采用STM32处理器实现数字PDA设计

南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文） 学 院：电子与电气工程学院 专 业： 自 动 化 学 生： 郭 江 峰 指导教师： 高 有 堂 完成日期 2014 年 5 月 南阳理工学院本科生毕业设计（论文） 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 The Design and Implementation of PDA Using The STM32 Processor 总 计： 34 页 表 格： 1 个 插 图 ： 21 幅 南南 阳阳 理理 工工 学学 院院 本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 The Design and Implementation of PDA Using the STM32 Processor 学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 自 动 化 学 生 姓 名： 郭 江 峰 学 号： 1209624033 指 导 教 师（职称）： 高有堂（教授） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 I 采用采用 STM32STM32 处理器实现数字处理器实现数字 PDAPDA 设计设计 自动化专业 郭江峰 摘摘 要要 随着嵌入式技术的发展，作为嵌入式系统中的重要产品PDA 也之发 展而不断提高。本系统应用 Cortex-M3 内核的 Stm32 处理器完成数字 PDA 的硬件及软 件设计，在嵌入式最小系统的基础上扩展了 RS232/485 接口、CAN 接口、USB 接口、 SD 卡、LCD 触摸屏、蓝牙、无线传输等 PDA 专用功能模块。为了突出控制器的实时 性、易操作性、可视性，软件方面在功能强大的处理器上融合了非常流行的 C/OS-II 实时操作系统、CGUI 图形化界面接口，使其能方便地对 PDA 进行操作。通过实验最 终实现语音信号的采集、存储、无线传输功能。 关键词关键词 PDA；Stm32；C/OS-II；无线传输 The Design and Implementation of PDA Using the STM32 processor Automation Specialty GUO Jiang-feng Abstract: With the development of embedded systems, Personal Digital Assistantas an important embedded system is continuous improvement .The system uses the Stm32 processor with Cortex-M3 core to complete Personal Digital Assistants hardware and software design, it extends the minimum RS232/485 interface, CAN interface, USB interface, SD card, LCD touch screen, Bluetooth, wireless transmission and other Personal Digital Assistant special function modules based on the embedded system . In order to highlight the performance of controllers ,real-time, easy maneuverability and visibility ,On the software side ,we have used C/OS-II real-time operating system and CGUI graphical interface port on the powerful processor, So that users can easily operate on the Personal Digital Assistant. By lots of experiment .this set can achieve the function of voice signal acquisition, storage and wireless transmission. Key words: Personal Digital Assistant;Stm32;C/OS-II; wireless transmission 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 II 目 录 1 引言 1 1.1 数字 PDA 研究背景 .1 1.2 课题研究任务 .2 1.3 论文组织结构安排 .2 2 PDA 的硬件设计.3 2.1 STM32 处理器3 2.2 最小系统设计 .5 2.3 通信接口设计 .6 2.3.1 RS232 接口.6 2.3.2 RS485 接口.7 2.3.3 蓝牙模块设计 8 2.3.4 无线 NRF24L01 接口 10 2.3.5 CAN 通讯接口11 2.4 存储接口设计 12 2.4.1 W25Q64 存储器.12 2.4.2 SD 卡存储器.13 2.5 语音接口设计 14 2.6 显示接口设计 15 2.7 