(yè)應(yīng)用、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域推出的系列嵌入式控制器。它采用ARM Cortex－M3 32位的RISC內(nèi)核，最高工作頻率72MHz，提供單周期乘法與硬件除法器，內(nèi)置高達(dá)512KB的FLASH與64KB的SRAM。同時(shí)，片內(nèi)集成12位ADC、16位通用定時(shí)器、PWM定時(shí)器，以及標(biāo)準(zhǔn) I2C、SPI和 CAN 等接口［4］。

STM32控制器的上述特點(diǎn)及其可媲美8－16位單片機(jī)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，使其在電機(jī)控制、醫(yī)療器械手持設(shè)備等領(lǐng)域得以迅速推廣。目前，市場(chǎng)出現(xiàn)了大量基于STM32系列處理器的實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)，其共同特點(diǎn)是通用性強(qiáng)，針對(duì)性相對(duì)較弱。結(jié)合過(guò)程控制、自動(dòng)檢測(cè)、電機(jī)控制等領(lǐng)域的技術(shù)特點(diǎn)，本文研究基于STM32處理器的，適于自動(dòng)檢測(cè)、過(guò)程控制、自動(dòng)化加工等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)、教學(xué)系統(tǒng)，開發(fā)相應(yīng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)自動(dòng)化加工、過(guò)程控制等技術(shù)領(lǐng)域的控制精度、實(shí)時(shí)性、圖形顯示以及通信等要求，本文研制的嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用專用的TFT液晶模塊來(lái)顯示多個(gè)控制領(lǐng)域中的相關(guān)圖形、文字狀態(tài)信息、報(bào)警信息等內(nèi)容。系統(tǒng)擴(kuò)展了專用的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，便于實(shí)現(xiàn)多個(gè)被控變量的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)采集與轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)控制方面，設(shè)計(jì)了專門的多路數(shù)模轉(zhuǎn)換及放大電路，以滿足多變量的控制。

圖1 嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

2 主要模塊硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊電路

主控模塊構(gòu)成嵌入式計(jì)算機(jī)的基本系統(tǒng)，包括嵌入式處理器及輔助電路、串行通信接口RS232及外圍電路、SPI接口、U盤存儲(chǔ)電路及必要的電源電路、下載電路與復(fù)位電路等。系統(tǒng)CPU選用STM32F103ZET6處理器，LQFP144封裝，內(nèi)部集成64KB RAM與512KB FLASH，分別用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器，圖2所示為主模塊中的液晶接口、晶振電路、STM32下載電路與RS232串行接口。

圖2 系統(tǒng)液晶接口、晶振電路、STM32下載電路與RS232串行接口

液晶顯示采用8位256色TFT彩屏，通過(guò)并行接口與STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。圖中的8MHz晶振電路用于產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘，經(jīng)CPU內(nèi)部的PLL電路倍頻，得到72MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘。32.768KHz則用作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。圖3所示為U盤接口電路，系統(tǒng)中設(shè)置U盤控制的目的在于為常規(guī)自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)化控制等領(lǐng)域應(yīng)用提供大容量的外存儲(chǔ)介質(zhì)，同時(shí)便于外部高性能計(jì)算機(jī)，如PC機(jī)對(duì)上述應(yīng)用領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理。本文采用專用芯片CH376實(shí)現(xiàn)U盤控制。通過(guò)并行接口的低8位，STM32根據(jù)通信協(xié)議將相關(guān)指令與數(shù)據(jù)寫入CH376，完成U盤文件的讀寫、創(chuàng)建、刪除等操作。

圖3 U盤控制接口電路

2.2 數(shù)/模轉(zhuǎn)換及放大

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換及放大模塊輸出0～10V的電壓量，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)輸出指定電壓時(shí)，STM32模塊與12位四通道 DA器件AD5024和外圍電路、LM324放大電路以及CPLD器件協(xié)同工作。

圖4 數(shù)模轉(zhuǎn)換及放大模塊的電路結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的CPLD內(nèi)設(shè)計(jì)了通道VOUTAVOUTD的專用寄存器，通過(guò)并口數(shù)據(jù)的低12位，STM32將設(shè)置電壓寫入通道寄存器。然后，CPLD內(nèi)部邏輯將轉(zhuǎn)換指令、通道地址信息與轉(zhuǎn)換電壓進(jìn)行并－串轉(zhuǎn)換，逐位從ADDIN送至AD5024，輸出0～5V電壓，最后經(jīng)LM324放大電路獲得0～10V的輸出電壓。系統(tǒng)中的CPLD器件選用MAXⅡ器件EPM570T144C3。

