基于STM32的嵌入式测控系统设计与实现

测控系统是水动力实验中的重要测试设备。在实验中有压力、拉力、加速度等物理量通过传感器转换成电压值，需要准确记录。虽然实验模型有很多种，但是共用传感器及测控系统，因此对测控系统的通用性和用户界面友好性提出了要求。本文采用嵌入式架构设计了测控系统。

本文设计的系统硬件基于STM32芯片，具有很强的扩展能力，易于移植，其外设单元资源丰富，能够达到系统要求的精度和范围。

1、硬件架构

采用嵌入式架构（见图1）的优点是通用性强，便于在多平台移植；主控芯片外围电路模块丰富，包括ADC、DA、CAN和SDIO等接口，独立完成对多种类型设备的测量、控制。芯片的主频高，运算能力也很强，适合嵌入复杂的算法。完全适合作为测控系统，具备系统升级和扩展的空间。

图1  嵌入式测控系统硬件架构

系统采用意法半导体推出的STM32F103，是基于Coretex-M3内核的32位ARM芯片系列，而ZET6属于该系列的高容量芯片，片内Flash为512KB，片内SRAM为64kB，主频72MHz，具备26位地址线和16位数据宽度。

系统的显示屏为翰彩4.3寸TFT液晶屏，分辨率为640×480，显示屏驱动模块是SSD1963，采用了16位（5位红色，6位绿色，5位蓝色）64K接口模式，由FSMC数据接口连接控制。覆盖电阻式触摸屏，控制芯片ADS7843输入触摸屏四路电压，用SPI通讯输出触摸点位置信息。图2所示为LCD接口电路。

图2  LCD驱动模块的接口电路

内部ADC模块是12位逐次逼近型，有16通道，采样率最高1MHz。STM32F103的CAN总线单元被称为bxCAN（BasicExtendedCAN），它支持CAN协议2.0A和2.0B；选用的CAN收发器是TJA1050，在CAN协议控制器和物理总线之间起到接口的作用，设计有120Ω的终端匹配电阻以适应不同的总线网络。图3所示为CAN模块的接口电路。另外，本文还设计了RS232接口以适应不同接口要求。

图3  CAN模块的接口电路

2、软件设计

本设计采用的STM32F103ZET6属于大存储器芯片，可以直接在工程里使用ST公司标准库自带的大存储器芯片启动代码，这个文件已经配置好了初始状态、中断向量表。用户自己需要设置的是使用的模块和通道，即CAN模块、ADC模块、USART模块和FSMC模块。

2.2、显示驱动

实现本文中的STM32F103利用FSMC（FlexibleStaticMemoryController）接口驱动显示电路。FSMC接口是一种总线接口，有4个专用的片选信号，可以访问最多4个NOR、NAND闪存或SRAM存储设备。本文系统采用存储块1（Bank1）作为数据、控制区域，其基地址从0x60000000开始，显示芯片数据或命令选择信号接在FSMC_A16上，因此LCD的指令地址、数据地址定义如下：

#defineBank1_LCD_Data（（uint32）0x60010000）//数据

#defineBank1_LCD_Cmd（（uint32）0x60000000）//指令

根据显示芯片SSD1963的指令集，编写了基础的画点、画线、画矩形的函数，便于以后作为uC/GUI的基础软件。触摸屏驱动的芯片ADSL7843用SPI口分别读出触摸点的x轴、y轴数据即可。

2.3、uC/OS移植与实现

uC/OS-II通过了FAA（FederalAviationAdministration）认证，在实时性要求很高的嵌入式工业控制领域能够放心使用。移植工作包括：

（1）在os_cpu.h中设置参数。A）使用的数据类型，即统一表达数据单元长度。B）设置堆栈参数如增长方向、操作单位等。ARM支持的是自顶向下的堆栈增长方式，即堆栈空间从高地址向低地址增长。单次堆栈操作单位是INT32U。C）任务中断宏定义选项：屏蔽所有中断，恢复所有中断，进行任务切换。前两个是为了保证重要函数或任务运行中的数据不会被改变（即代码临界段），第3个是用于uC/OS-II的任务切换。

（2）在os_cpu_c.c中使用C语言编写任务堆栈初始化函数：OSTaskStkInit（）。这个函数在创建任务的时候被OSTaskCreate（）或者OSTaskCreateExt（）调用，初始化任务堆栈，它是与处理器的特性紧密联系的。