数字 PDA 的 PCB 设计 16 3 PDA 的软件设计19 3.1 STM32 软件开发平台.19 3.2 C/OS-II 操作系统.19 3.2.1 C/OS-II 操作系统的移植20 3.2.2 C/OS-II 任务的运行23 3.3 CGUI 图形界面设计 24 4 系统调试 .26 4.1 PDA 外围硬件检测.27 4.2 无线联调存储实验 28 结束语 .29 参考文献 .30 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 III 附录 .31 致谢 .32 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 1 1 引言 1.1 数字 PDA 研究背景 PDA(Personal Digital Assistant)是个人数字助手的意思。顾名思义就是 辅助个人工作的数字工具，优点是轻便、小巧、可移动性强。PDA（Personal Digital Assistant） ，又称为掌上电脑，正如“掌上电脑”这个名字一样，它在 许多方面和我们的台式机相像。比如它同样有 CPU、存储器、显示芯片以及操作 系统等。并且正如个人电脑有 Mac 和 Windows 阵营之分，PDA 也有 Palm 和 PPC 之 分，其主要区别就在于操作系统的不同。尽管如此，PDA 的功能大体是一样的， 主要可以用来记事、文档编辑、玩游戏、播放多媒体、通过内置或外置无线网卡 上网等。并且通过许多第三方软件，还可以看电子书、图像处理、外接 GPS 卡导 航等。 PDA 按使用来分类，分为工业级 PDA 和消费品 PDA。工业级 PDA 主要应用在 工业领域，常见的有条码扫描器、RFID 读写器、POS 机等都可以称作 PDA；消费 品 PDA 包括的比较多，智能手机、平板电脑、手持的游戏机等。 从宏观上看，PDA 将有以下几个发展趋势： （1） 低能源消耗 PDA 产品多以 PDA 专用的充电器来提供能源，彼此之间必不兼容，普通电池 无法支持或消耗电能极快，若使 PDA 的使用更方便，PDA 对电能的需求也将会变 得多元化，需要其在能源消耗上进步探索，如储存电能的设备都可以为 PDA 供电， 如汽车电瓶、手表电池、太阳能电池等其他任何可能形式的电能。 （2）无线资料传输 传统的传输线有长度的限制，对设备的位置也有一定要求，传输线不易整理、 携带不便，也不雅观。通过由蓝牙构造的无线网络，可使 PDA 与计算机的连接更 方便，或进行 Web 浏览，或下载软件，让用户无论何时何地都能方便的及时的进 行数据交换和信息交流。 （3） 集多种功能为一体 PDA 正朝着计算、通讯、网络、存储、娱乐、电子商务、专业应用等多功能 的融合的趋势发展。尤其 PDA 与手机功能组合的 PDA 手机为越来越多的高端用 户所青睐，正逐渐成为国际移动终端市场新的潮流趋势和主流力量。 中国物联网校企联盟认为：PDA 市场蕴藏着无限的商机和潜力，世界上各个 大公司和公司集团都在力争 PDA 朝着自己所希望的方向发展。在内地，手机市场 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 2 基本上是海外的摩托罗拉、诺基亚、爱立信等公司占优势，而 PDA 市场则以国 内厂商为主。因此，我国需要在这场竞争中抓住机遇并争取一席之地。 PDA 属于嵌入式系统一部分，嵌入式系统无处不在，从家用电器、PDA、电 视机，到工业现场，通信，仪表，汽车，船舶，航空，航天，军事装备，消费类 产品等方面，都能发现嵌入式系统的踪影。 ，嵌入式系统带来的工业年产值已超 过了 1 万亿美元，他正成为信息技术(IT)产业争夺的重点之一。 1.2 课题研究任务 随着 ARM(Advanced RISC Machines)技术的推广，嵌入式芯片从原来的 8 位 16 位等升级到 32 位，嵌入式领域的发展出现了一片新的天地，各种优秀的嵌入 式操作系统的出现，使设计一个较大的嵌入式系统变得不再那么的复杂，也使嵌 入式系统的扩展和升级变得相对容易。随着互联网的应用日益普及，信息共享的 程度不断提高，互联网的应用正在转到以嵌入式设备为中心。 本系统应用 Cortex-M3 内核的 stm32 处理器1完成数字 PDA 的硬件及软件设 计，在嵌入式最小系统的基础上扩展了 RS232/485 接口、CAN 接口、USB 接口、 SD 卡、LCD 触摸屏、蓝牙、无线传输等 PDA 专用功能模块。为了突出控制器的 实时性、易操作性、可视性，软件方面在功能强大的处理器上融合了非常流行的 UCOS-II 实时操作系统、UCGUI 图形化界面接口，使其能方便地对 PDA 进行操 作。最终实现语音信号的采集、存储、无线传输、回放的功能。 1.3 论文组织结构安排 论文围绕采用 Stm32 处理器的 PDA 设计展开论证。第 1 章已经从课题的研究 背景，发展方向进行了阐述。第 2 章主要从系统整体考虑，综合各方面专业知识 确定总的硬件设计方案，主要介绍 Stm32 处理器，最小系统设计，蓝牙通信，无 线传输，显示接口，存储接口，语音采集等方面介绍硬件设计方案。第 3 章介绍 PDA 的设计软件、主要包括 C/OS-II 实时操作系统，CGUI 图形设计接口，触摸 屏接口程序，存储方案，无线通信接口程序，语音采集处理程序等。然后第 4 章 对整个系统运行进行调试以完成语音信号的采集，存储，传输，回放等功能。