STM32處理器綜合應用市公開課一等獎省賽課獲獎課件

第九章STM32處理器綜合應用STM32處理器綜合應用第1頁9.1RTX_Blinky9.2MP3_PlayerSTM32處理器綜合應用第2頁9.1RTX_Blinky本節(jié)將介紹一個綜合應用RTX、ADC、GPIO、LCD實例RTX_Blinky。STM32處理器依據電位器電壓值來控制四相八拍步進電機旋轉速度，這里以四個LED燈閃爍來表示處理器給步進電機輸入，也就是經過電位器來控制四個LED燈循環(huán)閃爍速度，同時電位器電壓值在LCD上顯示。STM32處理器綜合應用第3頁作用其一是怎樣使用實時庫RTX來實現多任務應用程序；其二是怎樣使用MDK、ULink2和STM32處理器SW端口來進行實時跟蹤分析調試STM32處理器綜合應用第4頁9.1.1硬件電路STM32處理器綜合應用第5頁9.1.2RTX內核RTX內核是一個非常小RTOS，僅有50多個函數，沒有內存管理、文件管理等復雜功效，但能夠實現多任務管理和調度。RTX是用標準C語言編寫，由RealView編譯器編譯成，可輕松實現任務函數申明，而不需要復雜堆棧以及變量幀配置。利用RTX核編寫實時應用程序僅需要在源程序中包含一個連接RTX實時庫頭文件“RTX.h”即可。STM32處理器綜合應用第6頁RTX慣用函數os_sys_init(void(*task)(void))該函數用于初始化并開啟RTX核，在核被初始化后，將運行參數task所指向任務函數。該函數一定是放在C語言main()函數中。STM32處理器綜合應用第7頁RTX慣用函數OS_TIDos_tsk_create(void(*task)(void),U8priority)該函數創(chuàng)建由參數任務函數指針*task所指定任務，并將任務添加準備好隊列中，新任務會被動態(tài)分配一個任務識別號(TID)。參數priority用于指定任務優(yōu)先級，默認任務優(yōu)先權是1。0為閑置任務保留，假如指定一個任務優(yōu)先權為0，則自動用1代替，值255也保留。STM32處理器綜合應用第8頁RTX慣用函數voidos_evt_set(U16event_flags,OS_TIDtask);該函數為參數task指定任務設置標志，函數僅對參數event_flags中對應位為1事件設置標志。voidos_tsk_delete_self(void)該函數停頓并刪除當前任務，程序將繼續(xù)執(zhí)行下一個就緒隊列中最高優(yōu)先權任務。STM32處理器綜合應用第9頁RTX慣用函數voidos_dly_wait(U16delay_time)該函數用于暫停調用任務。參數delay_time詳細要求停頓時間長度，它由system_ticks衡量，delay_time能夠設置為從1至0xfffe任何值。STM32處理器綜合應用第10頁RTX慣用函數OS_RESULTos_evt_wait_and(U16wait_flags,U16timeout)該函數用于等候在wait_flags中被指定發(fā)生全部事件。函數等候參數wait_flags中對應位被設定為1事件，最多可達16個不一樣事件。timeout用于設置預約時間，預約時間之后即使沒有一個事件發(fā)生，函數必須返回。timeout可認為除了0xFFFF之外值，如果timeout設置為0xFFFF，則表示一個不確定預約時間。預約時間由系統(tǒng)時間衡量。STM32處理器綜合應用第11頁9.1.3軟件程序設計為了使用RTX以多任務方式驅動LED燈閃爍，設置5個任務OS_TIDt_phaseA、OS_TIDt_phaseB、OS_TIDt_phaseC、OS_TIDt_phaseD和OS_TIDt_lcd。其中前4個任務作用是點亮某個LED燈，延遲一段時間，然后經過設置標志觸發(fā)另一個任務執(zhí)行，再延遲一段時間之后，熄滅LED燈，等候下一次事件標志到來；經過這四個任務循環(huán)觸發(fā)能夠實現四個LED燈循環(huán)閃爍，其延遲時間由ADC轉換值決定。STM32處理器綜合應用第12頁軟件程序設計OS_TIDt_lcd用于將ADC轉換值顯示在LCD上，按固定時間間隔不停更新。