智能天然气监控终端的数据显示系统的设计毕业设计论文.doc

1 毕业设计毕业设计 论论文 文 2009 届本科 届本科 题题 目目 智能天然气监控终端的数据显示系统的设计智能天然气监控终端的数据显示系统的设计 学学 院 电气与电子工程院 电气与电子工程 专专 业 电气工程及其自动化业 电气工程及其自动化 班班 级 电气级 电气 2 2 班班 姓姓 名 沈泽波名 沈泽波 学学 号 号 09103212210910321221 指导教师 刘毅指导教师 刘毅 20132013 年年 5 5 月月 2 智能天然气监控终端的数据显示系统的设计智能天然气监控终端的数据显示系统的设计 摘要摘要 生存环境的舒适与安全是人类永恒追求的物质目标 随着计算机技术 通 信技术 控制技术的飞速发展 人们对居住环境提出了更高的要求 希望居住 在一个生活现代化 环境舒适化 安全化的生活空间 通过环境监测系统 用 户可以实时获得居住环境的信息 如 温湿度 天然气浓度 火灾信息等 并 将采集到的环境信息作为其他家庭设备运行时的参数 实现对环境的智能化控 制 智能无线天然气烟雾监控终端作为智能家居的一部分 很好地实现了实时 监测天然气浓度和烟雾浓度的目标 并且当浓度超过设定阈值时 将通过无线 的方式进行报警 智能终端通过各种传感电路检测室内的天然气浓度和烟雾浓度信息等 然 后与预置的参数阈值进行比较 智能终端根据比较结果发出相应的报警信息 并且可以实时地显示当前时间室内天然气浓度和烟雾浓度信息等参数值 并且 可通过 WIFI GPRS 等无线通讯方式及时将各种监控信息通知住户 本文将从 ST 公司的以 Cortex M3 为内核的 STM32 微处理器 STM32F107 和嵌 入式图形支持系统 UCGUI 为主要切入点 对智能无线天然气烟雾监控终端所采 用的技术进行数据分析 比较 甄别 判断 来证明它在日常生活中的实用性 和优越性 关键词关键词 烟雾监控终端烟雾监控终端 STM32STM32 UCGUIUCGUI Cortex M3Cortex M3 内核内核 3 Design of data display system of intelligent gas monitoring terminal Abstract Living environment is the human eternal pursuit of material comfort and security goals Along with the computer technology communication technology control technology rapid development the living environment of people put forward higher request want to live life in a modern comfortable safe environment of living space Through the environmental monitoring system the user can obtain real time living environment information such as temperature and humidity and gas concentration fire information etc And will be collected environmental information as other family equipment run time parameter the realization of intelligent control to the environment Intelligent wireless gas smoke monitoring terminal as part of the smart home well realize the goal of real time monitoring of gas concentration and smoke concentration and when the concentration is more than set threshold will through the wireless way to call the police Intelligent terminals through a variety of sensing circuit testing indoor gas concentration and smoke concentration information etc and then compared with the parameters of preset threshold intelligent terminal sends the corresponding alarm information according to the results of the comparison and