基于STM32的電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)

郭 辛

(綿陽師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，四川綿陽 621000)

0 引言

單片機(jī)自誕生之日起已走過近半個(gè)世紀(jì)的歷程.隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，進(jìn)入21世紀(jì)以來以嵌入式系統(tǒng)為代表的新興技術(shù)正在逐漸占據(jù)工業(yè)控制領(lǐng)域主導(dǎo)地位，并逐步取代以8位處理器為核心的傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)[1].近年來由于數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，單片機(jī)作為主流核心處理器的地位逐步下降，現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展正朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化和低功耗的方向邁進(jìn).新技術(shù)的不斷更新，需要新的設(shè)計(jì)思想的注入才能滿足技術(shù)發(fā)展需求.那么，如何將新興技術(shù)融合到傳統(tǒng)知識(shí)架構(gòu)體系，將基礎(chǔ)理論與工程應(yīng)用實(shí)際相結(jié)合，就成為設(shè)計(jì)人員急需破解的難題.

ARM作為一種32位的高性能、低成本的嵌入式RISC微處理器，得到了廣泛的應(yīng)用，STM32系列是意法半導(dǎo)體 (STMicroelectronics) 集團(tuán)專為要求高性能、低成本和低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M系列產(chǎn)品的代表作.基于STM32的嵌入式技術(shù)已經(jīng)滲透在工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能化儀器儀表和辦公自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用，甚至在很大程度上正在改變我們現(xiàn)有的商業(yè)模式和工作生活方式，如智能手機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)、無人機(jī)和平板電腦等，并呈現(xiàn)出明顯的系統(tǒng)化、人工智能化和物聯(lián)網(wǎng)的趨勢(shì).

目前， Cortex系列處理器已經(jīng)占據(jù)了大部分嵌入式處理器的中高端產(chǎn)品市場(chǎng)，而嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)對(duì)從業(yè)者要求很高，初學(xué)者若要快速掌握其原理并在實(shí)際工程中加以應(yīng)用，必須改變傳統(tǒng)的思維方式并構(gòu)建新的設(shè)計(jì)理念.本文以STM32F103RC處理器(Cortex-M普通型號(hào)之一)為平臺(tái)，通過對(duì)定時(shí)器、中斷系統(tǒng)和LCD顯示模塊的組合設(shè)計(jì)為例，針對(duì)基于固件庫(kù)設(shè)計(jì)思想的方法進(jìn)行探討與總結(jié)，以開啟嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)之門[2].

1固件庫(kù)概述

固件庫(kù)是指“STM32 標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)”，它是由 ST 公司針對(duì) STM32 提供的函數(shù)接口，即 API(Application Program Interface)，是一個(gè)固件函數(shù)包，它由程序、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏組成，包括了微控制器所有外設(shè)的性能特征.它是架設(shè)在構(gòu)成部件的寄存器與用戶驅(qū)動(dòng)層之間的代碼，向下處理與寄存器直接相關(guān)的配置，向上為用戶提供配置寄存器的接口[3].部件的調(diào)用和基本操作寫成了通用的子函數(shù)，對(duì)復(fù)雜的硬件操作實(shí)現(xiàn)了函數(shù)封裝.

在以51單片機(jī)為代表的8位機(jī)由于硬件系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，通常采用直接配置寄存器的方式來進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)；而32位處理器核內(nèi)系統(tǒng)復(fù)雜，外設(shè)資源豐富.應(yīng)用系統(tǒng)若仍舊采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，不但效率低、可移植性差，而且技術(shù)難度大，已不能適應(yīng)較復(fù)雜的工程應(yīng)用.

基于固件庫(kù)的技術(shù)思想為解決這一問題提供了新思路：開發(fā)者根據(jù)具體任務(wù)需求按照CMSIS標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建工程，利用固件庫(kù)提供的資源，設(shè)計(jì)和改造相關(guān)函數(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)部件的操作.本文結(jié)合綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)——電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì)為例，首先介紹庫(kù)函數(shù)中主要涉及的定時(shí)器和LCD顯示驅(qū)動(dòng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，在此基礎(chǔ)上利用現(xiàn)有庫(kù)資源進(jìn)行功能設(shè)計(jì)與系統(tǒng)構(gòu)建.