除了以上5個任務之外，還有init任務和idle任務，init任務用于創(chuàng)建以上5個任務，該任務在完成之后自行刪除；idle任務無需創(chuàng)建，永遠存在，當系統(tǒng)無其它任務時執(zhí)行該任務。STM32處理器綜合應用第13頁源文件介紹Blinky.c該源文件用于創(chuàng)建多個任務，并多個任務之間觸發(fā)。STM32_Init.c該源文件用于初始化STM32處理器各個外圍接口設備。STM32處理器綜合應用第14頁源文件介紹Setup.c該文件用于設置ADC和LED相關端口和時鐘。RTX_Config.c該文件用于配置RTX參數，比如同時運行最多任務數、任務堆棧等。MDK在\Keil\ARM\RV30\Startup下自帶了幾款MCURTX配置模版文件，編程時能夠先加入近似MCU配置模版文件，然后使用配置向導來修改參數，以下頁圖所表示，無需編程。STM32處理器綜合應用第15頁RTX參數配置向導STM32處理器綜合應用第16頁源文件介紹LCD_4BIT.c該文件用于提供評定板上2行16字符文本LCD驅動。STM32處理器綜合應用第17頁9.1.4實時跟蹤分析Cortex-M3處理器內核能夠使用SW接口進行實時跟蹤（Trace）；這里結合RTX_Blinky介紹怎樣使用MDK、ULink2進行STM32實時跟蹤工具。STM32處理器綜合應用第18頁9.1.4.1配置實時跟蹤調試若要使用SW進行實時調試，則需要按以下步驟配置調試器、配置SWD、配置跟蹤功效。配置調試器：選擇Project->OptionsforTarget–>Debug，在以下頁圖所表示對話框中選擇ULINKCortexDebugger調試器。STM32處理器綜合應用第19頁選擇調試器STM32處理器綜合應用第20頁配置實時跟蹤調試然后將路徑\Keil\ARM\Startup\ST下STM32DBG.ini文件拷貝到工程文件夾中。選擇Project->OptionsforTarget–>Debug，在InitializationFile選項中選擇該文件：STM32處理器綜合應用第21頁STM32DBG.ini文件用于配置實時跟蹤選項，能夠使用配置向導來修改該文件：STM32處理器綜合應用第22頁STM32DBG.ini中可配置選項（1）DBG_SLEEP(DebugSleepMode)：允許在睡眠模式下調試；DBG_STOP(DebugStopMode)：允許在停頓模式下調試；DBG_STANDBY(DebugStandbyMode)：允許在備用模式下調試；TRACE_IOEN(TracePinAssignmentcontrol)：允許跟蹤引腳分配；TRACE_MODE(TracePinAssignmentControl)：設置跟蹤引腳分配；STM32處理器綜合應用第23頁STM32DBG.ini中可配置選項（2）DBG_IWDG_STOP(DebugIndependentWatchdogstoppedwhenCoreishalted)：當處理器核掛起時候，停頓獨立看門狗時鐘；DBG_WWDG_STOP(DebugWindowWatchdogstoppedwhenCoreishalted)：當處理器核掛起時候，停頓窗口看門狗時鐘；DBG_TIMx_STOP(DebugTimerstoppedwhenCoreishalted)：當處理器核掛起時候，停頓調試時鐘；DBG_CAN_STOP(DebugCANstoppedwhenCoreishalted)：CAN接收存放器被凍結。STM32處理器綜合應用第24頁配置SWD選擇OptionsforTarget–>Debug–>Settings，如圖所表示，設置SWD，端口選擇SW。STM32處理器綜合應用第25頁配置Trace功效Trace功效包含：CoreClock、TracePort以及定義TraceEvents等，如圖所表示。STM32處理器綜合應用第26頁9.1.4.2實時跟蹤MDK提供了各種實時跟蹤窗口，來從不一樣角度顯示實時跟蹤所捕捉統(tǒng)計；包含：狀態(tài)欄信息、ITM觀察器、邏輯分析儀、RTX核事件觀察器和實時跟蹤窗口。