can real time display the current time indoor parameters such as gas concentration and smoke concentration information value and can be through WIFI GPRS wireless communication mode shall notify residents of various monitoring information in a timely manner This article will from the ST s architecture M3 as the kernel of STM32 UCGUI STM32F107 microprocessor and embedded graphics support system as the main entry point for the smart wireless gas smoke control technology adopted by the terminal for 4 data analysis comparison identify judgment practicality and superiority to prove it in daily life Key words Smoke monitoring terminal STM32 UCGUI Cortex M3 Kernel 5 目录目录 1 绪论 1 1 1 选题背景和意义 1 1 2 研究范围及技术要求 2 1 3 系统设计框架 2 1 4 本设计的优越性 4 2 烟雾传感器模块 5 2 1 烟雾及气体传感器的硬件特性和特点 5 2 1 1 烟雾传感器的选择 5 2 1 2 烟雾传感器的介绍 5 2 1 3 MQ 2 型烟雾传感器的工作原理及特点 5 2 1 4 MQ 4 型甲烷 天然气传感器的特点 7 2 2 烟雾传感器原理图 8 3 STM32 开发板的硬件特性和特点 9 3 1 硬件组成与作用 9 3 2 STM32 目前的技术水平和应用领域 12 3 3 ARM CORTEX M3 处理器的优点 13 3 4 STM32 与 C51 单片机的优劣对比 14 4 奋斗 STM32 开发板 V3 1 的特点和应用 15 6 4 1 嵌入式实时操作系统UCOSII 在奋斗板上的应用 16 4 1 1 特点 17 4 1 2 应用 17 4 1 3 UCOSII 概念解释 17 5 UCOSII 操作系统上的图形显示界面 UCGUI 18 5 1 UCGUI 的特性 18 5 1 1 运行要求 19 5 1 2 UCGUI 的一般特性 19 5 2 UCGUI 的操作界面及配置 19 5 2 1 UCGUI 的界面操作效果 21 5 2 2 UCGUI 的配置 22 5 3 UCGUI 的性能与资源 22 5 3 1 内存占用需求 23 6 系统总体方案设计 23 6 1 系统设计框架 23 6 1 1 天然气烟雾监控的显示流程 25 6 1 2 天然气烟雾实时监控的呈现功能实现 26 6 1 3 主程序 见附录 35 6 1 4 实验的过程及效果 35 7 结语 40 8 参考文献 41 9 谢辞 43 7 附录 主程序部分 44 1 智能无线天然气烟雾监控终端智能无线天然气烟雾监控终端 的数据显示系统的设计的数据显示系统的设计 1 1 绪论绪论 1 11 1 选题背景和意义选题背景和意义 天然气 主要存在于油田 气田 煤层和页岩层 天然气燃烧后无废渣 废水产生 相较煤炭 石油等能源有使用安全 热值高 洁净等优势 随着燃 料节能性要求的提出 天然气在家庭燃料结构中所占的比例也愈发重要起来 天然气是较为安全的燃气之一 它不含一氧化碳 也比空气轻 一旦泄漏 立即会向上扩散 不易积聚形成爆炸性气体 安全性较高 采用天然气作为能 源 可减少煤和石油的用量 因而大大改善环境污染问题 天然气作为一种清 洁能源 能减少二氧化硫和粉尘排放量近 100 减少二氧化碳排放量 60 和氮 氧化合物排放量 50 并有助于减少酸雨形成 舒缓地球温室效应 从根本上 改善环境质量 与此同时 计算机技术 通信技术 控制技术飞速发展 通过环境监测系 统 用户可以实时获得居住环境的信息 如 温湿度 天然气浓度 火灾信息 等 并将采集到的环境信息作为其他家庭设备运行时的参数 实现对环境的智 能化控制 智能无线天然气烟雾监控终端作为智能家居的一部分 很好地实现 了实时监测天然气浓度和烟雾浓度的目标 并且当浓度超过设定阈值时 将通 过无线的方式进行报警 智能终端通过各种传感电路检测室内的天然气浓度和 烟雾浓度信息等 然后与预置的参数阈值进行比较 智能终端根据比较结果发 出相应的报警信息 并且可以实时地显示当前时间室内天然气浓度和烟雾浓度 信息等参数值 并且可通过 WIFI GPRS 等无线通讯方式及时将各种监控信息通 知住户 无疑 这种装置为人们安全 舒适的生活作出了非凡的尝试 将减少因天 2 然气泄露而导致的生命损失 并且维护了社会和私人财产的损失 