毕业设计（论文）-基于STM32的可穿戴设备系统.doc

2016 届毕业生 毕业设计 说明书 题题 目目: : 基于基于 STM32STM32 的可穿戴设备系统的可穿戴设备系统 院系名称：院系名称： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 自动自动 F1204F1204 学生姓名：学生姓名： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 教师职称：教师职称： 讲师讲师 2016 年年 05 月月 16 日日 I 摘要 “可穿戴设备”是可穿戴技术在日常穿戴产品的设计中的应用，例如手表、 眼镜、服装、鞋和手套。广义的可穿戴设备是指功能全、尺寸大，不依赖于智 能手机，实现了智能手机全部或部分功能，如智能手表和智能眼镜等，以及只 专注于某一类型的应用功能，需要和其它设备如智能手机配合使用，如各类进 行体征监测的智能手环、智能首饰等。随着技术的进步以及用户需求的变迁， 可穿戴式智能设备的形态也在不断的变化。穿戴式技术在国际计算机学术界和 工业界一直都备受关注，只不过由于造价成本高和技术复杂，很多相关设备仅 仅停留在概念领域。本系统以意法半导体公司的基于 Cortex-M3 32 位高性能单 片机 STM32F103ZET6 为核心，由 GSM 模块、GPS 模块、MPU6050 六轴加速度传感 器模块、TFT 彩屏、SD 卡等组成了一个可穿戴设备系统。该系统实现了万年历、 秒表、计步、闹钟、画板、日历、地图等功能。地图获取的图片存放在 SD 卡中， GUI 图片存放在 8M 的外置 FLASH 当中。系统支持全触摸操作。 关键词：关键词：可穿戴设备；STM32 单片机；TFT 彩屏；文件系统；SD 卡；GPS 地图 II Title The Wearable Device System Based on the STM32 Abstract The wearable devices is the application of the Wearable Technology in the Daily wearable Product Design, such as the glasses, gloves, watches, clothes and shoes. Generally,The wearable smart devices including full-featured, large size, do not rely on smart phones to achieve a complete or partial functions, such as smart watches and smart glasses, etc., and only focus on a certain type of application functions, and other devices such as smart phones with the use of various types of conduct such as signs monitoring bracelet intelligent, smart jewelry. As technology advances and the change of user needs, application forms of wearable smart devices are constantly changing. Wearable computer technology has attracted wide attention in the international academia and industry, but due to the high construction cost and technical complexity, a lot of related equipment only is an idea. This system is based on the STM32F103ZET6 as the core which is produced by the STMicroelectronics Cortex- M3 32-bit high performance microcontroller,This system also use GSM module, GPS module, MPU6050 six-axis acceleration sensor module, TFT color screen, SD card