下 图为此次毕业设计的整体组织结构安排： PDA 研究背 景 PDA 系统硬 件方案设计 PDA 系统软 件方案设计 系统采集存 储传输调试 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 3 图 1 组织结构图 2 PDA 的硬件设计 应用 Stm32 处理器的数字 PDA 的硬件平台设计主要包括以下几个模块设计： 最小 Stm32 系统设计，通信接口设计主要包括：RS232 接口设计，RS485 接口设 计，CAN 接口设计，FBT-06 蓝牙接口设计，NRF24L01 无线传输接口设计。存 储接口设计；显示接口设计； 2.1 STM32 处理器 处理器相当于人体的大脑机制，整个系统在处理器合理指挥调度下才能完成 我们赋予他们的任务，所以一款合适的处理器对于整个系统来说是非常重要的。 经过综合考虑本设计对处理器的选择主要从以下三个方面来考虑2： （1） 集成嵌入式 Flash 和 SRAM 存储器的 ARM Cortex-M3 内核。和 8/16 位 设备相比，ARM Cortex-M3 32 位 RISC 处理器提供了更高的代码效率。 STM32F103xx 微控制器带有一个嵌入式的 ARM 核，所以可以兼容所有的 ARM 工 具和软件。 （2） 嵌入式 Flash 存储器和 RAM 存储器：内置多达 512KB 的嵌入式 Flash，可用于存储程序和数据。多达 64KB 的嵌入式 SRAM 可以以 CPU 的时钟速 度进行读写（不待等待状态） 。 （3） 可变静态存储器（FSMC）：FSMC 嵌入在 STM32F103xC，STM32F103xD，STM32F103xE 中，带有 4 个片选，支持四种模 式：Flash,RAM,PSRAM,NOR 和 NAND。3 个 FSMC 中断线经过 OR 后连接到 NVIC。没有读/写 FIFO，除 PCCARD 之外，代码都是从外部存储器执行，不支持 Boot，目标频率等于 SYSCLK/2，所以当系统时钟是 72MHz 时，外部访问按照 36MHz 进行。 （4） 嵌套矢量中断控制器（NVIC）：可以处理 43 个可屏蔽中断通道（不包 括 Cortex-M3 的 16 根中断线） ，提供 16 个中断优先级。紧密耦合的 NVIC 实现了 更低的中断处理延迟，直接向内核传递中断入口向量表地址，紧密耦合的 NVIC 内 核接口，允许中断提前处理，对后到的更高优先级的中断进行处理，支持尾链，自 动保存处理器状态，中断入口在中断退出时自动恢复，不需要指令干预。 （5） 外部中断/事件控制器（EXTI）：外部中断/事件控制器由用于 19 条产 生中断/事件请求的边沿探测器线组成。每条线可以被单独配置用于选择触发事件 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 4 （上升沿，下降沿，或者两者都可以） ，也可以被单独屏蔽。有一个挂起寄存器来 维护中断请求的状态。当外部线上出现长度超过内部 APB2 时钟周期的脉冲时， EXTI 能够探测到。多达 112 个 GPIO 连接到 16 个外部中断线。 （6） 时钟和启动：在启动的时候还是要进行系统时钟选择，但复位的时候内 部 8MHz 的晶振被选用作 CPU 时钟。可以选择一个外部的 4-16MHz 的时钟，并且 会被监视来判定是否成功。在这期间，控制器被禁止并且软件中断管理也随后被禁 止。同时，如果有需要（例如碰到一个间接使用的晶振失败） ，PLL 时钟的中断管 理完全可用。多个预比较器可以用于配置 AHB 频率，包括高速 APB(PB2)和低速 APB（APB1） ，高速 APB 最高的频率为 72MHz，低速 APB 最高的频率为 36MHz。 （7） Boot 模式：在启动的时候，Boot 引脚被用来在 3 种 Boot 选项种选择一 种：从用户 Flash 导入，从系统存储器导入，从 SRAM 导入。Boot 导入程序位于 系统存储器，用于通过 USART1 重新对 Flash 存储器编程。 （8） 电源供电方案：VDD ，电压范围为 2.0V-3.6V，外部电源通过 VDD 引 脚提供，用于 I/O 和内部调压器。VSSA 和 VDDA，电压范围为 2.0-3.6V，外部模 拟电压输入，用于 ADC，复位模块，RC 和 PLL，在 VDD 范围之内（ADC 被限制 在 2.4V） ，VSSA 和 VDDA 必须相应连接到 VSS 和 VDD。VBAT，电压范围为 1.8-3.6V，当 VDD 无效时为 RTC，外部 32KHz 晶振和备份寄存器供电（通过电源 切换实现） 。 （9） 电源管理：设备有一个完整的上电复位（POR）和掉电复位（PDR）电 路。这条电路一直有效，用于确保从 2V 启动或者掉到 2V 的时候进行一些必要的 操作。当 VDD 低于一个特定的下限 VPOR/PDR 时，不需要外部复位电路，设备也 可以保持在复位模式。设备特有一个嵌入的可编程电压探测器（PVD） ，PVD 用于 检测 VDD，并且和 VPVD 限值比较，当 VDD 低于 VPVD 或者 VDD 大于 VPVD 时会产生一个中断。中断服务程序可以产生一个警告信息或者将 MCU 置为一个安 全状态。PVD 由软件使能。 （10） 低功耗模式：STM32F103xx 支持 3 种低功耗模式，从而在低功耗，短 启动时间和可用唤醒源之间达到一个最好的平衡点。休眠模式：只有 CPU 停止工 作，所有外设继续运行，在中断/事件发生时唤醒 CPU；停止模式：允许以最小的 功耗来保持 SRAM 和寄存器的内容。1.8V 区域的时钟都停止，PLL，HSI 和 HSE RC 振荡器被禁能，调压器也被置为正常或者低功耗模式。设备可以通过外部中断 线从停止模式唤醒。外部中断源可以使 16 个外部中断线之一，PVD 输出或者 TRC 警告。