降低意外事 故的频发而引起的社会情绪不稳定 就此控制终端为研究对象 不仅切合当前工业化要求以趋向安全性第一的 实际 而且也是非常贴合人们的生活需求 不是为了研究而研究 把艰深难懂 的知识一一罗列 而是为了简明陈述 悉心疏通 来提供一种化繁为简的可能 使其成为生活中的必需品 而非自诞生起就束之高阁 1 21 2 研究范围及技术要求研究范围及技术要求 智能无线天然气烟雾控制终端可以通过各种传感电路检测室内的天然气浓 度和烟雾浓度信息等 然后与预置的参数阈值进行比较 智能终端根据比较结 果发出相应的报警信息 实时地显示当前时间室内天然气浓度和烟雾浓度信息 等参数值 并且可通过 WIFI GPRS 等无线通讯方式及时将各种监控信息通知住 户 在技术上必须实现便于接入 易于扩展 安全有效 经济实惠 灵活设置业务 流程等特点 在硬件系统要求 软件系统要求 功能要求 性能要求 安全要 求 环境要求方面务必精益求精 系统总体方案的设计应该全面考虑系统的总 体功能进行硬件的初步选型 之后确定一个硬件实现的可行方案 经过反复对 比考虑到节约整体成本 系统终端采用了 ST 公司的 Cortex M3 内核的 STM32 微处理器 STM32F107 该芯片属于 STM32 系列的增强型 提供多达 256KB 的 片内 Flah 64KB 的 RAM 和丰富的外设接口 Cortex M3 内核在设计上专门考 虑了满足集功耗低 实时性强的工业级嵌入式产品领域的特点 在性能相同的 条件下 STM32 产品功耗比同级别产品要低 75 工作环境温度达 105 本文将从 ST 公司的以 Cortex M3 为内核的 STM32 微处理器 STM32F107 和 在 UCOSII 操作系统上加上的图形界面显示嵌入式图形支持系统 UCGUI 为主要切 入点 同时简略介绍 TFT 液晶屏的发展史和 STM32 相较于 C51 单片机体现出的 卓越性能 STM32 的硬件组成和技术特点 效用以及硬件驱动和软件性能 STM32 开发板程序的开发 STM32 程序采用 UCOSII 操作系统也是笔者研究的重 要方向 3 1 31 3 系统设计框架系统设计框架 系统的设计采用了框架结构将整个系统分为两个部分分别为监控终端部分 和手机监控部分 智能监控终端主要负责实时采集烟雾浓度和天然气浓度信息 可实时把监 控信息通过 WIFI 模块传输到智能手机上 还可通过 WEB 网页查看实时数据以及 设置传感器参数等 另外 智能监控终端在监测到烟雾或者天然气浓度超过阈 值时 不仅有声光报警 还可以通过 GPRS 模块呼叫预设的报警电话 ANDROID 智能手机可通过 WIFI 模块与监控终端进行无线通讯 可以实时获 取到烟雾和天然气的浓度数据 并且可记录数据 显示数据 并且可设置传感 器的报警阈值等参数 另外在产生超阈值报警时 手机有多种提醒方式 智能监控终端实现功能如下 1 实时获取烟雾 天然气传感器数据 2 传感器数据实时显示在 LCD 屏上 3 实时通过 WIFI 传输传感器数据 4 内嵌 WEB 服务器 可通过网页查看传感器数据 并且可以设置传感 器阈值参数 5 具有声光报警提示方式 6 可通过 GPRS 模块呼叫指定电话或者发短消息 ANDROID 智能手机实现以下功能 1 实现以表格和文本方式显示传感器数据 2 可设置传感器阈值等参数 3 当有超阈值报警时 可播放警示音 4 天然气传感器模块烟雾传感器模块 智能监控终端 M3 CPUWIFI 模块 GPRS 模块 WIFI 模块 ANDROID 智能手机 3G GSM通讯模 块 LCD屏显示 那对于本设计而言 其最主要的目的是通过烟雾传感器的接收的模拟电压 信号再到 ADC 12 位 ADC 是一种逐次逼近型模拟数字转换器 它有 18 个通道 可测量 16 个外部和 2 个内部信号源 各通道的 A D 转换可以单次 连续 扫描 或间断模式执行 ADC 的结果可以左对齐或右对齐方式存储在 16 位数据寄存器 中 的转换数据后得到数字信号通过 UCOSII 操作系统上的图形显示系统 UCGUI 来实现实时监控显示 1 41 4 本设计的优越性本设计的优越性 国外从 20 世纪 30 年代开始研究及发展烟雾传感器 且发展迅速 一方 面是因为人们安全意识增强 对于环境安全和生活舒适性要求的提高 另一方 面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的行为 据有关统计 美国 1996 2002 年烟雾传感器年均增长率为 27 30 随着传感器生产工艺水品逐步提高 传感器日益小型化 集成度不断增大 使得烟雾检测仪器的体积也逐渐变得小 而实用 提高了烟雾检测仪器的便携性 更加利于生产 运输及市场推广 1963 年 5 月 日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器 次年 12 月其改良产品问世 改良的报警器可以检测燃气 一氧化碳等气体 可以安装 在浴室或者采用集中监视 我国在 70 年代初期开始研制烟雾报警器 生产型号多样 品种较安全 应 