基于STM32的IO設(shè)備模擬器設(shè)計(jì)

靳俊杰+李欣+徐銘

摘 要：為解決實(shí)驗(yàn)室某些海洋觀測(cè)類(lèi)IO設(shè)備價(jià)格昂貴、體積較大、數(shù)量較少的問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了一款I(lǐng)O設(shè)備模擬器。IO模擬器是一款模擬IO設(shè)備指令與相應(yīng)響應(yīng)的模塊，系統(tǒng)以STM32F103為主控制器件，將Keil MDK-ARM作為軟件平臺(tái)，通過(guò)學(xué)習(xí)實(shí)際IO設(shè)備的指令與響應(yīng)，模擬出實(shí)際IO設(shè)備的通信協(xié)議。文中主要介紹了模擬器的硬件搭建及軟件設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該模擬器可在實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試中代替實(shí)際設(shè)備，也可以解決實(shí)際設(shè)備數(shù)量不足的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：模擬器；STM32；FLASH；設(shè)備學(xué)習(xí)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39；TM5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）02-00-03

0 引 言

近年來(lái)，各國(guó)為各自利益逐漸加強(qiáng)了海洋研究，海洋觀測(cè)方法日趨多樣化，海洋觀測(cè)平臺(tái)成為研究海洋的重要途徑[1]。海洋觀測(cè)平臺(tái)由MCU控制，外圍接若干海洋設(shè)備終端，如采用溫鹽深儀傳輸海洋溫度、鹽度、壓力；多普勒流速剖面儀傳輸海流流速、流向等數(shù)據(jù)。一個(gè)成功的海洋觀測(cè)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)需要首先經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合調(diào)試。

若干個(gè)課題組協(xié)同工作時(shí)，經(jīng)常共同使用有限個(gè)設(shè)備終端，或者存在訂貨周期過(guò)長(zhǎng)、設(shè)備出海等問(wèn)題，導(dǎo)致聯(lián)合調(diào)試時(shí)因某些設(shè)備缺位而延長(zhǎng)系統(tǒng)調(diào)試周期，而模擬器可以較好地解決這些問(wèn)題[2]。此模擬器無(wú)需深入了解設(shè)備的通信協(xié)議與數(shù)據(jù)格式，只需對(duì)實(shí)際設(shè)備實(shí)現(xiàn)一次操作，即可學(xué)習(xí)實(shí)際設(shè)備的通信協(xié)議，最終達(dá)到代替實(shí)際設(shè)備參與系統(tǒng)調(diào)試的目的。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文設(shè)計(jì)的模擬器由STM32F103微處理器模塊、供電模塊、LED燈指示模塊、存儲(chǔ)模塊、串口模塊、按鍵構(gòu)成。按鍵用于系統(tǒng)硬件復(fù)位，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)選擇系統(tǒng)工作模式，LED燈指示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，防止掉電丟失。其工作方式分為兩種，一種是學(xué)習(xí)實(shí)際設(shè)備的指令與響應(yīng)及實(shí)際設(shè)備收到指令與發(fā)出響應(yīng)的時(shí)間間隔，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)存入FLASH；另一種是模擬實(shí)際設(shè)備，在收到上位機(jī)指令后，通過(guò)字符匹配FLASH中的指令，延長(zhǎng)實(shí)際設(shè)備收到指令與發(fā)出響應(yīng)的時(shí)間間隔，回復(fù)與指令對(duì)應(yīng)的響應(yīng)。模擬器工作簡(jiǎn)圖如圖2所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 存儲(chǔ)模塊

STM32F103內(nèi)核為Cortex-M3，采用ARM V7構(gòu)架，是現(xiàn)今性?xún)r(jià)比最高的一款A(yù)RM微控制器，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，該芯片具有64 kB SRAM，512 kB FLASH，擁有快速的中斷處理[3]。本設(shè)計(jì)使用了芯片的USART1、USART3、Timer3、Timer7及SPI接口。

串行外圍設(shè)備接口（Serial Peripheral Interface，SPI）是一種全雙工，高速、同步的通信總線(xiàn)，在芯片的管腳上只占用四根線(xiàn)。本設(shè)計(jì)使用STM32F103自帶的SPI來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外部FLASH（W25Q128）的讀寫(xiě)操作[4]。如圖3所示，W25Q128是華邦公司推出的大容量SPI FLASH產(chǎn)品，容量為128 Mb，即16MB，可用于存儲(chǔ)字庫(kù)和其他用戶(hù)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)掉電后數(shù)據(jù)不丟失，滿(mǎn)足了本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求。設(shè)置SPI為全雙工、主機(jī)模式、8位幀格式傳輸，高位在前，具有CRC校驗(yàn)功能[5]。SPI波特率預(yù)分頻值為256分頻，傳輸速度為36MHz/256=140.625 kHz。

2.2 串口通訊部分設(shè)計(jì)