待机模式：追求最少的功耗，内部调压器被关闭，这样 1.8V 区域断电。 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 5 PLL,HSI 和 HSE RC 振荡器也被关闭。在进入待机模式之后，除了备份寄存器和待 机电路，SRAM 和寄存器的内容也会丢失。当外部复位（NRST 引脚） ，IWDG 复 位，WKUP 引脚出现上升沿或者 TRC 警告发生时，设备退出待机模式。进入停止 模式或者待机模式时，TRC,IWDG 和相关的时钟源不会停止3。 2.2 最小系统设计 处理器为一个嵌入式系统的核心部分，STM32 最小系统设计分为四部分： （1） 电源供电电路，给单片机提供正常工作时的工作电压 （2） 外部晶振电路，给单片机提供工作时钟源 （3） 外部复位电路，可以上电复位，还有当单片机在工作过程中，可以人 为手动复位 （4） 启动模式选择电路，为 STM32 系列单片机的内存启动方式选择 （5） 外部电池电路，能做到断电后进入低功耗模式，部分时钟源正常运行 图 2 Stm32 最小系统图 从图 2 设计原理图中我们可以看出最小系统的外围电路有以下几个部分4： （1）复位电路：利用 RC 电路的延时特性，设计了简单的复位电路，有此可 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 6 简单计算出延时时间，这里用一个 10 k 电阻和 0.1 F 的电容，时间延时大约为 360us，符合 STM32 系统芯片的复位要求。 （2）无源晶振电路：这里选用两个晶振，首先 8M 无源晶振，晶振两端分别 通过 22pF 的电容接地，另一个 32.768K 的晶振使用的 15pF 的电容接地电路简单， 我们在晶振上加上 1M 的电阻这样一来，在晶振不能起振的情况下加上电阻很容 易的就能使晶振起振。 （3）启动模式的选择是由芯片上的 BOOT0 和 BOOT1 引脚分别通过拨码开 关来配置的，可选高低电平，以改变芯片启动模式，其说明如表所示。 （4）模块有 4 个数字电源供电引脚，1 个模拟电源供电引脚以及相应的接地 引脚。在电源端要注意接滤波电容，模拟地和数字地引脚之间最好通过 0 电阻 隔离。电源和地之间加若干去藕电容。 （5）由于外部电池管脚为低电压低电流，外部电池管脚我们直接接入到 VBAT 管脚就能满足系统的正常运行。 STM32 的启动方式如表 1 所示：启动模式一般为用户闪存存储器。 表 1 启动模式说明 启动模式选择管脚 BOOT1BOOT0 启动模式说明 X0用户闪存存储器用户闪存存储器被选为启动区域 01系统存储器系统存储器被选为启动区域 11内嵌 SRAM内嵌 SRAM 被选为启动区域 2.3 通信接口设计 通信接口简单来说就是需要本机与外部设备进行数据交换，因此大家制定一 个接口专门用于通信，固定通信端口上加上一个通用协议使得不同的设备之间能 实现无缝通信。设计较为常用的的通信接口使得本次设计的 PDA 的功能功能越 多，愈加完善。本设计主要使用了以下几种通信接口电路： RS232，RS485，CAN，FBT-06 蓝牙，NRF24L01 无线接口。下边就设计的通信 电路做原理描述： 2.3.1 RS232 接口 RS232 接口是 1970 年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调 器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。目前 RS-232 是 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 7 PC 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232 被定义为一种在低速率 串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232 采取不平衡传输方式，即所谓单端 通讯4。 大多数移动设备上都支持 RS232 接口电路，实际应用中，电子工程师在设计 计算机与外围设备的通信时，通常在 9 针的基础再进行简化，只用其中的 2、3、5 三个管脚进行通信。图 3 为 PDA 串行通信的设计原理图。 图 3 RS232 接口电路 设计中使用 USART1 作为通信端口，通过 P2 端口进行选择。连接于 RS232 接口电平转换芯 MAX3232 的外接电容：104，105 均为去耦电容，用在电源和地 之间，有三个方面的作用： （1） C26,C27 是作为本集成电路的蓄能电容； （2） C29,C30 是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传 播的通路； （3） C28 防止电源携带的噪声对电路构成干扰。 RS232 接口为异步传输标准接口因此一般用于 20m 以内的通信，优点为通信 简单，非常方便；缺点有以下几点：1、接口信号电平值较高，极易损坏接口电 路的芯片，电平不兼容故需要使用电平转换电路方能于 TTL 电路连接。2、传输 速率较低，在异步通信时，波特率为 20Kbps。3、接口使用一根信号线和一根信 号返回线而构成共地的传输形式，极易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 4、传输距离有限，最大传输距离标准值为 50 英尺，实际上只能在 50 米左右。 针对 RS232 接口的不足，然后就不断出现了新的一些接口规范，RS485 就是其中 之一。 