用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器 产品数量也在不断增加 但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产 工艺基础上 进行研究与开发形成自己的特色 进年来 在烟雾选择性和产品 5 稳定性上也有很大进步 随着科技的不断发展 越来越多的适应各种工作环境 的报警电路在不断的开发和出现以满足人们的需求 笔者查阅中国知网 发现探讨天然气监控终端的论文数量众多 关键词涉 及 天然气监控 的文献数量甚至达到了 10424 条搜索结果 但是其所使用的 处理器分别涵盖了 SPACE061A CAN 总线 PLC SCADA MCGS 等 统共 涉及到加气站的网络监控设计 配输站的远程计量 运输管道中的安全监控 天然气净化厂的监控 液化天然气厂的监控等 而探讨以 STM32 处理器为搭载 且目标受众主要为普通家庭的天然气烟雾监控系统的文献 则少之又少 本设计运用的基于 STM32F103 开发板的天然气以及烟雾监控可以说是目 前市面上较为先进的技术 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 它相对于目前别的处理器有 1 兼容性好 2 速度快 代码运行 中断相应 位操作 3 代码小 16 位 32 位 Thumb2 指令 4 功能全 IC2 SPI UART USB CAN 5 价格低 一般在十多元 四十多元人名币 2 2 烟雾传感器模块烟雾传感器模块 2 12 1 烟雾传感器的硬件特性和特点烟雾传感器的硬件特性和特点 2 1 12 1 1 烟雾传感器的选择烟雾传感器的选择 烟雾传感器属于气敏传感器 是气 电变换器 它将可燃性气体在空气中的 含量 即浓度 转换成电压或者电流信号 通过 A D 转换电路将模拟量转换成 数字量后送到单片机 进而由单片机完成数据处理 浓度处理及报警控制等工 作 转换器作为烟雾检测报警器的信号采集部分 是仪表的核心组成部分之一 由此可见 传感器的选型是非常重要的 2 1 22 1 2 烟雾传感器的介绍烟雾传感器的介绍 烟雾传感器种类繁多 从检测原理上可分为三大类 1 利用物理化学性质的烟雾传感器 如半导体烟雾传感器 接触器烧烟雾传 6 感器等 2 利用物理性质的烟雾传感器 如热导烟雾传感器 光干涉烟雾传感器 红 外传感器等 3 利用电化学性质的烟雾传感器 如电流型烟雾传感器 光势型气体传感器 等 烟雾传感器满足的基本条件一个烟雾传感器可以是单功能的 也可以是多 功能的 可以是单一的实体 也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列 但 是 任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件 1 能选择性地检测某种单一烟雾 而对共存的其他烟雾不响应或低响应 2 对被检测烟雾具有较高的灵敏度 能有效地检测允许范围内的烟雾浓度 3 对检测信号幸运速度快 重复性好 4 制造成本低 使用与维护方便 2 1 32 1 3 MQ 2MQ 2 型烟雾传感器的工作原理及特点型烟雾传感器的工作原理及特点 本设计采用的是 MQ 2 型烟雾传感器 MQ 2 气体传感器所使用的气敏材 料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡 SnO2 当传感器所处环境中存在可 燃气体时 传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大 使用简单的 电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号 MQ 2 气体 传感器对液化气 丙烷 氢气的灵敏度高 对天然气和其它可燃蒸汽的检测也 很理想 这种传感器可检测多种可燃性气体 是一款适合多种应用的低成本传 感器 本电路的测量元件采用旁热式烟雾传感器 MQ 2 在没有烟雾的情况下 烟雾 传感器的阻值较高 20K 左右 烟雾进入传感器时其阻值急剧下降 A B 两端 电压下降 一 尺寸 35mm X24mm X26mm 长 宽 高 二 主要芯片 LM393 MQ 2 气敏传感器探头 三 工作电压 DC 3 0 5 5V 7 特点 1 具有信号输出指示 2 双路信号输出 模拟量输出及 TTL 电平输出 3 TTL 输出有效信号为低电平 可直接接单片机 4 模拟量输出 0 5V 电压 浓度越高电压越高 5 对甲烷气体 天然气有较好的灵敏度 6 具有长期的使用寿命和可靠的稳定性 7 快速的响应恢复特性 8 2 1 42 1 4 MQ 4MQ 4 甲烷 天然气传感器的特点甲烷 天然气传感器的特点 一 尺寸 32mm X22mm X27mm 长 X 宽 X 高 二 主要芯片 LM393 ZYMQ 4 气体传感器 三 工作电压 直流 5 伏 四 特点 1 具有信号输出指示 2 双路信号输出 模拟量输出及 TTL 电平输出 3 TTL 输出有效信号为低电平 当输出低电平时信号灯亮 可直接接单片机 