and other components.The system has six functions such as the calendar, stopwatch, pedometer, alarm clock, Sketchpad, Calendar, Maps, and other functions. Map Get pictures stored in the SD card, GUI image stored in the external 8M FLASH.The system supports full-touch operation. Keywords: Wearable device; STM32 microcontroller;TFT color screen;The file system; SD card; GPS maps III 目次目次 1 1 绪论绪论.- - 1 1 - - 1.1 选题背景.- 1 - 1.2 国内外研究现状及意义.- 1 - 2 2 设计要求设计要求.- - 3 3 - - 3 3 方案论证方案论证.- - 4 4 - - 3.1 控制器方案.- 4 - 3.2 显示模块方案.- 5 - 3.3 加速度传感器方案.- 5 - 4 4 硬件部分硬件部分.- - 6 6 - - 4.1 单片机.- 6 - 4.2 TFT 彩屏 .- 9 - 4.3 触摸屏控制芯片.- 11 - 4.4 MPU6050 模块 .- 12 - 4.5 SD 卡 .- 14 - 4.6 EEPROM 存储器 24C02 .- 15 - 4.7 FLASH 芯片 W25Q64.- 16 - 4.8 蜂鸣器电路.- 17 - 4.9 GPS 模块 .- 17 - 4.10 GSM 模块 .- 19 - 5 5 软件部分软件部分.- - 2121 - - 5.1 开发工具介绍.- 21 - 5.2 程序框图.- 21 - 5.3 文件系统的移植.- 22 - 5.4 GUI 程序的设计 .- 24 - 5.5 主要功能的实现原理.- 25 - 6 6 系统功能测试与分析系统功能测试与分析.- - 3838 - - 6.1 开机主界面测试.- 38 - 6.2 万年历功能测试.- 38 - 6.3 秒表功能测试.- 39 - IV 6.4 闹钟功能测试.- 40 - 6.5 画板功能测试.- 41 - 6.6 计步功能测试.- 41 - 6.8 测试结果分析.- 42 - 结论结论.- - 4545 - - 致谢致谢.- - 4646 - - 参考参考文文献献.- - 4747 - - 附录一：系统电路原理图附录一：系统电路原理图.- - 4848 - - 附录二：部分源程序附录二：部分源程序.- - 5252 - - - 1 - 1 1 绪论绪论 1.11.1 选题选题背景背景 随着科技的进步，用单片机开发的智能化产品在各个领域得到广泛地应用， 它极大地提高了社会生产力水平。加快了工业的发展。可穿戴设备目前已经成 为科技发展的热潮，世界各公司在可穿戴设备系统上的投入越来越高，智能可 穿戴设备有着众多的优点，包括体积小，功耗低，携带性高、功能强大等等。 因此它深受人们的喜爱。另外，由于触摸屏以及各种传感器的引入，使得可穿 戴设备迈向高端消费品的行列。可穿戴设备的轻薄和低功耗使其在生活电子产 品中脱颖而出。智能的操作系统的应用，让可穿戴设备实现多功能，操作也更 加流畅。在众多电子产品中，可触摸的智能可穿戴设备代替传统按键操作的设 备，使其功能丰富强大。现代人们的生活越来越离不开智能手机，智能手机给 我们提供了丰富的资讯、应用、以及游戏。它给我们带来方便的同时，也使很 大一部分人沉迷于智能手机，成为低头一族。因此，开发出一种具备智能手机 的基本功能，又不至于使人们沉迷的电子设备就变得非常有意义。 1.21.2 国内外研究现状与意义国内外研究现状与意义 从智能手表，到各个厂家的运动手环，再到最近非常流行的 VR 眼镜，可以 看到，可穿戴设备已经融入到了人们生活的方方面，它越发深刻地改变着人们 的生活方式，提升着人们的生活质量。下面将主要介绍美国、日本、韩国可穿 戴设备行业的发展情况。 1.2.1 国外可穿戴设备发展概况 目前世界范围内可穿戴设备产量迅猛增长，美国是全世界最早提出可穿戴 设备的思想和雏形的国家，近年来，Google Glass、Apple Watch 等备受瞩目 的可穿戴产品也源自美国的大型知名企业。世界顶级会计师事务所之一的普华 永道，近期发布了两份关于可穿戴设备现状及未来发展的报告。报告表明，美 国人对可穿戴技术的未来十分乐观，但对现有的技术则缺乏热情。 韩国可穿戴行业发展的主要代表为三星公司。