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 8 2.3.2 RS485 接口 RS485 接口电路弥补了 RS232 电路的不足，它具有一下的特点： （1）RS485 的电气特性：逻辑1以两线间的电压差为+（2-6）V 表示； 逻辑0以两线间的电压差为-（2-6）V 表示。接口信号电平比 RS232 降低了，就 不容易损坏接口电路的芯片了，且该电平与 TTL 电平兼容，方便与 TTL 电路连接。 （2） RS485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力 强，即抗噪声干扰性较好。 （3） RS485 接口的最大传输距离标准值为 4000 英尺，实际可达 3000 米， 另外 RS232 接口在总线上只允许一个收发器，而 RS485 在总线上允许连接多达 128 个收发器，即具有多站能力，这样用户可以使用单一的 RS485 接口方便的建 起多点对点的通信网络。 （4） RS485 的最高通信传输速率可达 10Mbps。 因为 RS485 接口电路具有以上几种可靠性能，在较远距离通信时其成为首选 的串行口接口。RS485 接口为半双工网络一般只需要二根线，所以 RS485 接口均 采用屏蔽双绞线传输。节省了传输线的成本，无疑是一种首选的通信方式。 RS485 推荐使用在点对点网络中线型使用总线型，不能是星型，环型网络。理想 情况下 RS485 需要 2 个匹配电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗 （一般 为 120） 。没有特性阻抗的话，当所有的设备都静止或者没有能量的时候就会产 生噪声，而且线移需要双端的电压差。没有终接电阻的话，会使得较快速的发送 端产生多个数据信号的边缘，导致数据传输出错。如果需要添加匹配电阻，我们 一般在总线的起止端加入，也就是主机和设备 4 上面各加一个 120 的匹配电阻4。 图 4 为 RS485 总线设计原理图。 图 4 RS485 接口电路 如设计原理图 4 所示，图中 RO 是接收输出端，DI 是发送数据收入端，RE 是 接收使能信号（低电平有效） ，DE 是发送使能信号（高电平有效） 。C25 是练接于 电源与地之间滤波电容，CNN1 为 RS485 的输出接口。 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 9 2.3.3 蓝牙模块设计 蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般 10m 内）的无线电技术。能在包括 移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信 息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也 能够成功地简化设备与因特网 Internet 之间的通信，从而数据传输变得更加迅速 高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术， 支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的 2.4GHz ISM（即工业、科学、医 学）频段。其数据速率为 1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。本次 设计采用 FBT-06 型嵌入式近距离蓝牙串口通讯模块，其主要功能如下所示： （1）蓝牙 2.0 带 EDR，2Mbps-3Mbps 调制度 （2）内置 2.4GHz 数字无线收发射天线, 用户无需调试天线 （3）外置 8Mbit FLASH （4）低电压 3.3V 工作（3.1V4.2V）配对时 3040MA 波动，配对完毕通 信 8MA （5）标准 HCI 端口(UART or USB) （6）USB 协议: Full Speed USB1.1, Compliant With 2.0 （7）引脚半孔工艺 CSR BC04 蓝牙芯片技术 （8）自适应跳频技术 简单的外围设计电路蓝牙 Class 2 功率级别 （9）协波干扰：2.4MHz，发射功率 3dBm （10）FBT-06M 为主机模式（MASTER） ，在不需外界干预的情况下，可自 动与 FBT-06S 从机模式（SLAVE）快速建立连接，透明蓝牙串行通道，实现数 据传输。 （11）误码率：0，但会在传输链路产生信号衰变，才有误码，如 RS232 和 TTL 线路处理线路。 （12）低功耗，低成本高，性能无线收发系统。在空旷、无遮挡地带，收发 距离可达 10 米； （13）在 AT 命令响应模式下，模块物理串口波特率固定设置为： 9600Bps、1 位停止位、无校验位。