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的電路結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換通過(guò)12位六通道AD器件MAX196實(shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過(guò)并口數(shù)據(jù)的低12位，STM32與MAX196實(shí)現(xiàn)信息交互。根據(jù)通信協(xié)議送出指令，接收外部0～10V的電壓并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。

2.3 音頻控制電路

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的音頻控制電路如圖6所示?？刂菩酒x用立體聲MP3解碼芯片VS1003，其內(nèi)部集成低功耗DSP核VS_DSP4、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、串行數(shù)據(jù)接口與高品質(zhì)可變采樣率的ADC和立體聲DAC。STM32通過(guò)SPI接口與VS1003的串行數(shù)據(jù)接口SI、SO及SCLK傳送指令及數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的音頻控制?？紤]到音頻數(shù)據(jù)的容量，主控模塊的U盤控制可作為音頻控制的大容量存儲(chǔ)介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)大量音頻數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存。

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的音頻控制電路

3 硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1 DA轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)控制邏輯設(shè)計(jì)

AD5024通過(guò)CPLD接收STM32送出的電壓指令，指令格式及定義見表1。表中，DB23－20為通道地址，當(dāng)DB23－20為0000B－0011B時(shí)分別對(duì)應(yīng)電壓輸出通道VOUTA－VOUTD，本文中指令碼采用0011B，要求寫入指令后立即更新通道數(shù)據(jù)。

表1 AD5024指令格式及定義

AD5024的數(shù)據(jù)接收時(shí)序如圖7所示，由

CPLD內(nèi)部專門設(shè)計(jì)的2個(gè)進(jìn)程:CPU寫進(jìn)程和并/串轉(zhuǎn)換進(jìn)程實(shí)現(xiàn)。在STM32寫信號(hào)上升沿上，CPLD中的寫進(jìn)程獲取STM32數(shù)據(jù)總線低12位，結(jié)合指令碼0011B、通道地址和無(wú)影響位等形成32位的指令，傳送給AD5024。然后，CPLD中的并/串轉(zhuǎn)換進(jìn)程拉低同步信號(hào)SYN，響應(yīng)串行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)鐘ADSCK，在ADSCK的上升沿上將32位數(shù)據(jù)由高到低依次送到CPLD的串行數(shù)據(jù)輸出端口ADDIN上。32位數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，并/串轉(zhuǎn)換進(jìn)程重新置高同步信號(hào)SYN，完成一次指令傳送。根據(jù)上述方法，STM32將電壓設(shè)定值的數(shù)字量寫入CPLD指定的通道寄存器中，AD5024便輸出所要求的電壓量。

3.2 AD轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

模數(shù)轉(zhuǎn)換器件MAX196的操作時(shí)序如圖8所示。

圖7 AD5024的數(shù)據(jù)接收時(shí)序

圖8 MAX196的數(shù)據(jù)接收時(shí)序

根據(jù)圖8中的時(shí)序關(guān)系，STM32通過(guò)并行口的低8位向MAX196寫入8位的工作方式控制字，然后檢測(cè)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)INT。檢測(cè)到低電平，STM32啟動(dòng)一次讀操作，通過(guò)利用并口數(shù)據(jù)的低12位來(lái)獲取 MAX196轉(zhuǎn)換后的12位采集電壓值。MAX196的8位控制字D7－D0定義了MAX196工作模式、采集模式、輸入電壓的范圍、輸入的極性的選擇和通道的選擇。本文系統(tǒng)中采用工作模式1，芯片內(nèi)部控制電壓采集模式，輸入模擬量范圍0～10V，單極性輸入，所以將控制字?jǐn)?shù)據(jù)位D7－D3設(shè)置為01010B。

3.3 聲音控制驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的音頻控制通過(guò)SPI協(xié)議完成，實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括STM32端口配置、SPI接口設(shè)置、音頻芯片初始化以及播放控制等階段。執(zhí)行聲音控制時(shí)，控制程序根據(jù)硬件連接，設(shè)置相關(guān)寄存器，配置STM32通用端口，實(shí)現(xiàn) VS1003上 DREQ、XDCS、XCS信號(hào)的讀寫。然后配置寄存器，利用SPI接口與VS1003實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，這里設(shè)置通信模式為全雙工，STM32設(shè)置為主控設(shè)備，VS1003為從設(shè)備，SCK上升沿接收數(shù)據(jù)。