2 定時(shí)器概述

STM32F1 系列中，共有 8 個(gè)定時(shí)器TIM1—TIM8，分為基本定時(shí)器，通用定時(shí)器和高級(jí)定時(shí)器.基本定時(shí)器 TIM6 和 TIM7 是一個(gè) 16 位的只能向上計(jì)數(shù)的定時(shí)器，它只能定時(shí)，沒有外部 I/O；通用定時(shí)器 TIM2/3/4/5 是一個(gè) 16 位的可以向上/下計(jì)數(shù)的定時(shí)器，可以定時(shí)、輸出比較和輸入捕捉，每個(gè)定時(shí)器有四個(gè)外部I/O；高級(jí)定時(shí)器 TIM1/8是一個(gè) 16 位的可以向上/下計(jì)數(shù)的定時(shí)器，可以定時(shí)、輸出比較，輸入捕捉，以及實(shí)現(xiàn)三相電機(jī)互補(bǔ)輸出信號(hào)，每個(gè)定時(shí)器有 8 個(gè)外部 I/O[4].此例以TIM6作定時(shí)器，設(shè)計(jì)一款LCD屏顯電子時(shí)鐘，計(jì)時(shí)60 min，最小顯示值1s.

2.1 TIM6定時(shí)器組成

根據(jù)STM32參考手冊(cè)基本定時(shí)器的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示[3].

圖1 基本定時(shí)器功能框圖Fig.1 Block Diagram of Basic Timer Function

定時(shí)器若要向外提供基本時(shí)鐘信號(hào)，需對(duì)相關(guān)寄存器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：

1)時(shí)鐘源TIM*CLK：根據(jù)STM32時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)置，通常掛載APB1時(shí)鐘總線，默認(rèn)取值為72MHz[5];

2)16位分頻器PSC：用于存放預(yù)分頻值，分頻范圍1～65536，則時(shí)鐘周期

CK_CLK= (PSC+1)/ TIM*CLK

(1)

即每計(jì)1個(gè)數(shù)的時(shí)間間隔

3)自動(dòng)重裝載寄存器ARR：用于存放16位計(jì)數(shù)值，用于設(shè)定定時(shí)長(zhǎng)度

Td= CK_CLK*ARR

(2)

綜上所述，首先對(duì)定時(shí)器初始化，將所預(yù)設(shè)參數(shù)寫入到對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體中，賦值包含以下內(nèi)容：

……

#define BASIC_TIM TIM6

#define BASIC_TIM_CLK RCC_APB1Periph_TIM6

#define BASIC_TIM_ARR 1000-1

#define BASIC_TIM_PSC 71

……

按照以上參數(shù)設(shè)置，基本定時(shí)時(shí)長(zhǎng)為：

Td= 〔(PSC+1)/ TIM*CLK〕 *ARR =(72/72M)*1 000=1ms

(3)

2.2 電子時(shí)鐘定時(shí)原理

如圖2所示，內(nèi)部定時(shí)器提供基準(zhǔn)時(shí)長(zhǎng)Td=1ms,引入定時(shí)中斷，每計(jì)時(shí)1ms中斷一次；中斷次數(shù)time= 1 000產(chǎn)生1s定時(shí)，即LCD 顯示屏每隔1 s更新一次秒位(sec)計(jì)數(shù)值；每計(jì)滿60 s更新一次分位(min)計(jì)數(shù)值，并將其分別顯示到LCD屏上.