通过 AT 指令可为模块设置控制参数或发布控 制命令,支持各种标准波特率，出厂默认波特率为 9600，支持硬件流传输控制， 最高串口波特率为：1382400bps； 本次设计充分利用蓝牙串口的功能，可以实现 AT 指令，主从模式设定功能 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 10 3.3V PIO3_KEY R22 1k GND TX2 RX2 GND TXD 1 RXD 2 CTS 3 RTS 4 PCM_CLK 5 PCM_OUT 6 PCM_IN 7 PCM_SYNC 8 AIO0 9 AIO1 10 REST 11 VCC 12 GND 13 NC 14 USB-D- 15 CSB 16 MOSI 17 MISO 18 CLK 19 USB_D+ 20 GND 21 GND 22 PIO0 23 P1O9 32 PIO10 33 PIO11 34 PIO1 24 PIO2 25 PIO3 26 PIO4 27 PIO5 28 PIO6 29 PIO7 30 PIO8 31 U4 BlueTooth D1 LED_1 R32 1k AT-3.3 R31 1k R21 1k 、 、3.3、0、 M/S AT C45 0.1uf 图 5 蓝牙模块 原理图图 5 为蓝牙模块设计图：其中 C45 为蓝牙模块的电源滤波电容， RX2，TX2 为 CPU 同蓝牙通信时数据接口，AT（AT 指令使能端） ，M/S（主从 模式设定端） ，PIO_KEY（清除主机上次记录配对）为蓝牙模块功能设定的配置 端口。 高频信号的传播过程中必然会产生干扰脉冲，因此在设计 PCB 板布线时的 时候应该注意一下几点：蓝牙模块粘贴区域不得走线或铺铜，但可铺设丝印油。 天线区域应尽可能远离金属物，PCB 板各层不得在此区域走线、铺铜，电源层和 电源参考层也不得穿过此区域，通常将蓝牙模块天线部位靠近 PCB 板边沿安放。 2.3.4 无线 NRF24L01 接口 NRF24L01 是 NORDIC 公司最近生产的一款无线通信通信芯片，采用 FSK 调制，内部集成 NORDIC 自己的 Enhanced Short Burst 协议。可以实现点对点或 是 1 对 6 的无线通信。无线通信速度可以达到 2M（bps） 。NORDIC 公司提供通 信模块的 GERBER 文件，可以直接加工生产。嵌入式工程师或是单片机爱好者 只需要为单片机系统预留 5 个 GPIO，1 个中断输入引脚，就可以很容易实现无 线通信的功能，非常适合用来为 MCU 系统构建无线通信。 NRF2401 有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式、关机模式。 而收发模式有 Enhanced ShockBurstTM 收发模式、ShockBurstTM 收发模式和直 接收发模式三种，收发模式由器件配置字决定。 （1） Enhanced ShockBurstTM 收发模式 Enhanced ShockBurstTM 收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低 速从微控制器送入，但高速 (1Mbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速 的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号 处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；低的系统费用 (低速微处 理器也能进行高速射频发射 ) ；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。Enhanced 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 11 ShockBurstTM 技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。在 Enhanced ShockBurstTM 收发模式下，NRF24L01 自动处理字头和 CRC 校验码。在接收数 据时，自动把字头和 CRC 校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和 CRC 校验码，在发送模式下，置 CE 为高，至少 10us，将时发送过程完成后。 （2）Enhanced ShockBurstTM 发射流程 把接收机的地址和要发送的数据按时序送入 NRF24L01； 配置 CONFIG 寄存器，使之进入发送模式。 微控制器把 CE 置高（至少 10us） ，激发 NRF24L01 进行 Enhanced ShockBurstTM 发射； NRF24L01 的 Enhanced ShockBurstTM 发射给射频前端供电；射频数据 打包 (加字头、CRC 校验码)； 高速发射数据包； 发射完成，NRF24L01 进入空闲状态 。 （3） Enhanced ShockBurstTM 接收流程 配置本机地址和要接收的数据包大小； 配置 CONFIG 寄存器，使之进入接收模式，把 CE 置高。 130us 后，NRF24L01 进入监视状态 ，等待数据包的到来 ； 当接收到正确的数据包 ( 正确的地址和 CRC 校验码) ， NRF2401 自 动把字头、地址和 CRC 校验位移去； NRF24L01 通过把 STATUS 寄存器的 RX_DR 置位(STATUS 一般引起 微控制器中断) 通知微控制器 ； 微控制器把数据从 NewMsg_RF2401 读出； 所有数据读取完毕后，可以清除 STATUS 寄存器。NRF2401 可以进入 四种主要的模式之一。 设计原理图如下图 6 所示，为 NRF24L01 的硬件接口电路，从图中可以看出， 其接口除去电源和地之外需要 6 根信号线，分别为 CE_NRF,CSN,CLK,MOSI,MISO 设计原理图时尽量用到处理器内部的集成模块来 控制外围器件，设计中串行总线我们利用 Stm32 的 SPI2 接口，这样做能够更加 稳定的控制器件，增快调试进度。 