STM32處理器綜合應用第27頁狀態(tài)欄信息假如配置了實時跟蹤，當選擇Debug->StartDebugSession菜單開始調試時，μVision3窗口狀態(tài)欄將顯示當前跟蹤狀態(tài)信息：在狀態(tài)欄中可能顯示以下Trace信息：Trace:CommunicationError，表示Cortex-M3和μVision之間通信出現錯誤，原因是CoreClock設置犯錯或者Trace硬件有問題；Trace:HWBufferOverrun，表示ULink2緩沖超出，ULink2無法給μVision提供足夠快數據通信；STM32處理器綜合應用第28頁在狀態(tài)欄中可能顯示以下Trace信息續(xù)Trace:SWBufferOverrun，發(fā)生μVision內部軟件緩沖超出；Trace:NoSynchronization，未受到同時包，原因是配置錯誤或者未連接跟蹤硬件；Trace:DataStreamError，檢測到跟蹤數據流；Trace:DataOverflow，捕捉了太多跟蹤數據，跟蹤端口太忙造成跟蹤包丟失；Trace:Running...，表示目標板和實時跟蹤允許正確；TargetandRealtimeTraceisrunningwithoutanyerrors.<none>：表示目標板和實時跟蹤停頓，之前未發(fā)生任何錯誤。STM32處理器綜合應用第29頁ITM觀察器（ITMViewer）ITM是一個應用驅動跟蹤源，支持應用事件跟蹤和printf類型調試。它支持以下跟蹤信息源：軟件跟蹤、硬件跟蹤和時間戳。STM32處理器綜合應用第30頁要使用ITM觀察器，首先需要在源代碼中加入以下關于ITM端口存放器定義：#defineITM_Port8(n)(*((volatileunsignedchar*)(0xE0000000+4*n)))#defineITM_Port16(n)(*((volatileunsignedshort*)(0xE0000000+4*n)))#defineITM_Port32(n)(*((volatileunsignedlong*)(0xE0000000+4*n)))#defineDEMCR(*((volatileunsignedlong*)(0xE000EDFC)))#defineTRCENA0x01000000STM32處理器綜合應用第31頁然后，在源代碼中添加fputc函數，它用于向ITM激勵端口0存放器寫數據：struct__FILE{inthandle;/*Addwhateveryouneedhere*/};FILE__stdout;FILE__stdin;intfputc(intch,FILE*f){if(DEMCR&TRCENA){while(ITM_Port32(0)==0);ITM_Port8(0)=ch;}return(ch);}STM32處理器綜合應用第32頁有了fputc函數之后，就能夠用printf函數做為ITM調試輸出。ITM激勵端口0與ITMViewer窗口之間連接是固定關系：STM32處理器綜合應用第33頁完成以上設置之后，在目標調試期，能夠選擇View->SerialWindow->ITMViewer打開ITMViewer窗口STM32處理器綜合應用第34頁這時就能夠在目標調試期間經過ITMViewer窗口查看到調試跟蹤信息：STM32處理器綜合應用第35頁邏輯分析儀（LogicAnalyzer）使用實時調試，能夠經過邏輯分析器觀察至多4個變量值改變。STM32處理器綜合應用第36頁在調試期間，能夠在邏輯分析儀中添加希望觀察變量：STM32處理器綜合應用第37頁RTX核事件觀察器