完成上述設(shè)置，控制程序開始VS1003的初始化，包括硬件復(fù)位、軟件復(fù)位、音頻設(shè)置3個(gè)階段。首先，STM32設(shè)置 XRST、XDCS、XCS電平狀態(tài)，硬件復(fù)位VS1003。然后STM32通過(guò)SPI寫入復(fù)位指令，VS1003軟件復(fù)位。將時(shí)鐘頻率、采樣率、重音設(shè)置、音量設(shè)置寫入相應(yīng)寄存器，完成音頻控制的初始化。最后，系統(tǒng)打開MP3文件，讀入32字節(jié)數(shù)據(jù)并通過(guò) SPI端口送入 VS1003，檢測(cè)到端口DREQ置位，再次讀入32字節(jié)送入VS1003，直至MP3文件結(jié)束，從而實(shí)現(xiàn)音頻播放［5］。

3.4 U盤控制驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)圖3所示的U盤控制電路，CH376的數(shù)據(jù)端口與指令/狀態(tài)端口分別占用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一對(duì)相鄰的偶/奇地址。執(zhí)行U盤文件操作時(shí)，控制程序通過(guò)并口發(fā)送指令CHECK_EXIST(06H)和任意數(shù)據(jù)來(lái)檢測(cè)硬件電路。然后，系統(tǒng)發(fā)指令SET_USB_MODE(15H)和數(shù)據(jù)06H，使CH376初始化。發(fā)送指令DISK_CONNECT(30H)并讀取狀態(tài)端口查詢?cè)O(shè)備連接狀態(tài)。發(fā)送指令DISK_MOUNT(31H)初始化U盤。

U盤文件的基本操作如下:利用指令SET_FILE_NAME(2FH)設(shè)置文件名稱后，控制程序可以通過(guò)指令FILE_CREATE(34H)創(chuàng)建文件，通過(guò)指令FILE_OPEN(32H)打開文件。文件打開后，通過(guò)字節(jié)寫指令BYTE_WRITE(3CH)、內(nèi)部指定緩沖區(qū)寫指令WR_REQ_DATA(2DH)以及繼續(xù)字節(jié)寫指令BYTE_WR_GO(3DH)，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)寫入指定文件。相應(yīng)的，系統(tǒng)利用字節(jié)讀指令BYTE_READ(3AH)、數(shù)據(jù)塊讀指令RD_USB_DA TA0(27H)和繼續(xù)字節(jié)讀指令BYTE_RD_GO(3BH)讀取指定文件。文件操作完成后，系統(tǒng)CPU調(diào)用指令FILE_CLOSE(36H)關(guān)閉文件。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于STM32處理器的嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要面向嵌入式系統(tǒng)、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化等課程的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)，以及運(yùn)動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)、加工自動(dòng)化等領(lǐng)域的科技創(chuàng)新實(shí)踐與工程科研實(shí)驗(yàn)。

4.1 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

針對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的課程內(nèi)容，本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以開設(shè)的實(shí)驗(yàn)包括STM32集成開發(fā)環(huán)境、GPIO實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器、片上AD、串行通信等，主要幫助學(xué)生了解嵌入式處理器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，熟悉相關(guān)的寄存器、片上外設(shè)等的使用，掌握嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程，常用開發(fā)工具，并初步掌握一定的嵌入式軟件的調(diào)試方法，學(xué)生可以通過(guò)集成調(diào)試工具、串口助手、板上的LED等形成較為直觀的印象。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供一片144腳的MAXⅡ器件EPM570與100MHz的有源晶振，針對(duì)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化的課程內(nèi)容，可以完成的基本實(shí)驗(yàn)包括EDA開發(fā)工具、基礎(chǔ)組合邏輯電路與時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)等，內(nèi)容涵蓋基本運(yùn)算電路、編碼、譯碼電路、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、移位寄存器。

同時(shí)，針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)控原理與系統(tǒng)等課程，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還可以完成插補(bǔ)控制、刀補(bǔ)控制、電機(jī)環(huán)分電路等內(nèi)容。