（3）在os_cpu_a.asm中用汇编语言编写任务切换等底层函数：OSStartHighRdy（），OSCtxSw（），OSIntCtxSw（）。

OSStartHighRdy（）在多任务系统启动函数OSStart（）中调用，它设置系统运行标志位OSRunning=TRUE；将就绪表中最高优先级任务的栈指针加载到SP中，并强制中断返回。这样就绪的最高优先级任务就如同从中断返回到运行态一样，使得整个系统得以运转。

图4      uc/OS-II任务状态转换图 

2.4、uC/GUI的移植与实现

uC/GUI是一种嵌入式应用中的图形支持系统［6］。它设计用于为任何使用LCD图形显示的应用提供高效的独立于处理器及LCD控制器的图形用户接口，它适用单任务或是多任务系统环境，并适用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真实显示或虚拟显示。它的设计架构是模块化的，由不同的模块中的不同层组成。uC/GUI的软件构架如图5所示。最底层直接对LCD硬件操作，不同的系统需要根据LCD的控制器做相应的移植。第二层是LCD驱动程序最主要的层面，它利用硬件操作层实现最基本的绘图函数。第三层的uC/GUI函数库实现了复杂绘图函数的封装，给用户层提供API接口，解决了绘图中出现的大部分问题。用户加入自己的应用程序，利用API接口实现系统的图形界面。

图5  uc/GUI软件结构图

uC/GUI进行移植工作，主要包括：

（1）在guiconf.h中定义多系统支持、窗口管理等。

（2）在lcdconf.h中的总线接口和寄存器接口进行硬件接口的配置和定义。

（3）LCD驱动编程的实质是液晶屏上的点对应的显存编程，最底层调用函数为画点函数，根据自身平台情况根据总线接口和寄存器接口或者LCD控制器寄存器进行操作。首先写好底层驱动器对图形显示的操作函数：SetPoint（），GetPoint（）等；其次，实现基本绘图函数，如画圆、画线、画方框等：GUI_Line（），GUI_Rectangle（）等。最后，设置底层驱动器与uC/GUI之间的接口函数，因为有上述基础，只需对应填写接口函数。

完成全部步骤后，要使uC/GUI能运行于uC/OS-II系统上，还需要编写uC/GUI与uC/OS-II、触摸屏的接口文件，即修改GUI_X_Touch.c和GUI_X_uCOS.c文件。

3、软件流程

系统的整个软件流程采用任务分配执行方式，是按照定时节拍由任务切换完成的。从任务的角度可分为底层硬件接口的驱动任务和显示、触摸驱动任务。

表1列出了系统中建立的任务及其优先级、堆栈大小、任务目的等。

表1系统中建立的任务及其参数

图6左侧所示是软件流程初始化函数。

图6 软件初始化函数及主任务流程图

主任务的目的是初始化uC/OS-II时钟节拍，使用统计任务，建立用户任务。建立了4个用户任务，因为需要保证数据采集的准确性，所以ADC采样任务优先级较高，仅次于主任务，而用户界面和触摸驱动任务排在最后。uC/OS-II的任务结构规定必须为无返回的结构，也就是无限循环模式。所以主任务是延时0.5s无限循环。

中断函数的配置包括DMA中断和系统时钟中断。

ADC采样任务在系统建立后以530kHz采样周期始终进行，但是把AD采样的结果显示到屏幕上需要等待1kHz采样时钟中断程序用来发送启动信号量。

设计AppTaskUserIF任务作为用户界面任务，主要负责窗口建立、显示和刷新的工作。在界面任务中，建立一个主窗口作为父窗口，子控件为各个通道的瞬时值、平均值文本控件，启动按钮控件和倒计时文本控件。

4、系统应用

在水动力实验中应用本文设计的测控系统，体积为12cm×10cm×4cm，用具有水密性的盒子安装，如图7所示。实验要求5通道采集，采样频率100Hz，在达到实验状态后，采集10s数据，求平均值，显示并记录数据。经过测试，系统精度达到了1.46mV。

图7  采集数据运行中的嵌入式系统

5、结论

在嵌入式系统中，uC/OS-II和uC/GUI的体积小，功能全面，在STM32的ARM核上移植有成熟的经验，得到了广泛的应用。多任务的操作系统能够及时扩展和裁剪，非常适合嵌入式灵活多变的要求。本文设计的基于STM32的嵌入式测控系统功能完善，配备的触摸屏增强了操作互动性，很强的扩展性能够适用于不同的场合，具有很高的应用价值。