（RTXKernelEventViewer）當運行使用實時庫RTX應用程序時，可使用RTXKernelEventViewer窗口來觀察任務切換過程。還需要允許TraceEnable，并設置正確CoreClock：STM32處理器綜合應用第38頁完成上述設置之后，在目標調試過程中選擇Peripherals－>RTXKernel即可打開RTXKernel窗口：STM32處理器綜合應用第39頁System窗口STM32處理器綜合應用第40頁EventViewer窗口STM32處理器綜合應用第41頁實時跟蹤窗口在實時調試時，選擇Peripherals–>Trace菜單，來觀察和分析全部跟蹤統(tǒng)計:STM32處理器綜合應用第42頁ExceptionTrace窗口STM32處理器綜合應用第43頁EventCounters窗口顯示特殊事件計數器值:STM32處理器綜合應用第44頁Cortex-MTargetDriverSetup窗口中選擇對那些特殊事情進行計數:STM32處理器綜合應用第45頁9.2MP3_Player本節(jié)將介紹一個利用STM32處理器實現簡易MP3Player設計實例；這個綜合應用實例有利于讀者了解SPI接口、SD卡、TIMER、USB、FAT文件系統(tǒng)等應用。STM32處理器綜合應用第46頁兩種設計方案第一個方案是簡易聲波播放器，僅使用STM103V100評定板；令計時器TIM4工作在PWM模式下，將wav格式聲波文件從SD卡中讀出；由TIM4產生不一樣頻率方波經過低通濾波器和放大器送喇叭。STM32處理器綜合應用第47頁簡易聲波播放器方案STM32處理器綜合應用第48頁第二種方案第二種方案即是簡易MP3播放器；還需要使用額外解碼芯片，將MP3格式文件從SD卡讀出，然后送解碼芯片解碼播放。STM32處理器綜合應用第49頁簡易MP3Player方案STM32處理器綜合應用第50頁9.2.1SD卡結構及讀寫方法SD卡（SecureDigitalMemoryCard）是一個為滿足安全性、容量、性能和使用環(huán)境等各方面需求而設計一個新型存放器件；SD卡允許在兩種模式下工作，即SD模式和SPI模式，本系統(tǒng)采取SPI模式。STM32處理器綜合應用第51頁SD連接器與STM32處理器SPI連接圖STM32處理器綜合應用第52頁SD卡內部結構及引腳STM32處理器綜合應用第53頁SD卡主要引腳和功效為：CLK：時鐘信號，每個時鐘周期傳輸一個命令或數據位，頻率可在0～25MHz之間改變，SD卡總線管理器能夠不受任何限制自由產生0～25MHz頻率；CMD：雙向命令和回復線，命令是一次主機到從卡操作開始，命令能夠是從主機到單卡尋址，也能夠是到全部卡；回復是對之前命令回答，回復能夠來自單卡或全部卡；DAT0～3：數據線，數據能夠從卡傳向主機也能夠從主機傳向卡。STM32處理器綜合應用第54頁SD卡命令SD卡以命令形式來控制SD卡讀寫等操作?？梢罁顚Χ鄩K或單塊進行讀寫操作。在SPI模式下其命令由6個字節(jié)組成，其中高位在前。STM32處理器綜合應用第55頁讀寫SD卡兩個函數：讀取SD卡函數u8MSD_ReadBlock(u8*pBuffer,u32ReadAddr,u16NumByteToRead);寫讀取SD卡函數u8MSD_WriteBlock(u8*pBuffer,u32WriteAddr,u16NumByteToWrite)STM32處理器綜合應用第56頁9.2.2FAT16文件系統(tǒng)介紹SD卡假如采取FAT16文件格式，按照其不一樣特點和作用大致可分為5部分：MBR區(qū)、DBR區(qū)、FAT區(qū)、FDT區(qū)和DATA區(qū)。因為SD卡普通不做引導盤，普通也不分區(qū)，所以通常無MBR區(qū)，直接從DBR區(qū)開始。STM32處理器綜合應用第57頁DBR區(qū)內容為系統(tǒng)引導統(tǒng)計，它包含一個引導程序和一個被稱為BPB（BiosParameterBlock）本分區(qū)參數統(tǒng)計表。引導程序主要任務是當MBR將系統(tǒng)控制權交給它時，判斷本分區(qū)根目錄是否有操作系統(tǒng)引導文件，假如有則將其讀入內存，并把控制權交給該文件。BPB參數塊統(tǒng)計著本分區(qū)起始扇區(qū)、結束扇區(qū)、文件存放格式、根目錄大小、FAT個數，分配單元大小等主要參數。STM32處理器綜合應用第58頁FAT區(qū)該區(qū)內容為文件分配表，FAT16文件系統(tǒng)進行空間分配最基本單位是簇。