4 模拟量输出 0 5V 电压 浓度越高电压越高 5 对甲烷气体 天然气有较好的灵敏度 6 具有长期的使用寿命和可靠的稳定性 7 快速的响应恢复特性 五 应用 适用于家庭或工厂的甲烷气体 天然气等监测装置 9 2 22 2 烟雾传感器原理图烟雾传感器原理图 AB H 1 3 6 4 5 2 QM N10 VCCVCCVCC R3 LED C1 VCC 2 3 4 1 8 U1A R1 1 2 3 4 P1 Rp 产产产产 产产产 产产产产产产产产 R2 5V DOUT AOUT GND 通过传感器探头接收到模拟信号 如果气体的浓度越大则电压越大 再到 AOUT 模拟电压输出 之后通过 STM32 的 AD 转换器转换成数字信号 就可显示 在屏幕上了 10 3 3 STM32STM32 开发板的硬件特性和特点开发板的硬件特性和特点 3 13 1 硬件组成与作用硬件组成与作用 1 供电电路 AMS1117 3 3 输入 5V 提供3 3V 的固定电压输出 为 了降低电磁干扰 C1 C5 为CPU 提供BANK 电源 VCC P50 P75 P100 P28 P11 GND P49 P74 P99 P27 P10 滤波 CPU 的模拟输入电源供电脚VDDA P22 通过L1 22uH 的电感与 3 3V VDD 电压 连接 CPU 的模拟地VSSA P19 及VREF P20 通过R1 0 欧电阻与GND 连接 VREF P21 采用VDDA P22 电源基准 RT9166 2 5 输入 5V 提供2 5V 的固定电压输出 为MP3 电路VS1003 提供所 需的电压 RT9166 2 8 输入 5V 提供2 8V 的固定电压输出 为MP3 电路 VS1003 提供所需的电压 为 RTC 的备份电源采用V1 3 3V 锂离子片状电池 2 启动方式设置 Boot1 Boot0 P37 P94 x0 内部程序存储区 启动 01 系统存储区启动 为异步通信ISP 编程方式 在此将BOOT1 始终设置为 0 BOOT0 为可变的状态 在正常模式下将其置为0 在ISP 编程时将其置为 1 用JP1 跳线块设置 开路为ISP 模式 可以通过串口来下载代码 短路为正 11 常运行模式 3 时钟源电路 外部晶体 陶瓷谐振器 HSE P12 P13 B1 8MHz 晶体谐振器 C8 C9 谐振电容选择10P 系统的时钟经过PLL 模块将时钟提高 到72MHz 低速外部时钟源 LSE P8 P9 B2 32 768KHz 晶体谐振器 C10 C11 谐振电容选择6P 注意 根据ST 公司的推荐 B2 要采用电容负载为6P 的晶振 否则有可 能会出现停振的现象 4 SPI 存储电路 D2 SST25VF016B 2M Bytes CPU 采用SPI1 端口 PA7 SPI1 MOSI P32 PA6 SPI1 MISO P31 PA5 SPI1 SCK P30 PC4 SPI1 CS2 P33 控制读写访问 SPI1 地址 0 x4000 3800 0 x4000 3BFF 5 显示及触摸接口模块 显示器采用2 4 TFT320X240LCD 控制器 ILI9325 采用CPU 的FSMC 功能 LCD 片选CS 采用FSMC NE1 P88 FSMC A16 P58 作为LCD的RS选择 FSMC nWE P86 作为LCD的 WR FSMC nOE P85 作为LCD 的 RD LCD 的RESET 脚用CPU 的PE1 P98 LCD RST FSMC D0 FSMC D15 和LCD 的D1 D8 D10 D17 相互连接 触摸屏接口采用SPI1 接口 片 选为PB7 SPI1 CS3 由于LCD 背光采用恒流源芯片PT4101 控制 采用了PWM 控 制信号控制背光的明暗 PWM 信号由PD13 LIGHT PWM 来控制 触摸电路的中 断申请线由PB6 7846 INT 接收 LCD 寄存器地址为 0 x6000 0000 LCD 数据区 地址 0 x6001 0000 6 MICRO SD 卡接口 MICRO SD 卡座接口为8 脚 与CPU 的SD 卡接口 连接分别为SD 卡座 CPU SDIO D2 PC10 SDIO D2 P78 SDIO D3 PC11 SDIO D3 P79 SDIO CMD PD2 SDIO CMD P83 3V 3V SDIO CK PC12 SDIO CK P80 GND GND SDIO D0 PC8 SDIO D0 P65 SDIO D1 PC9 SDIO D1 P66 12 SDIO 地址 0 x4001 8000 0 x4001 83FF 7 USB 接口 CPU 的USB DM P70 USB DP P71 与USB 接口连接 USB 插座的引脚排列问为1 5V 2 D 3 D 4 GND 5 6 SHELL 采用 手动自举 JP2 短路的话 板子采用USB 供电 USB 地址 0 x4000 5C00 0 x4000 5FFF 8 CAN 接口 CPU 的CAN TX P96 CAN RX P95 通过TJA1050 与CAN 插座连接 CAN 