4.2 綜合性實(shí)驗(yàn)

在課程實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還可以進(jìn)行自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器、機(jī)電工程等專業(yè)的跨課程綜合性實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容涵蓋嵌入式處理器、ASIC、電機(jī)控制、檢測(cè)技術(shù)等課程，包括相關(guān)的信號(hào)采集與控制、驅(qū)動(dòng)邏輯、實(shí)時(shí)顯示與通信等內(nèi)容。如:接口器件設(shè)計(jì)、圖形顯示、專用鍵盤、電機(jī)控制、U盤設(shè)計(jì)，以及定時(shí)/計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)、專用通信邏輯等。4.3 科技創(chuàng)新與科研實(shí)踐

由于系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了多通道的高速AD、DA、大容量的U盤存儲(chǔ)、鍵盤電路、彩顯、串行通信接口RS232與高速串口電路SPI等，因此在本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上加以適當(dāng)擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際控制。同時(shí)高性能的嵌入式處理器與可編程邏輯器件MAXⅡ的應(yīng)用也有利于復(fù)雜控制算法的實(shí)現(xiàn)。上述設(shè)計(jì)滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的多軸聯(lián)動(dòng)、大容量實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)采集及顯示等復(fù)雜要求。圖9所示為本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其典型應(yīng)用示例，(a)、(b)分別為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制板與學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐開發(fā)的類Windows界面。

圖9 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及應(yīng)用

5 結(jié)束語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)作為一種新興的技術(shù)，在電機(jī)控制、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)化加工領(lǐng)域的有效應(yīng)用尚需要一個(gè)過(guò)程，比如在復(fù)雜工業(yè)控制中實(shí)時(shí)控制與多任務(wù)處理的矛盾、復(fù)雜任務(wù)間的協(xié)調(diào)實(shí)時(shí)控制等問(wèn)題，都是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)亟待解決的問(wèn)題。本文提出的專用集成芯片+嵌入式處理器的控制結(jié)構(gòu)和采用的STM32+可編程邏輯器件的解決方案以及開發(fā)的類Windows管理系統(tǒng)等都是針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行的有益嘗試，為復(fù)雜工業(yè)對(duì)象實(shí)時(shí)控制提供了思路。今后在此基礎(chǔ)上應(yīng)對(duì)專用邏輯控制芯片、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的操作系統(tǒng)、協(xié)調(diào)控制算法等進(jìn)行進(jìn)一步研究，這對(duì)解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜控制問(wèn)題乃至嵌入式系統(tǒng)與其他領(lǐng)域的融合均有重要的意義。

［1］于才，劉大銘，何萍.基于STM32的溫室智能灌水系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012，25(2):93－94.

［2］王愛林，劉榮華，嚴(yán)頂.基于STM32的CAN－USB轉(zhuǎn)換模塊［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2012(6):71－73.

［3］張陳，李文靜.基于STM32的測(cè)力儀設(shè)計(jì)［J］.測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，25(6):515 －518.

［4］ST Microelectronics.RM0008 Reference Manual［M］.Geneva(Switzerland):ST Microelectronics，2009:1－20.

［5］VLSI Solution company.VS1003 PRELIMINARY［M］.Tampere(Finland):VLSI Solution Company，2005:1－55.

Development of STM32 Series CPU Oriented Experimental System

YANG Fatian，GE Hongyu，ZHANG Jianhua，XIONG Chao
(Nanjing Institute of Technology，Jiangsu Nanjing，211167，China)

It establishes the structure of Application Specific Integrated Circuit(ASIC)+embedded microcontroller for real－time control system with a typical ARM cortex microprocessor，STM32，and a typical Programmable Logic Device(PLD)，EPM570.According to the requirements of industrial control on real－time performance，integration level，it develops the control circuits on CPU module，U － disk and other peripheral and relative drivers，proposes the course requirements for Electronic Design Automation(EDA)，embedded system and introduces relative course fundament experiments，comprehensive experiments.This system is verified with series scientific research and college student innovation projects.

Embedded System;CPLD;Industrial Control;Experiment;Teaching

TP273

A

2095－509X(2013)03－0057－05

2012－10－29

江蘇省高校自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(09KJB460005);江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(166201110030)

楊發(fā)田(1989—)，男，甘肅金昌人，南京工程學(xué)院本科生，專業(yè)為自動(dòng)化。