文件分配表反應了SD卡全部簇使用情況，經過查文件分配表能夠得知任一簇使用情況。STM32處理器綜合應用第59頁FAT表對于FAT16來說，FAT表每項占用兩個字節(jié)。FAT表第一項通常為FFF8H。對于其它項，若其值為0000H表示可用；FFF7H表示為壞簇；FFF8H-FFFFH之間表示該簇為某文件或目錄最終一個簇，FFF0H-FFF6H之間為保留值；其它值則指示下一個簇簇號。STM32處理器綜合應用第60頁FDT區(qū)該區(qū)內容為文件目錄表，FAT文件系統(tǒng)一個主要思想是把目錄（文件夾）看成一個特殊文件來處理，FAT32甚至將根目錄看成文件處理。FAT分區(qū)中全部目錄文件，實際上能夠看作是一個存放其它文件（文件夾）入口參數數據表。所以，目錄占用空間大小并不等同于其下全部數據大小，但也不等于0，通常是占很小空間。其詳細存放原理是：不論目錄文件所占空間為多少簇，一簇為多少扇區(qū)、多少字節(jié)；系統(tǒng)都會以32個字節(jié)為單位，進行目錄文件所占簇分配。STM32處理器綜合應用第61頁DATA區(qū)該數據區(qū)存放文件內容，SD卡所占用空間絕大部分為此部分。假如文件長度大于一個簇大小，需要多個簇存放該文件，這些放經過FAT鏈表串連起來。STM32處理器綜合應用第62頁9.2.3VS1003-MP3/WMA

音頻編解碼器介紹VS1003是由芬蘭VLSISolutionOy企業(yè)所設計一款單片MP3/WMA/MIDI音頻解碼器和ADPCM編碼器；它包含一個高性能、自主產權低功耗DSP處理器核VSDSP4。STM32處理器綜合應用第63頁VS1003內部結構及引腳STM32處理器綜合應用第64頁VS1003芯片與STM32F103x處理器配合VS1003能夠作為一個微控制器從機，經過串行SPI接口來接收輸入比特流，輸入比特流被解碼后，能夠經過一個數字音量控制器抵達一個18位過采樣多位DAC。STM32處理器讀取SD卡中MP3文件，將其經過SPI接口送往VS1003芯片播放，然后再利用STM32F10X處理器一些GPIO口來控制VS1003即能夠實現一個MP3Player原形設計。STM32處理器綜合應用第65頁9.2.4簡易聲波播放器設計與實現經過SPI1從SD卡中讀取聲波文件，將所讀取部分存放在一個緩沖器中，利用TIMER2通道1定時產生中止，從緩沖器中讀取聲音數據，然后依據聲音數據經過TIMER4通道3產生不一樣頻率方波輸出。這里使用了兩個緩沖器，一個用于存放從SD卡讀到聲音數據，另一個用于將聲音數據輸出到PWM，兩個緩沖區(qū)功效不停交替，形成一個由2個緩沖區(qū)組成環(huán)形緩沖。播放聲波文件由PC機經過超級終端以命令方式選擇，聲音播放狀態(tài)也顯示在PC機超級終端上。STM32處理器綜合應用第66頁main.c源文件包含以下幾個主要函數：SetupClock：用于初始化并設置系統(tǒng)時鐘，并允許GPIOA、GPIOB、TIM2、TIM4和SPI時鐘；Speaker_Timer_Config:用于配置定時器TIM2和TIM4，TIM4通道3處于PWM1模式；TIM2通道1工作于輸出比較模式，定時發(fā)出中止，在每次中止修改TIM4通道3相關存放器，使之產生不一樣頻率方波；USART_Scanf_Name和USART_Scanf_Cmd：用于從超級終端獲取輸入字符串；STM32處理器綜合應用第67頁main.c源文件包含以下幾個主要函數(續(xù))PrintPass：用于在超級終端上輸出提醒符“X:>”；main:主函數，首先初始化系統(tǒng)時鐘、串口、連接SD卡SPI1，與SD進行通訊初始化，檢測并在超級終端上打印SD卡信息；然后依據用戶在超級中輸入命令進行操作，這里有“dir”、“cd”、“read”、“free”、“play”五個簡單命令，分別是目錄項列表、目錄更換、以文本方式讀取文件、查詢SD空余空間和播放聲音文件；假如輸入“Play***.wav”，則處理器開始從SD卡中讀取對應聲波文件，并將其放入對應緩沖區(qū)；STM32處理器綜合應用第68頁msd.c：該文件用于提供SD卡驅動，由ST企業(yè)所帶例程提供，本系統(tǒng)用到以下一些函數。