三星公司作为全球最大的智 能手机厂商，也是目前为止可穿戴市场最大的推动者。2013 年 9 月，三星公 司正式发布了其第一款智能手表 Galaxy Gear，随后又对其进行更新，推出了 Galaxy Gear 2/Fit/Neo。公司自主研发的可穿戴产品还包括曲面屏智能手表 - 2 - Gear S，它是首款不必连接智能手机就具有上网功能的智能手表，它内置了支 持蜂窝数据功能的上网模块。在三星公布的 2015 年产业发展规划中，主要集 中在可穿戴领域、虚拟现实、智能家居以及在线教育。目前，三星有近万名开 发和设计人员都在为即将上市的可穿戴型设备做准备，足以证明三星打算拓宽 可穿戴型设备市场的决心。三星公司表明，他们在芯片、存储、屏幕技术等方 面的垂直整合能力，将为其带来更多优势。 日本的电子技术发展以索尼、东芝、富士通等行业巨头为典型代表， 然而 在可穿戴技术发展方面，日本的初创企业比行业巨头表现更为优秀。成立于 2013 年的日本 Logbar 公司是可穿戴技术公司的杰出代表之一，该公司因推出 一款名为“Ring”的智能戒指而闻名。将 Ring 智能戒指戴在手指上，随意动 动手指头便可远程控制智能手机、电视等智能终端设备。同样成立于 2013 年 的 Moff 公司推出了一款利用声音将周围物品全部变成互动玩具的智能腕带。 儿童将智能腕带戴在手上后，可以通过蓝牙设备将手环连接到 Moff 的 IOS 应 用程序，实现与智能设备终端的连接，将周围物品变成互动玩具。 1.2.2 国内可穿戴设备发展概况 国内的可穿戴设备已经具备监测、医疗、娱乐、办公、学习、定位等多种 功能。随着人们对于自身健康问题的重视度不断增加，消费者在健康方面的诉 求使得医疗健康、运动健身类产品市场份额较大。目前，可穿戴设备在医疗健 康领域取得了快速发展，可穿戴移动医疗设备市场规模正在不断扩大。在众多 的移动医疗产品中，最受欢迎的是为医院和患者提供医疗服务和监测的可穿戴 健康产品。国内可穿戴设备融资创业公司大多成立在 2013 年， 产品集中在手 表、手环，应用领域集中在健康、医疗、运动、跟踪定位等。其中，有近一半 的可穿戴设备创业公司把发展方向为健康领域。 1.2.3 研究意义 目前，智能手机的功能非常强大，各种应用、游戏让用户应接不暇、不舍 得放下手中的手机，低头族由此诞生。而穿戴式设备虽然没有手机那样具有各 种聊天工具和游戏软件，但其轻薄便携带的优点是手机不可替代的。避免娱乐 类的功能加之以时钟、导航等功能，因此它可帮助人们特别是大学生摆脱对手 机的过度依赖。穿戴式设备的便携性也使人们在对一些事务的处理简便快捷， 包括 GPS 定位、时钟、万年历、画板等。 - 3 - 2 2 设计要求设计要求 利用 STM32 开发板、GSM 模块、MPU6050，设计智能可穿戴设备系统，产品 功能如下： (1).万年历(时间可调整) (2).闹钟(时间可设置、具有懒人叫醒功能) (3).计时器(可以进行计时，且可以后台运行) (4).地图(可以进行定位、通过 GSM 模块的 GPRS 功能向腾讯地图服务器请 求地图信息，模块接收到数据后，进行解析，并将地图显示在 LCD 屏，也可以 通过加 减按键进行地图精度的改变) (5).手势控制(根据手势的变化，在屏幕的画板上显示相应的图像，也可以 修改画图的颜色) (6).记步(可以后台自动运行，一直记录人体行走的步数) - 4 - 3 3 方案论证方案论证 根据设计要求先确定了本系统的整体设计原理框图，如图 3.1，然后分别 讨论了本系统在控制器、显示模块、以及加速度传感器模块的选择方案。 STM32开发板GSM模块 MPU6050加速度传 感器模块 GPS模块 LCD模块 电源电路 外围驱动电路 图 3.1 系统原理框图 3.13.1 控制器控制器方案方案 方案一：使用 51 单片机作为主控制器。51 单片机以其低廉的价格，简单 的操作，俘获了大量的用户，但是反过来看便宜简单往往意味着功能的低端。 在本设计中，51 单片机就显得力不从心了，它的 IO 口数量较少，片上外设资 源匮乏，而且处理速度也偏低。 方案二：采用 STM32F103ZET6 作为主控制器。STM32F103ZET6 是意法半导 体公司推出的一款以 Cortex-M3 为内核的 32 位高性能单片机。拥有多达 112 个 IO 口，它以 8 位单片机的价格，满足了用户 32 位单片机的需求。 本系统对主控制器的速度有较高要求，速度对本系统的操作流畅度有较大 的影响，STM32F103ZET6 最大可以达到 72MHZ，这是 51 单片机远不可及的。此 外，由于穿戴式设备系统对体积以及功耗要求比较严格，STM32 在这两方面做 的都比较出色而 51 单片机无法满足系统的要求。