插座的引脚排列问为1 CANH 2 CANL 2 脚之间根据情况装有 R12 120 欧的终端匹配电阻 如果连入在一个已经在两端具有终端匹配电阻的 CAN 网络中 该电阻可以不装 USB 地址 0 x4000 6400 0 x4000 67FF 9 10M以太网接口 CPU 的PA7 SPI1 MOSI P32 PA6 SPI1 MISO P31 PA4 SPI1 NSS P29 PA5 SPI1 SCK P30 通过SPI 总线方式 控制 D5 ENC28J60 来完成网络功能 ENC28J60 的TPIN TPIN TPOUT TPOUT LEDB LEDA 通过HR911105A 内置网络变压器 收 发LED RJ45 与以太网连接 SPI1 地址 0 x4000 3800 0 x4000 3BFF 10 RS 232 接口 TTL 异步通信接口 拥有二路 RS 232 接口 CPU 的PA9 US1 TX P68 PA10 US1 RX P69 PA9 US2 TX P25 PA10 US2 RX P26 通过MAX3232 实现两路RS 232 接口 分别连接在XS5 和XS17 接口上 USART1在系统存储区启动模式下 将通过该口通过PC 对板上的CPU 进行ISP 该口也可作为普通串口功能使用 JP3 JP4 的短路冒拔去 将断开第二路的 RS232 通信 仅作为 TTL 通信通道 USART1 地址 0 x4001 3800 0 x4001 3BFF USART2 地址 0 x4000 4400 0 x4000 47FF 11 GPIO 接口 包含了可以作为普通IO 的可具有PWM ADC DAC 等功 能以及其他类型的IO 口 同时包含了电源5V 3 3V 接口 12 数模转换DAC 当要使用 DAC 功能时 将会影响到板子的网络功能 网络芯片的SPI 的片选被占用 两种功能不能同时使用 在DAC 功能时 拥有一路CPU 自带的DAC 通道 PA4 DAC1 通过端子座 XS13 的6 脚引出 该口也可作为普通 IO 端口 PA4 使用 DAC地址 0 x4000 7400 0 x4000 77FF 13 13 FM 接收机功能 通过 CPU 上的I2C2 接口 PB11 I2C2 SDA PB10 I2C2 SCL 控制FM 模块TEA5767 可以接收兼容美国 87 5 to 108 MHz 和日本 76 to 91MHz 调频波段 左右声道经由功放电路TDA1308T 通过耳 机接口输出 I2C2地址 0 x4000 5800 0 x4000 5BFF 14 MP3 功能 通过 CPU 上的SPI2 接口PB15 SPI2 MOSI PB14 SPI2 MISO PB13 SPI2 SCK PB12 SPI2 CS1 控制MP3 电路VS1003B 可以将存储于 Micro SD 卡中的语音文件经由音放电路TDA1308T 通过耳机接口播放 能解码 MPEG 1 和 MPEG2 音频层 III CBR VBR ABR WMA 4 0 4 1 7 8 9 5 384kbps 所有流文件 WAV PCM IMA AD PCM 并也能对通过MIC XS7 接口 输入或线路输入的音频信号进行IMA ADPCM编码 并保存在micro SD 卡上 SPI2地址 0 x4000 3800 0 x4000 3BFF 15 音频放大电路 MP3 及FM 收音机电路的线路输出信号经过D8 TDA1308T 可以驱动头戴式耳机 16 SPI 外接接口 可直接接RNF24L01 模块 将 CPU 上的SPI2 接 口PB15 SPI2 MOSI PB14 SPI2 MISO PB13 SPI2 SCK PB0 RF SPI2 CS 引出 到 接口XS12 上 这是一个2X5 的排母插座 可以直接和2 4G 数传模块NRF24L01 相连 SPI2 地址 0 x4000 3800 0 x4000 3BFF 17 键盘电路及复位按键 3 23 2 STM32STM32 目前的技术水平和应用领域目前的技术水平和应用领域 STM32 是一个微控制器产品系列的总称 目前这个系列中已经包含了多个 子系列 分别是 STM32 小容量产品 STM32 中容量产品 STM32 大容量产 品和 STM32 互联型产品 按照功能上的划分 又可分为 STM32F101xx STM32F102xx 和 STM32F103xx 系列 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 按性能分成两个不同的系列 STM32F103 增强型 系 列和 STM32F101 基本型 系列 增强型系列时钟频率达到 72MHz 是同类产品 14 中性能最高的产品 基本型时钟频率为 36MHz 以 16 位产品的价格得到比 16 位产品大幅提升的性能 是 16 位产品用户的最佳选择 两个系列都内置 32K 到 128K 的闪存 不同的是 SRAM 的最大容量和外设接口的组合 时钟频率 72MHz 时 从闪存执行代码 STM32 功耗 36mA 是 32 位市场上功耗最低的产品 