圖2 定時(shí)原理示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Timing Principle

2.3 LCD顯示

內(nèi)部時(shí)基信號(hào)產(chǎn)生后，還需將結(jié)果顯示出來，STM32F103實(shí)驗(yàn)板配2.8吋16位數(shù)據(jù)接口液晶屏，控制芯片采用了ILI0341.ILI0341是一個(gè)用于TFT液晶顯示的單芯片控制驅(qū)動(dòng)器，具有262，144色的240RGB×320像素顯示方案；ILI0341支持8/9/16/18位數(shù)據(jù)總線的MCU接口，6/16/18位數(shù)據(jù)總線的RGB接口以及3/4線的SPI 接口[4]，本示例中液晶屏控制器采用了預(yù)先配置的8080 接口通訊，使用 16 根數(shù)據(jù)線的 RGB565格式.其相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序按照ILI9341標(biāo)準(zhǔn)編制，主要由如下幾步完成：

1)初始化LCD數(shù)據(jù)/控制管腳ILI9341_GPIO_Config ().

2)點(diǎn)亮背光 ILI9341_BackLed_Control ( ENABLE ).

3)初始化控制寄存器ILI9341_REG_Config ().

4)設(shè)置顯示模式ILI9341_GramScan(LCD_SCAN_MODE).

初始化液晶屏完成后，調(diào)用顯示驅(qū)動(dòng)函數(shù).

5)清屏ILI9341_Clear(0,0,LCD_X_LENGTH,LCD_Y_LENGTH).

6)設(shè)置顯示字符字體(8x16)、顏色(紅字)及背景(黑底)LCD_SetFont(&Font8x16);LCD_SetColors(RED,BLACK).

7)使用c標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)把時(shí)間變量轉(zhuǎn)化成字符串并顯示 sprintf(dispBuff,"time : %d: %d ",y,x);[6]LCD_ClearLine(LINE(6));ILI9341_DispStringLine_EN(LINE(6),dispBuff).將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字符串，存放于數(shù)組dispBuff并寫入指定行.

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在以51單片機(jī)為主控單元的系統(tǒng)中，我們往往采用直接配置寄存器控制字的方法來操控硬件，因?yàn)镸CS-51內(nèi)部寄存器只有21個(gè)，而且功能簡(jiǎn)單，程序設(shè)計(jì)直觀簡(jiǎn)便；而STM32作為系統(tǒng)主控制器，其內(nèi)部設(shè)備多達(dá)幾十個(gè)，而控制這些設(shè)備的寄存器有幾百個(gè)，若要使系統(tǒng)維持基本運(yùn)轉(zhuǎn)，操作這些寄存器所需的驅(qū)動(dòng)程序代碼成千上萬行，這對(duì)于應(yīng)用開發(fā)者來說逐條寫程序是不現(xiàn)實(shí)的.芯片廠商將這些外設(shè)的驅(qū)動(dòng)源碼封裝成固件函數(shù)包提供給用戶，由用戶在此基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，因此以STM32為主控制器的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)就包括項(xiàng)目搭建和程序設(shè)計(jì)兩部分.

3.1 固件庫(kù)文件結(jié)構(gòu)分析

1)啟動(dòng)文件startup_stm32f10x_hd.s：設(shè)置堆棧、PC指針和配置系統(tǒng)時(shí)鐘等.

2)時(shí)鐘配置文件system_stm32f10x.c：將外部時(shí)鐘倍頻并為各子模塊提供配套的時(shí)鐘源.

3)內(nèi)核相關(guān)的驅(qū)動(dòng)文件core_cm3.h：內(nèi)核的外設(shè)寄存器映射；core_cm3.c：內(nèi)核的外設(shè)驅(qū)動(dòng)固件庫(kù).

NVIC(嵌套向量中斷控制器)描述文件：misc.h和misc.c.

4)外設(shè)相關(guān)的庫(kù)文件stm32f10x.h：實(shí)現(xiàn)了內(nèi)核之外的寄存器映射；stm32f10x_xx.c：外設(shè)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫(kù)文件；

核外設(shè)備：GPIO、USRAT、I2C、SPI、FSMC等驅(qū)動(dòng)文件.

5)頭文件的配置文件stm32f10x_conf.h 頭文件的配置文件,將多個(gè)外設(shè)的頭文件進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配管理，如：

stm32f10x_usart.h，stm32f10x_i2c.h，stm32f10x_spi.h，stm32f10x_adc.h，stm32f10x_fsmc.h...