所以选择方案二，采用 STM32F103ZET6 作为系统的主控制器。 - 5 - 3.23.2 显示模块显示模块方案方案 方案一：采用 12864 点阵式液晶。12864 是 128*64 点阵液晶模块的点阵数 简称，该点阵的屏显成本相对较低，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。 一页共可以显示 32 个汉字或者 64 个字符。 方案二：采用搭配 ILI9341 控制芯片的 240 x320 彩屏。TFT 彩屏在消费电 子产品中有着广泛的应用，它支持 26 万色的显示，显示效果十分细腻，此 LCD 屏使用 INTEL 的 8080 接口，STM32F103ZET6 带有 FSMC 功能，支持 Intel 8080 和 Motorola 6800 的模式，LCD 屏内部的 GRAM 直接由 FSMC 控制，实现快速的 刷屏。 近些年，随着技术的发展，LCD 彩屏的分辨率越做越高，色彩也越来越丰 富，显示效果极为细腻。这些优点是点阵式液晶无法超越的。特别是在图片的 显示方面，点阵式液晶与 LCD 彩屏比起来更是相形见绌，无法还原出图片的本 来面貌。而且，LCD 彩屏还可以支持触屏，方便系统的控制。由于本设计需要 用到触摸屏功能以及良好的显示效果，所以综上所述，系统选择方案二，采用 TFT 彩屏作为显示器件。 3.33.3 加速度传感器加速度传感器方案方案 方案一：使用 MPU6050 加速度传感器模块。MPU6050 是一款整合性 6 轴运 动处理组件，它内部带有三轴的加速度传感器、三轴的陀螺仪、并且能通过自 身的第二 IIC 接口连接外部的磁力传感器。将这九轴的数据利用 DMP（Digital Motion Processor）进行数据解算，进而就能输出完整的九轴的姿态融合解算 数据。利用了 DMP 进行数据解算，就降低了单片机的负荷，同时缩短了开发周 期，降低了开发难度。 方案二：不使用加速度传感器模块。在实现计步功能时可以利用 GPS 模块 记录用户移动距离，根据用户自己设定的步长计算出行走步数。 方案一可以精确地检测到用户行走时在三个轴上的加速度变化，配合算法， 识别出用户行走的姿态并记录。但是方案二只能粗略地估算步数，并且算出的 步数受 GPS 模块的精度影响十分大，当用户在室内时由于 GPS 模块不能很好地 接收卫星信号造成无法计步。基于以上考虑，本设计采用方案一。 - 6 - 4 4 硬件部分硬件部分 在本系统的设计中使用了许多外围元器件以及模块电路，主要如下：控制 器 STM32F103ZET6 以及最小系统电路、JTAG 接口电路、LCD 触摸屏模块、 MPU6050 模块、SD 卡、EEPROM 存储器 24C02、FLASH 存储器 W25Q64、蜂鸣器、 GPS 模块、GSM 模块。下面将对这些模块分别介绍。 4.14.1 单片机单片机 4.1.1 STM32F103ZET6 概述 STM32F103ZET6 是 ST 公司推出的一款基于 Cortex-M3 内核的微处理器。 STM32 具有 MCU 应用领域的 32 位处理器的性能，STM32 系列基于专为要求高性 能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的 ARM Cortex-M3 内核单片机。 STM32 功耗 36mA，是 32 位市场上功耗最低的产品，相当于 0.5mA/MHz。 主要特性如下： （1）.512K 片内 FLASH（相当于硬盘）,64K 片内 RAM（相当于内存）,片内 FLASH 支持在线编程(IAP)。 （2）.Cortex-M3 处理器内核，最高时钟频率可达 72MHZ。 （3）.12 通道直接内存访问控制器（DMA）。 （4）.8 个定时器、2 个看门狗定时器和 RTC 实时时钟。 （5）.42 个 16 位的后备寄存器(可以理解为电池保存的 RAM),利用外置的 纽扣电池,和实现掉电数据保存功能。 （6）.2 个 CAN 总线模块、5 个 UART 通用串行模块、3 路 SPI 接。 （7）.2 个 I2C 总线模块、2 个 IIS 总线模块，12 位、16 通道 AD 转换模块。 （8）.支持 JTAG,SWD 调试。配合廉价的 J-LINK,实现高速低成本的开发调 试方案。 （9）.多达 112 个 IO(大部分兼容 5V 逻辑)，144Pin LQFP 封装，引脚图如 图 4.1 所示。 - 7 - PE2/TRACECK/FSM C_A23 1 PE3/TRACED0/FSM C_A19 2 PE4/TRACED1/FSM C_A20 3 PE5/TRACED2/FSM C_A21 4 PE6/TRACED3/FSM C_A22 5 VBAT 6 PC13-TAM PER-RTC 7 PC14-OSC32_IN 8 PC15-OSC32_OUT 9 PF0/FSM C_A0 10 PF1/FSM C_A1 11 PF2/FSM C_A2 12 PF3/FSM C_A3 13 PF4/FSM C_A4 14 PF5/FSM C_A5 15 VSS 16 VDD17 PF6/ADC3_IN4/FSM C_NIORD 18 PF7/ADC3_IN5/FSM C_NREG 19 PF8/ADC3_IN6/FSM C_NIOWR 20 PF9/ADC3_IN7/FSM C_CD 21 PF10/ADC3_IN8/FSM C_INTR 22 OSC_IN 23 OSC_OUT 24 NRST 25 PC0/ADC123_IN10 26 PC1/ADC123_IN11 27 PC2/ADC123_IN12 28 PC3/ADC123_IN13 29 VSSA 30 Vref- 31 Vref+ 32 VDDA 33 PA0-WKUP/USART2_CTS/ADC123_IN0/TIM 5_CH1/TIM 2_CH1_ETR/TIM 8_ETR 34 PA1/USART2_RTS/ADC123_IN1/TIM 5_CH2/TIM 2_CH2 35 PA2/USART2_TX/ADC123_IN2/TIM 5_CH3/TIM 2_CH3 36 PA3/USART2_RX/ADC123_IN3/TIM 5_CH4/TIM 2_CH4 37 VSS 38 VDD39 PA4/SPI1_NSS/DAC_OUT1/USART2_CK/ADC12_IN4 40 PA5/SPI1_SCK/DAC_OUT2/ADC12_IN5 41 PA6/SPI1_M ISO/TIM 8_BKIN/ADC12_IN6/TIM 3_CH1 42 PA7/SPI1_M OSI/TIM 8_CH1N/ADC12_IN7/TIM 3_CH2 43 PC4/ADC12_IN14 44 PC5/ADC12_IN15 45 PB0/ADC12_IN8/TIM 3_CH3/TIM 8_CH2N 46 PB1/ADC12_IN9/TIM 3_CH4/TIM 8_CH3N 47 PB2/BOOT1 48 PF11/FSM C_NIOS16 49 PF12/FSM C_A6 50 VSS 51 VDD52 PF13/FSM C_A7 53 PF14/FSM C_A8 54 PF15/FSM C_A9 55 PG0/FSM C_A10 56 PG1/FSM C_A11 57 PE7/FSM C_D4 58 PE8/FSM C_D5 59 PE9/FSM C_D6 60 VSS 61 VDD62 PE10/FSM C_D7 63 PE11/FSM C_D8 64 PE12/FSM C_D9 65 PE13/FSM C_D10 66 PE14/FSM C_D11 67 PE15/FSM C_D12 68 PB10/I2C2_SCL/USART3_TX 69 PB11/I2C2_SDA/USART3_RX 70 VSS 71 VDD72 PB12/SPI2_NSS/I2S2_WS/I2C2_SM BAI/USART3_CK/TIM 1BKIN 73 PB13/SPI2_SCK/I2S2_CK/USART3_CTS/TIM 1_CH1N 74 PB14/SPI2_M ISO/USART3_RTS/TIM 1_CH2N 75 PB15/SPI2_M OSI/I2S2_SD/TIM 1_CH3N 76 PD8/FSM C_D13 77 PD9/FSM C_D14 78 PD10/FSM C_D15 79 PD11/FSM C_A16 80 PD12/FSM C_A17 81 PD13/FSM C_A18 82 VSS 83 VDD84 PD14/FSM C_D0 85 PD15/FSM C_D1 86 PG2/FSM C_A12 87 PG3/FSM C_A13 88 PG4/FSM C_A14 89 PG5/FSM C_A15 90 PG6/FSM C_INT2 91 PG7/FSM C_INT3 92 PG8 93 VSS 94 VDD95 PC6/I2S2_M CK/TIM 8_CH1/SDIO_D6 96 PC7/I2S3_M CK/TIM 8_CH2/SDIO_D7 97 PC8/TIM 8_CH3/SDIO_D0 98 PC9/TIM 8_CH4/SDIO_D1 99 PA8/USART1_CK/TIM 1_CH1/M