SPI_Config：配置與SD卡相連接SPI1；MSD_Init：初始化SD卡通訊；MSD_WriteByte：向SD卡寫一個字節(jié)；MSD_WriteByte：從SD卡讀一個字節(jié)；MSD_GoIdleState：令SD卡處于空閑態(tài)；Get_Medium_Characteristics：獲取SD卡容量；MSD_SendCmd：向SD卡發(fā)命令；MSD_GetResponse：從SD卡獲取響應；MSD_ReadBlock：從SD卡讀取一塊數據；STM32處理器綜合應用第69頁fat16.c：該文件提供FAT16文件系統(tǒng)支持，主要包含以下一些函數：ReadMBR：讀取MBR數據結構；ReadBPB：讀取BPB數據結構；ReadFAT：讀取文件分配表指定項；ReadBlock：讀取一個扇區(qū)；FAT_Init：獲取FAT16文件系統(tǒng)基本信息；DirStartSec：獲取根目錄開始扇區(qū)號；DataStartSec：獲取數據區(qū)開始扇區(qū)號；STM32處理器綜合應用第70頁fat16.c續(xù)ClusConvLBA：獲取一個簇開始扇區(qū)號；LBAConvClus：轉換扇區(qū)號與簇號之間關系；LBAConvClus：計算可用空間，返回字節(jié)數；GetFileName：獲取指定文件首扇區(qū)號；List_DateAndTime：獲取文件或目錄項日期時間；SearchFoler：在指定范圍內查找子目錄；List_AllDir_Long：列出指定范圍內目錄及目錄信息；FAT_FileOpen：打開指定文件；FAT_FileRead：讀取文件數據；STM32處理器綜合應用第71頁uart.c

hw_config.cuart.c：該文件提供USART串口驅動函數，能夠參考7.5串行通訊接口實例程序；hw_config.c：該文件包含系統(tǒng)初始化設置函數和中止配置函數。Set_System：用于提供系統(tǒng)時鐘及電源設置；NVIC_Config：用于設置中止向量，允許TIM2中止；STM32處理器綜合應用第72頁stm32f10x_it.c

UnicodeToGB2312.cstm32f10x_it.c：該文件僅包含一個函數TIM2_IRQHandler，即在每次TIM2中止時從緩沖器中讀取音頻數據送TIM4定時器，以用于產生不一樣頻率聲音。UnicodeToGB2312.c：該文件僅包含一個函數UnicodeToGB2312，處理從UniCode編碼到GB2312字符轉換，用于處理長文件名。STM32處理器綜合應用第73頁查看SD卡內容STM32處理器綜合應用第74頁播放聲波文件STM32處理器綜合應用第75頁9.2.5簡易MP3Player設計與實現9.2.4小節(jié)所介紹聲音播放器，是經過定時器TIM4產生不一樣頻率方波來產生聲音，所以只適合播放wav聲波文件，其音質也非常粗糙。假如希望播放MP3文件，并產生高品質聲音，則需要使用專用聲音解碼芯片，這將得到一個簡易MP3Player原型設計。STM32處理器綜合應用第76頁9.2.5.1

硬件設計STM32處理器綜合應用第77頁9.2.5.2軟件程序設計經過SPI1從SD卡中讀取MP3文件，將所讀取內容經過SPI2發(fā)送到VS1003解碼器中播放；PC機可經過USB總線讀寫SD卡內容，傳送MP3文件；PC機超級終端用于發(fā)送MP3播放命令、顯示MP3播放狀態(tài)。STM32處理器綜合應用第78頁main.c：源文件包含以下幾個主要函數：USART_Scanf_Name和USART_Scanf_Cmd：用于從超級終端獲取輸入字符串；PrintPass：用于在超級終端上輸出提醒符“X:>”；main:主函數，首先初始化系統(tǒng)時鐘、串口、USB接口、SPI1、SPI2，經過命令開啟VS1003芯片，檢測并在超級終端上打印SD卡信息；然后依據用戶在超級中輸入命令進行操作，這里有“dir”、“cd”、“read”、“free”、“usb”、“vstest”、“play”七個