相当于 0 5mA MHz 3 33 3 ARMARM Cortex M3Cortex M3 处理器的优点处理器的优点 除了有好的处理器之外 还要配合好的开发环境和工具链 也正出于此 在设计 ARM7TDMI 处理器时 ARM 的工具链工程师们和 CPU 设计师们强强 联手 为了让它的内部结构更优化 更精练 更到位而并肩奋战了很多日日夜 夜 终于有了 ARM7TDMI 的无限辉煌 并且久经岁月的洗礼依旧光芒绽放 珠联璧合的最新果实 是破茧而出的 ARM Cortex M3 处理器 这个小尤物 处处闪耀着 ARM 体系结构最激动人心的新突破 它基于最新最好的 32 位 ARMv7 架构 这个架构支持高度成功的 Thumb 2 指令集 还有很多时尚 前卫甚至崭新的特性 充满了新生代的气息 它在很好 很强大的同时 编程 模型却变得更加清新爽洁了 单片机市场的规模可以用 巨无霸 来形容 预计到 2010 时每年能有 20G 片的出货量 世界各地的器件供应商纷纷亮出自己的得意之作 他们提供的器 件和架构也是各具特色 业界内部可谓是百花齐放 热闹非凡 好戏不断 各 行各业对单片机能力的要求也一直 得寸进尺 而且还又要马儿跑 又要马儿 不吃草 处理器必须在不怎么增加主频和功耗的条件下干更多的活儿 另一 方面 处理器之间的互连也在加深 看这一串串熟悉的字眼 串口 USB 以 太网 无线数传 处理器如欲支持这些数据通道 就必须在片上塞进更多的 外设 软件方面的情况也如出一辙 应用程序的功能一直在花样翻新 性能需 求也是变本加厉 更高的运算速度 更硬的实时能力 更多的功能模块 更炫 的图形界面 所有这些要求单片机都得照单全收 在这个大环境下 ARM Cortex M3 处理器 作为 Cortex 系列的处女作 为了让 32 位处理器入主作庄单 片机市场 轰轰烈烈地诞生了 由于采用了最新的设计技术 它的门数更低 15 性能却更强 许多曾经只能求助于高级 32 位处理器或 DSP 的软件设计 都能 在 CM3 上跑得很快很欢 嵌入式处理器市场正在 32 位化 相信用不了多久 CM3 就一定会在这美丽新世界中脱颖而出 CM3的招牌功夫包括 1 性能强劲 在相同的主频下能做处理更多的任务 全力支持劲爆的 程序设计 2 功耗低 延长了电池的寿命这简直就是便携式设备的命门 如无线 网络应用 3 实时性好 采用了很前卫甚至革命性的设计理念 使它能极速地响 应中断 而且响应中断所需的周期数是确定的 4 代码密度得到很大改善 一方面力挺大型应用程序 另一方面为低 成本设计而省吃俭用 5 使用更方便 现在从8位 16位处理器转到32位处理器之风刮得越来 越猛 更简单的编程模型和更透彻的调试系统 为与时俱进的人们大大减 负 6 低成本的整体解决方案 让32位系统比和8位 16位的还便宜 低端 的Cortex M3单片机甚至还卖不到1美元 7 遍地开花的优秀开发工具 免费的 便宜的 全能的 要什么有什 么 3 43 4 STM32STM32 与与 C51C51 单片机的优劣对比单片机的优劣对比 C51 单片机的汇编指令比 80 x86 的指令要简陋不少 但是这种简陋也使得 我们能够很清楚得看透内部结构 8 位操作 内部可访问 2 8 256B 存储单元 外部使用 16 地址线可以访问 64K 存储空间 外部分别使用 movx 和 movc 区分存 储空间和代码空间 定时 串口 I0 通过几个寄存器很容易管理他们 程序编 写也比较简单 从代码区的第一条指令开始运行 麻雀虽小但是五脏俱全 它 的结构很简单 C51 可以说是单片机的一个里程碑 但是随着时间的洪流当初 的英雄也被渐渐埋没 大规模集成电路的发展 成功的 C51 给了人们经验 后 16 来各种类型功能不尽相同的单片机层出不穷 包括 ARM 系列 DSP 系列 FPGA CPLD 的发展 随着人们需求的发展 C51 单片机越来越承受不了压力 它 的功能和设计决定了只能使用在比较简单的控制 虽然低廉的价格和简单的结构 在社会中占有一席之地 但是越来越高的要求使得 C51 在主流的应用中败下阵 来 新星们 ARM AVR 等纷纷冲上前线展开激烈的战争 ARM 系列中代表低端嵌 入式的 M3 内核主要打拼深度嵌入领域 72Mhz 的最大时钟 32 位总线 最大可 以寻址 4G 空间 虽然说是应用于深度嵌入和要求不是很高的场合 但是其结构 还是和 C51 产生了翻天覆地的变化 作为 32 位代表的就是 STM32 单片机 频率和位数是为了顺应天命 寄存器 的数量也不可同日而语 由于寄存器的结构比较复杂 所以官方推出了一个库 在不需要具体了解芯片细节的情况下也可以对其操作 STM32 比起 C51 来说功 能大大增加 也更为灵活 许多东西可以自己进行配置 包括内部时钟的输出 对不需要的功能可以直接关掉时钟 从而减少耗电量 IO 引脚可以切换多种模 式来适应不同的场合 每个引脚都有相应的寄存器来进行管理和配置 这样做 的好处就是大大增加了单片机的灵活性 但是复杂性也大大上升 它的程序并 不是从第一条开始执行的 而是从中断向量表的结构中来查询复位后第一条指 令的位置 