CO 100 PA9/USART1_TX/TIM 1_CH2 101 PA10/USART1_RX/TIM 1_CH3 102 PA11/USART1_CTS/CAN_RX/TIM 1_CH4/USBDM 103 PA12/USART1_RTS/CAN_TX/TIM 1_ETR/USBDP 104 PA13/JTM S_SWDIO 105 NC 106 VSS 107 VDD 108 PA14/JTCK_SWCLK 109 PA15/JTDI/SPI3_NSS/I2S3_WS 110 PC10/UART4_TX/SDIO_D2 111 PC11/UART4_RX/SDIO_D3 112 PC12/UART5_TX/SDIO_CK 113 PD0/FSM C_D2 114 PD1/FSM C_D3 115 PD2/TIM 3_ETR/UART5_RX/SDIO_CM D 116 PD3/FSM C_CLK 117 PD4/FSM C_NOE 118 PD5/FSM C_NWE 119 VSS 120 VDD 121 PD6/FSM C_NWAIT 122 PD7/FSM C_NE1/FSM C_NCE2 123 PG9/FSM C_NE2/FSM C_NCE3 124 PG10/FSM C_NCE4_1/FSM C_NE3 125 PG11/FSM C_NCE4_2 126 PG12/FSM C_NE4 127 PG13/FSM C_A24 128 PG14/FSM C_A25 129 VSS 130 VDD 131 PG15 132 PB3/JTDO/TRACESWO/SPI3_SCK/I2S3_CK 133 PB4/JNTRST/SPI3_M ISO 134 PB5/I2C1_SM BAI/SPI3_M OSI/I2S3_SD 135 PB6/I2C1_SCL/TIM 4_CH1 136 PB7/I2C1_SDA/FSM C_NADV/TIM 4_CH2 137 BOOT0 138 PB8/TIM 4_CH3/SDIO_D4 139 PB9/TIM 4_CH4/SDIO_D5 140 PE0/TIM 4_ETR/FSM C_NBL0 141 PE1/FSM C_NBL1 142 VSS 143 VDD 144 U? STM 32F103ZET6 图 4.1 STM32F103ZET6 引脚图 由以上数据可以看出，本系统所选 MCU 性能十分卓越。无论是传统 51 单片 机或增强型 51 单片机还是 RISC 的 8 位 AVR 单片机还是 16 位的 MSP430 单片机， 本处理器在 Flash、RAM、工作频率以及外设上具有绝对的优势，性价比较高。 4.1.2 STM32F103ZET6 外围电路介绍 (1) 供电系统 电源是电子设备中必不可少的一部分，它为设备提供了能量。 STM32F103ZET6 电源电压为 3.3v，电源芯片采用艾迈斯公司的 AMS1117- 3.3。AMS1117-3.3 是艾迈斯公司推出的具有单输出 LDO、固定电源（3.3v）、 内部电流限制、过流保护特性的线性稳压器。USB 或 5V 锂电池经过 AMS1117- 3.3 产生 3.3V 的直流电源供系统使用。C8 可以防止电感效应而产生的自激， C12 用来减小由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。如图 4.2 为供电系统 - 8 - 电路图。 5V关3.3V关关关关 GND 1OUT 2IN 3 U9 AMS1117-3.3 C12 104 C77 104 C8 104 C76 10F C13 220uF R59 10R +5V S6 关关关关关关 GND F1 500mA VUSB 5V +3.3V VDDA VCC 3.3V+5V 图 4.2 供电系统电路图 (2) 晶振振荡电路 STM32F103ZET6 有 4 个时钟源可供使用。分别是内部高速时钟（HSI），内 部低速时钟（LSI）、外部高速时钟（HSE），外部低速时钟（LSE）。选择外部 高速时钟作为片内时钟来源，主振荡器由 OSC0 输入管脚输入一个外部单端时钟 信号或在 OSC0 输入管脚和 OSC1 输出管脚之间连接一个外部晶体。如果主振荡 器作为 PLL 的时钟参考源，那么支持的晶体的频率范围为 3.579545MHz- 8.192MHz。系统采用 8MHz 晶振，如图 4.3 所示： Y2 8M 1M R2 22pF C29 22pF C28 GND OSC_IN OSC_OUT 图 4.3 STM32F103ZET6 外部晶振振荡电路图 (3) 复位电路 STM32F103ZET6 外部复位输入管脚（RST）为低电平有效。