MI MOCLK IRQ CSN VCC3.3VVCC3.3V GNDGND VCC 1 CE 2 SCK 3 MI 4 GND 5 GND 6 IRQ 7 MO 8 CSN 9 VCC 10 U5 NRF24L01 CE_NRF 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 12 图 6 NRF24L01 接口电路 由于 NRF24L01 为本次无线数据传输的专用器件我们必须保定其稳定性，并 且较少辐射信号对其他器件的影响，在原件布局是应尽量放在板子的外围空间， 在布线时应尽量贴近 CPU 的管脚，从而保证无线数据的准确率。 2.3.5 CAN 通讯接口 CAN 是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称，是由研发和 生产汽车电子产品著称的德国 BOSCH 公司开发了的，并最终成为国际标准 （ISO11898） 。是国际上应用最广泛的现场总线之一。 在北美和西欧，CAN 总 线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且 拥有以 CAN 为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的 J1939 协议。近年 来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计 算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。 Stm32 处理器自带了 CAN 功能子模块，就像是 USART 模块一样，这样就在 设计中省去了在处理器周围外加 CAN 控制器的麻烦，方便了设计。仅需要在端 口加入 CAN 发送和接收集成芯片即可。下图 7 为 CAN 收发器的设计原理图。 图 7 CAN 接口模块 从图 7 中我们可以看出 SN65HVD230 芯片的电源和地之间加上了 0.1uf 的滤 波电容，TXD 和 RXD 分别接控制器的 CAN_TX 和 CAN_RX(为了统一防止出错， 端口的对接已在主控制器中进行转换)，STM32 开发板上面是带有 120 的终端电 阻的，如果我们的开发板不是作为 CAN 的终端的话，需要把这个电阻去掉，即 通过拨码开关选择，以免影响通信。 2.4 存储接口设计 由于单片机断电时内存中的数据文件都随之丢失，存储模块能够使我们保存 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 13 有用的数据以便下次重新开机时能够调用上次得到的数据文件。 2.4.1 W25Q64 存储器 W25Q64BV（64M 位）串行闪存在有限的空间内，提供了引脚和电源系统的 存储解决方案。25Q 系列提供了灵活性和性能远远超出普通的串行闪存器件。他 们是理想的阴影到 RAM 的代码，直接从双/四通道 SPI（XIP）执行代码和存储语 音，文本和数据。该器件在 2.7V 至 3.6V 单电源供电，电流消耗低至 4 毫安主动 和 1A 的关断。所有设备都提供精简的封装以节省空间。 W25Q64BV 阵列由每页有 256 字节组成，可编程 32,768 页。多达 256 个字 节可以在同一个时间被编程。数页的擦除可以以 16 组（扇区擦除） ，128 组 （32KB 块擦除） ，256（64KB 块擦除）或整个芯片（芯片擦除）组。W25Q64BV 分别有 2,048 可擦除扇区和 128 可擦除块。最小 4KB 的存储扇区在需要存储大量的数据 和参数的存储应用中有着更大的灵活性。 该 W25Q64BV 支持标准的串行外设接口（SPI） ，以及一个高性能双/四输出 以及双/四 I / O SPI：串行时钟，片选，串行数据 I/O0（DI） ，I/O1（DO） ， I/O2（/ WP） ，和 I/O3（/ HOLD） ，支持高达 80MHz 的 SPI 时钟频率。当使用双/ 四路快速读指令时，在双输出时支持等效的 160MHz 时钟频率，当四路输出时， 支持 160MHz 的。这些传输速率可以超越标准的异步 8 位和 16 位并行闪存。连 续读取模式是一种真正高效的内存访问模式，可以做到少至 8 个时钟的指令开销 读取一个 24 位地址的存储单元，是一种真正的 XIP（执行到位）操作。保持引脚， 写保护引脚和可编程写保护，顶部或底部阵列控制等功能进一步提高了控制的灵 活性。此外，该器件支持 JEDEC 标准制造商的设备标识，具有 64 位唯一序列号。 图 8 W25Q64 接口模块 从存储设计原理图 8 中我们可以看出 C33 滤波电容为存储芯片进行滤波稳压， W25Q64 连接需要四个信号，连接于 STM32 的 SPI2 端口，片选信号连接于 PD13 端。 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 14 2.4.2 SD 卡存储器 安全数码卡，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它被广泛地 于便携式装置上使用，例如数码相机、个人数码助理（外语缩写 PDA）和多媒体 播放器等。SD 卡（Secure Digital Memory Card）是一种基于半导体快闪记忆器的 新一代记忆设备。SD 卡由日本松下、东芝及美国 SanDisk 公司于 1999 年 8 月共 同开发研制。大小犹如一张邮票的 SD 记忆卡，重量只有 2 克，但却拥有高记忆 容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。