對(duì)外設(shè)描述的結(jié)構(gòu)體，映射地址的頭文件都放在stm32f10x_conf.h中進(jìn)行聲明，使用時(shí)只需包含該配置頭文件即可，并可通過“宏斷言”函數(shù)進(jìn)行選配.

6)專門注冊(cè)中斷服務(wù)函數(shù)的C文件：stm32f10x_it.c和stm32f10x_it.h.這些文件按照相應(yīng)的規(guī)則分布在不同的路徑下，這個(gè)規(guī)則就是ST集團(tuán)與各芯片開發(fā)商共同制訂的CMSIS標(biāo)準(zhǔn)[3].

3.2 工程項(xiàng)目構(gòu)建

參照CMSIS標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建項(xiàng)目文件以及組文件夾：CMSIS、FWlib、inc、src、Project、Output和User，并將固件庫(kù)提供的基本源代碼拷貝到對(duì)應(yīng)目錄下，如：項(xiàng)目文件創(chuàng)建并保存在Project路徑下；核外外設(shè)的驅(qū)動(dòng)程序復(fù)制到src源碼目錄下；對(duì)描述部件的寄存器結(jié)構(gòu)體統(tǒng)一定義在inc頭文件目錄下；而直接針對(duì)任務(wù)而設(shè)計(jì)的程序文件通常放置在用戶目錄User中，如main()程序，中斷服務(wù)程序等等.

在本例的電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)中，根據(jù)前面所介紹的定時(shí)器和LCD的工作原理，配置相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序或函數(shù)集，并寫入預(yù)設(shè)的定時(shí)參數(shù)，重新組合、設(shè)計(jì)功能程序：1)計(jì)算并確定定時(shí)初值以及分頻器參數(shù)；2)LCD 初始化機(jī)模式配置，設(shè)計(jì)變量顯示程序；3)中斷服務(wù)程序的數(shù)據(jù)處理部分程序設(shè)計(jì).

3.3 程序設(shè)計(jì)

首先對(duì)定時(shí)器、中斷寄存器、AFIO引腳以及液晶屏進(jìn)行初始化設(shè)置，并將設(shè)計(jì)的參數(shù)值寫入對(duì)應(yīng)寄存器中；開啟定時(shí)時(shí)鐘和中斷系統(tǒng)，主程序?qū)崟r(shí)不間斷顯示時(shí)間——分位(min)和秒位(sec)；中斷服務(wù)程序完成定時(shí)器計(jì)數(shù)值的更新和處理，并將其轉(zhuǎn)換成時(shí)間變量傳回主程序顯示，程序流程圖見圖3.

圖3 程序流程圖Fig.3 Program Flow Chart

4 結(jié)論

由于內(nèi)部時(shí)鐘源能提供1K～72MHz時(shí)鐘信號(hào)，誤差為±1%，則時(shí)鐘誤差最小可以控制在0. 01 us范圍內(nèi).通過上述實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的開發(fā)，總結(jié)出32位微處理平臺(tái)在工程實(shí)踐中的設(shè)計(jì)流程：(1)任務(wù)分析：根據(jù)設(shè)計(jì)要求明確項(xiàng)目所需實(shí)現(xiàn)功能，提出設(shè)計(jì)方案主體框架、功能模塊構(gòu)成、技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線；(2)搭建工程項(xiàng)目：根據(jù)STM32平臺(tái)所提供資源，確定主控系統(tǒng)模塊并搭建項(xiàng)目主體框架；對(duì)照現(xiàn)有資源匹配現(xiàn)有的子模塊，制作與主系統(tǒng)的接口函數(shù)并確定底層部件參數(shù)；(3)主系統(tǒng)集成：完成主要業(yè)務(wù)的程序編制并進(jìn)行系統(tǒng)整和調(diào)試.基于STM32平臺(tái)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，應(yīng)采用立足于對(duì)系統(tǒng)資源的整合和集成的思維方式，將各部件的驅(qū)動(dòng)程序看作一種供開發(fā)者使用的函數(shù)集合，開發(fā)者需要做的是將這些離散、抽象的“程序塊”有機(jī)地進(jìn)行組合，以搭積木的方式進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，這才是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的本質(zhì)所在.