按下按键 S2 能对系 统复位。复位电路如图 4.4 所示： - 9 - 1K R4 Res2 VCC S1 SW-PB100pF C9 Cap GND RESET 图 4.4 STM32F103ZET6 复位电路图 (4) JTAG 接口 本系统使用的 JTAG 接口由 5 个管脚组成。数据由 TDI 引脚串行发至控制器， 然后通过 TDO 引脚从控制器串行输出。程序的调试、下载都通过 JTAG 接口来完 成。电路图如图 4.5 所示： VDD 1 VDD 2 TRST 3 GND 4 TDI 5 GND 6 TMS/SWDIO 7 GND 8 TCK/SWCLK 9 GND 10 NC 11 GND 12 TDO/SWO 13 GND 14 RESET# 15 GND 16 NC 17 GND 18 NC 19 GND 20 JTAG GND VCC 3.3V R810K R710K R910K R610K R510K GND 图 4.5 STM32F103ZET6JTAG 接口电路 4.24.2 TFTTFT 彩屏彩屏 系统采用的彩屏分辨率为 240*320，2.寸。支持 262K/65K 色，数据位为 8/16 位可选，控制器为 ILI9341。电路连接图如图 4.6 所示： - 10 - VCC3.3 LCD_CS WR/CLK RST DB2 DB4 DB6 DB8 DB11 DB13 DB15 DB17 BL VDD3.3 GND MISO T_PEN T_CSCLK MO MOSI BL_VDD GND VDD3.3 GND DB16 DB14 DB12 DB10 DB7 DB5 DB3 DB1 RD RS GND J4 TFT_LCD 104 C10 Cap 104 C6 Cap 104 C11 Cap GND GNDGND VCC 3.3V PG12 PD5 RESET PD15 PD1 PE8 PE10 PE12 PE14 PD8 PD10 PB0 VCC 3.3V GND PF8 PF10 PB2PB1 PF9 VCC 3.3V PD9 PE15 PE13 PE11 PE9 PE7 PD0 PD14 PD4 PG0 GND +5V LCD关关 GND GND 图 4.6 TFT 彩屏电路连接图 TFT 彩屏引脚功能如表 4.1 所示： 表 4.1 TFT 彩屏引脚功能表 DB0-DB1516 位数据线 CS片选信号输入 RS指令数据选择信号 WR写信号开关 RD读信号开关 RESET复位 T_CS触摸屏片选端 T_PEN触摸屏笔中断 BL液晶背光选择端 MISO串行数据输出端 MOSI串行数据输入端 GND地 本 LCD 模块的 LCD 屏内部集成使用 8080 接口的 ILI9341 驱动芯片，对 LCD 屏的控制其实是通过控制 ILI9341 芯片实现的，ILI9341 内部的 GRAM 的每个存 - 11 - 储单元都对应着 LCD 屏的一个像素点，通过往 GRAM 中写数据达到对液晶屏的控 制。STM32F103ZET6 有 FSMC 功能，它支持 8080 通讯接口，直接由 FSMC 控制 GRAM，实现 LCD 屏快速地刷屏。如图 4.7 为 FSMC 写 NOR 的时序图。 图 4.7 FSMC 写 NOR 的时序图 4.34.3 触摸屏控制芯片触摸屏控制芯片 4.3.1 XPT2046 简介 XPT2046 是一种典型的逐次逼近型模数转换器（SAR ADC），包含了采样/ 保持、模数转换、串口数据输出等功能。供电电压范围为 2.7V5.5V。参考电 压值直接决定 ADC 的输入范围，参考电压可以使用内部参考电压，也可以从外 部直接输入 1VVCC 范围内的参考电压（要求外部参考电压源输出阻抗低）。 X、Y、Z、VBAT、Temp 和 AUX 模拟信号经过片内的控制寄存器选择后进入 ADC，ADC 可以配置为单端或差分模式。选择 VBAT、Temp 和 AUX 时可以配置为 单端模式；作为触摸屏应用时，可以配置为差分模式，这可有效消除由于驱动 开关的寄生电阻及外部的干扰带来的测量误差，提高转换准确度。 