儀器通訊通常采用串行通信和并行通信兩種方式[6]。串行通信方式具有使用線(xiàn)路少、成本低的優(yōu)點(diǎn)，在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)，避免了多條線(xiàn)路特性的不一致而被廣泛采用[7]。計(jì)算機(jī)和單片機(jī)都具有串行接口，可以完成上位機(jī)與模擬器、模擬器與實(shí)際設(shè)備之間的通訊任務(wù)。如圖4所示，模擬器串口1可以實(shí)現(xiàn)兩種不同的通訊模式，通過(guò)跳線(xiàn)帽或者撥動(dòng)開(kāi)關(guān)選擇相應(yīng)的通信方式，即RS 232，RS 485，理論上可實(shí)現(xiàn)不僅限于海洋儀器的模擬，具備較強(qiáng)的延伸性。

此設(shè)計(jì)使用SP3232芯片作為T(mén)TL轉(zhuǎn)RS 232芯片。數(shù)據(jù)傳輸速率最高為20 kb/s，最大距離為15 m?？晒﹥陕反诠餐褂?，接口為延伸通訊接口，可同時(shí)使用DB-9與三線(xiàn)制連接法，兩者均使用RXD、TXD、GND三條信號(hào)線(xiàn)，程序設(shè)計(jì)中未使用握手信號(hào)，可直接發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。RS 485隸屬于OSI模型物理層電氣特性的規(guī)定，為兩線(xiàn)、半雙工、多點(diǎn)通信的標(biāo)準(zhǔn)。其電氣特性和 RS 232不一樣，而是用纜線(xiàn)兩端的電壓差值來(lái)表示傳遞信號(hào)，通訊距離為1 200 m[8]。本設(shè)計(jì)使用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX3471，USART_RE為發(fā)送使能端，接STM32的GPIOA_8，高電平發(fā)送數(shù)據(jù)，低電平接收數(shù)據(jù)，接收和發(fā)送均由軟件控制。串口3與串口1的電路圖基本相同，處于學(xué)習(xí)模式時(shí)與實(shí)際IO設(shè)備連接。

2.3 狀態(tài)控制部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)由STM32的GPIOE_3的輸入邏輯電平控制，連接外部三腳撥動(dòng)開(kāi)關(guān)，通過(guò)判斷該引腳的輸入邏輯電平來(lái)決定模擬器的工作方式，電平狀態(tài)改變則系統(tǒng)工作狀態(tài)改變。運(yùn)行狀態(tài)指示燈（紅色LED燈）連接引腳GPIOB_5，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)不同則指示燈閃爍運(yùn)行方式改變。

2.4 供電設(shè)計(jì)

供電電路采用電平轉(zhuǎn)換芯片AMS1117-3.3，這是一個(gè)5 V轉(zhuǎn)3 V穩(wěn)壓電源芯片，內(nèi)部集成有過(guò)熱保護(hù)與限流電路。通過(guò)該芯片，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬器的3.3 V供電與5 V供電，同時(shí)也可以使用USB供電，保證了模擬器在多供電環(huán)境的使用。供電模塊還具有供電狀態(tài)指示燈（藍(lán)色LED燈）。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）程序初始化：初始化包括串口初始化，定時(shí)器初始化，W25Q128初始化。程序中加入了看門(mén)狗，可防止系統(tǒng)因外界環(huán)境的干擾而出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象[9]。為保證模擬器正常穩(wěn)定地工作，程序采用輪詢(xún)方式確定是否改變模擬器的工作狀態(tài)。endprint

（2）定時(shí)器在串口通信中的軟件設(shè)計(jì)：USART1和USART3采用中斷接收字符方式共同使用Timer7，通過(guò)判斷接收到的兩個(gè)字符間的時(shí)間差來(lái)斷定是否為連續(xù)的數(shù)據(jù)[10]。Timer7是STM32F103自帶的兩個(gè)基本定時(shí)器之一，定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)為0，高于串口優(yōu)先級(jí)，采用由下至上的計(jì)數(shù)方式，10 ms進(jìn)入一次定時(shí)器中斷，定時(shí)器中斷中串口接收標(biāo)記設(shè)置為接收完成，兩個(gè)字節(jié)接收時(shí)間間隔小于10 ms即認(rèn)為這兩個(gè)字節(jié)屬于同一字符串，通過(guò)定時(shí)器來(lái)判斷接收的字節(jié)是否屬于同一次數(shù)據(jù)，避免兩次數(shù)據(jù)間的干擾。將USART1和USART3接嵌入式模塊。Timer3是通用定時(shí)器，在本設(shè)計(jì)中用來(lái)記錄USART1開(kāi)始透?jìng)鲾?shù)據(jù)至USART3到USART3收到外部數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔，即實(shí)際設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間，定時(shí)器中斷每隔1s進(jìn)入一次，在中斷時(shí)間間隔執(zhí)行自加操作，以一定的格式將時(shí)間間隔寫(xiě)入FLASH保存，便于后續(xù)讀取。

（3）為了保證上位機(jī)指令與設(shè)備響應(yīng)正常匹配，W25Q128中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式如圖5所示。

模擬器模擬設(shè)備時(shí)析出有效數(shù)據(jù)，程序流程如圖6所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以模擬美國(guó)TELEDYN分析儀表公司的多普勒流速剖面儀（ADCP）以及Sea-Bird公司的SBE39-IM型溫鹽深儀為例，實(shí)現(xiàn)了對(duì)這些實(shí)際儀器IO功能的模擬。通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬器代替ADCP在定時(shí)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的作用以及代替SBE39-IM型溫鹽深儀在電磁耦合浮標(biāo)系統(tǒng)中的作用。

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