SD 卡在 24mm32mm2.1mm 的体积内结合了 SanDisk 快闪记忆卡控制与 MLC（Multilevel Cell）技术和 Toshiba（东芝）0.16u 及 0.13u 的 NAND 技术，通 过 9 针的接口界面与专门的驱动器相连接，不需要额外的电源来保持其上记忆的 信息。而且它是一体化固体介质，没有任何移动部分，所以不用担心机械运动的 损坏。 支持传输模式，SD 卡共支持三种传输模式：SPI 模式（独立序列输入和序列 输出） ，1 位 SD 模式 （独立指令和数据通道，独有的传输格式） ， 4 位 SD 模式 （使用额外的针脚以及某些重新设置的针脚。支持四位宽的并行传输）SD 卡的 接口电路原理图如图 9 所示： 图 9 SD 接口电路 从上图 9 可以看出为了提高数据存储的速度，使用 STM32 的 SDIO 接口来操 作 SD 卡能显著提高数据传输的速度。SD 卡的数据端口加上 10K 的上拉电阻能 够提高数据的稳定性，从上图设计原理图可以看出接口的连接方式。 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 15 2.5 语音接口设计 语音接口电路主要是为了调理语音信号，能够将咪头采集的语音信号进行适 量的放大，高低频滤波，经过处理变换的语音信号送至 AD 采集器的前端进行语 音采集。前置放大电路为测量用小信号放大电路。在测量用的放大电路中，一般 传感器送来的直流或低频信号，经放大后多用单端方式传送，在典型情况下，有 用信号的最大幅度可能仅有若干毫伏，而共模噪声可能高达到几伏，故放大器输 入漂移和噪声等因素对于总的精度至关重要，放大器本身的共模抑制特性也是同 等重要的问题。因此前置放大电路因该是一个高输入阻抗，高共模抑制比，低漂 移的小信号放大电路。 前置放大电路可采用两级负反馈放大器、差分放大电路，也可以用集成运放 构成的测量用小信号放大电路等。 放大器输入漂移和噪声等因素对于总的精度至 关重要，放大器本身的共模抑制特性也是同等重要的问题。因此前置放大电路应 该是一个高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信号放大电路 NE5532NE5532 是高性能低噪声双运放，它具有较好的噪声性能，优良的输 出驱动能力及相当高的小信号与电源带宽。用作音频放大时音色温暖，保真度高， 在上世纪九十年代初的音响界被发烧友们誉为“运放之皇”,主要有以下的特点 （1）小信号带宽：10MHz； （2）输出驱动能力：600，10V； （3）输入噪声电压：5nV/HZ（典型值） ； （4）DC 电压增益：50000； （5）电源带宽：140KHz； （6）大电源电压范围：320V （7）转换速率 9v/s （8）单位增益补偿 下图为本次设计的语音前端放大电路。 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 16 图 10 语音前端放大采集 从设计原理图 10 中我们可以看出，采集芯片采用双电源供电，为了防止共 模干扰，我们用两个麦克风进行语音采集，放大倍数可以通过 R8 和 R9 进行调节， 最终调节合适的放大倍数满足系统要求，供 stm32 采集。 2.6 显示接口设计 TFT 彩屏为 PDA 的显示器件，能够静态或动态显示一些文字，图表，图片 等画面，能够很直观的看出程序的运行情况，提醒操作人员进行下一步的操作。 下边就 TFT 屏进行简要介绍。它可以“主动地”对屏幕上的各个独立的像素进行控 制，这样可以大大提高反应时间。一般 TFT 的反应时间比较快，约 80 毫秒4， 而且可视角度大，一般可达到 130 度左右 TFT 属于有源矩阵液晶显示器，通过遮 光和透光来达到显示的目的。下图 11 为本次设计的 TFT 接口电路原理图： 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 17 图 11 TFT 接口原理图 从图 11 中我们可以看出，TFT 的接口电路直接挂载在 STM32 的 FSMC(灵活的 静态存储控制器)模块上，这样做的能显著提高 TFT 的刷屏速率，明显改善普通 IO 口控制的屏幕闪烁现象，同时还能降低 CPU 的干预，减少 CPU 的负荷。实验证 明刷屏速度不会让人眼感觉到明显的闪烁，在 TFT 彩屏的外屏上我们设计了硬件 接口电路，能够实现对触摸点坐标的准确控制，从图 11 中我们可以看出触摸屏 电路的接口直接接在 STM32 的 SPI1 模块上，如此设计是为了避免 Stm32 使用 I/O 口模拟 SPI 接口时带来的操作不便，提高数据传输的准确率。 2.7 数字 PDA 的 PCB 设计 设计一款实用而且整体较为协调的 PCB，不仅需要对电路的原理有着详细的 掌握而且还需要设计者有着较强的耐心，设计 PCB 的基本设计流程如下5.: （1） 利用原理图设计工具绘制原理图，并且生成对应的网络表。 （2） 画出自己的封装库-规划电路板主要是确定电路板的边框，包括电路板 的尺寸大小。 （3） 导入网络表文件和修改零件封装。 （4） 整体考虑电路板原件放置布局，考虑重心和接口的安装方向。 （5） 进行电路板布线工作，布线优化和丝印。 （6） 网络和 DRC 检查和结构检查。 （7） 对地网络进行大面积覆铜或者多边形覆铜。 （8） 发工厂制版。 在进行 PCB 图设计的时候必须要有一个清晰的设计过程，这样可以减少不必 要的麻烦，提高工作效率。设计 PCB 的时候我们所使用的软件为 Altium Deisgner 此软件在设计的时候设计步骤流程如图 12 所示的。 采用 STM32 处理器实现数字 PDA 设计 18 打印输出 布线 元件布局 导入网络表到PCB 设计原理图 设置