引脚图如图 4.8 所示： - 12 - 图 4.8 XPT2046 管脚图 4.3.2 XPT2046 引脚功能 XPT2046 有 16 个引脚，引脚功能介绍如表 4.2 所示： 表 4.2 XPT2046 引脚功能表 1BUSY 忙时信号线 2DIN 串行数据输入端 3/CS 片选信号输入 4DCLK 外部时钟输入端口 5+VCC 电源引脚 6XP XP 位置输入端 7YP YP 位置输入端 8XN XN 位置输入端 9YN YN 位置输入端 10GND 地引脚 11VBAT 电池监视输入端 12AUX ADC 辅助输入通道 13VREF 参考电压输入/输出 14IOVDD 数字电源输入端 15/PENIRQ 笔接触中断引脚 16DOUT 串行数据输出端 4.44.4 MPU6050MPU6050 模块模块 4.4.1 MPU6050 简介 MPU6050 是一款整合性 6 轴运动处理组件，它内部带有三轴的加速度传感 器、三轴的陀螺仪、并且能通过自身的第二 IIC 接口连接外部的磁力传感器。 将这九轴的数据利用 DMP（Digital Motion Processor）进行数据解算，进而 就能输出完整的姿态融合解算数据。利用了 DMP 进行数据解算，就降低了单片 - 13 - 机的负荷，同时缩短了开发周期，降低了开发难度。 MPU6050 的陀螺仪和加速度仪分别有 3 个 16 位 AD 转换器将采集的数据数 字化输出。该模块体积小，适用于穿戴式设备，与 STM32 进行 I2C 通信。模块 实物图片与接口原理图如图 4.9 所示。 STM32 内部有两路 IIC 供用户选择，但是硬件 IIC 做的并不稳定，程序容 易死在 IIC 通信上。因此本系统采用 IO 口模拟 IIC 的方式进行数据通信。 MPU6050 在初始时对其寄存器进行配置，包括陀螺仪采样率、自检及测量范围 等参数。 图 4.9 MPU-6050 实物与引脚图 电路连接图如图 4.10 所示： CLKIN 1 NC 2 NC 3 NC 4 NC 5 AUX_DA 6 AUX_CL 7 VLOGIC 8 AD0 9 REGOUT 10 FSYNC 11 INT 12 VDD 13 NC 14 NC 15 NC 16 NC 17 GND 18 RESV 19 CPOUT 20 RESV 21 RESV 22 SCL 23 SDA 24 U2 MPU6050 VIN 1 GND 2 EN 3 BP 4 VOUT 5 U1 RT9193-33 C3 1uF C1 10uF C4 223 C2 104 C5 104C6 10uF C7 104 R5 120 R3 120 R1 510 R2 4.7K R4 4.7K R6 120 R7 10K R8 120 VCC GND GND GND PWR LED GNDGND VCC 3.3V VCC 3.3V IIC SCL IIC SDA GND VCC 3.3V GND GND 图 4.10 MPU6050 电路连接图 - 14 - 4.54.5 SDSD 卡卡 SD 卡（Secure Digital Memory Card）是一种基于 FLASH 的新型存储设备， 它具有传输速度快、体积小、容量大、移动灵活、安全性能好等特点。SD 卡有 SD 和 SPI 两种工作模式，其中 SPI 模式接口比较简单，有利于降低成本，而且 能很好的胜任一般的应用场景。但是 SD 模式相对就比较复杂。因此本系统使用 SPI 模式。SD 卡管脚定义如表 4.3： 表 4.3 SD 管脚定义 PinSD 4-bit modeSPI mode 1CD/DAT3Data line 3CSCard Select 2CMDCommand lineDIData input 3VSS1GroundVSS1Ground 4VDDSupply voltageVDDSupply voltage 5CLKClockSCLKClock 6VSS2GroundVSS2Ground 7DAT0Data line 0DOData output 8DAT1 Data line 1 or Interrupt (optional) IRQInterrupt 9DAT2 Data line 2 or Read Wait (optional) NCNot Used 在 SPI 模式下，1 脚 8 脚保留（未使用）、2 脚片选端、3 脚数据输入端、 4 脚 6 脚电源与地端、5 脚时钟信号端、7 脚数据输出端。SD 卡的工作电压为 2.73.6V。电路图如图 4.11 所示： - 15 - CD/DATA3 1 CMD 2 VSS 3 VDD 4 CLK 5 VSS 6 DATA0 7 DATA1 8 DATA2 9 CD 10 GND 11 WP 12 sd card SDIO D2 SDIO D3 SDIO CMD SDIO SCK SDIO D0 SDIO D1 R1847K R2347K R2947K R2847K R2147K VCC 3.3V C36 104 GND SD CARD 图 4.11 SD 卡电路图 系统中 SD 卡的主要作用是存储接收到的地图图片。SD 卡采用 SPI 总线模 式。ST