包括访问外设的时序也可以自己变成得到 使得这款单片机占了低 端单片机市场的大片江山 但是它的只是深度嵌入的控制器 对于一些大型的 应用程序 复杂的算法是无法胜任的 但是它的低成本 低功耗使得它成为了 市场的宠儿 不过在不久的将来还会有处理速度更快 成本更低 功能更灵活 的单片机来取代它的地位 4 4 奋斗奋斗 STM32STM32 开发板实时操作系统开发板实时操作系统 ucosIIucosII 介绍介绍 STM32 是一个微控制器产品系列的总称 目前这个系列中已经包含了多个 子系列 分别是 STM32 小容量产品 STM32 中容量产品 STM32 大容量产 品和 STM32 互联型产品 按照功能上的划分 又可分为 STM32F101xx STM32F102xx 和 STM32F103xx 系列 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 17 的 ARM Cortex M3 内核 按性能分成两个不同的系列 STM32F103 增强型 系 列和 STM32F101 基本型 系列 增强型系列时钟频率达到 72MHz 是同类产品 中性能最高的产品 基本型时钟频率为 36MHz 以 16 位产品的价格得到比 16 位产品大幅提升的性能 是 16 位产品用户的最佳选择 两个系列都内置 32K 到 128K 的闪存 不同的是 SRAM 的最大容量和外设接口的组合 时钟频率 72MHz 时 从闪存执行代码 STM32 功耗 36mA 是 32 位市场上功耗最低的产品 相当于 0 5mA MHz 4 14 1 嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统 ucosIIucosII 在奋斗板上的应用在奋斗板上的应用 嵌入式实时操作系统 uCosII 是由美国工程师Jean J Labrosse 所创 它在中国的流行源 于那本被邵贝贝引进翻译的著名书籍 嵌入式实时操作系统uCos II 这本书是学习 ucosII 的宝典 虽然很厚 但理解了关键概念 再结合实际应用例程 还是很容易看懂的 uCosII 通过了美国航天管理局 FAA 的安全认证 可以用于飞机 航天器与人性命攸关的控制 系 统中 4 1 14 1 1 特点特点 1 可移植性 uCosII 源码绝大部分是用移植性很强的ANSI C 写的 与微处理硬件相关的部分是用汇编语言写的 uCOS 可以在绝大多数8 位 16 位 32 位以及64 位处理器 微控制器及数字信号处理器 DSP 上运行 2 可裁剪性 可以通过开关条件编译选项 来定义哪些uCosII 的功能 模块用于用户程序 方便控制代码运行所占用的空间及内存 3 可剥夺性 uCOSII 是完全可剥夺型的实时内核 它总是运行处于就 绪状态下的优先级最高的任务 4 多任务 uCOSII 可以管理64 个任务 每个任务对应一个优先级 18 并且是各不相同 其中8 个任务保留给uCOSII 用户的应用程序可以实际使用 56 个任务 5 可确定性 绝大多数uCosII 的函数调用和服务的执行时间具有可确 定性 也就是说用户总是能知道函数调用与服务执行了多长时间 6 任务栈 每个任务都有自己单独的栈 uCOSII 规定每个任务有不 同的栈空间 7 系统服务 uCOSII 提供很多系统服务 例如信号量 互斥信号量 事件标志 消息邮箱 消息队列 内存的申请与释放及时间管理函数等 8 中断管理 中断可以使正在执行的任务暂时挂起 中断嵌套层数可 达255 层 4 1 24 1 2 应用应用 奋斗 STM32 开发板MINI 及V3 采用了STM32F103VET6 作为板上的MCU 内 置 512K FLASH 64KSRAM 非常适合短小精悍的uCosII 作为操作系统 而且 ucosII 是实时操作系统 也极适合STM32 所面对的嵌入式微控领域 奋斗板选 用了已经被移植到STM32 平台上的ucosII2 86 源码 经过广泛测试 这个移植 好的源码在STM32 上是运行可靠的 我们可以更加专心关注应用软件的开发 4 1 34 1 3 uCosIIuCosII 概念解释概念解释 任务 任务通常是一个无限的循环 返回参数必须定义为 void 当任务 开始执行时 会有一个参数传递给用户任务代码 uCosII 可以管理64 个任务 其中系统保留了 8 个任务 开放给用户的有56 个任务 每个任务的优先级都 不同 任务的优先级号越低 任务的优先级越高 在这个版本的 uCosII 中 任务的优先级号就是任务编号 任务的状态一定是以下 5种之一 睡眠态 就绪态 运行态 19 等待状态 中断服务态 5 5 UCOSIIUCOSII 操作系统上的图形显示界面操作系统上的图形显示界面 UCGUIUCGUI UCGUI 是一种嵌入式应用中的图形支持系统 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 由一个 LCD 驱动层来包含所有对 LCD 的具体图形操作 UCGUI 可以在任何 的 CPU 上运行 因为它是 100 的标准 C 代码编写的 UCGUI 能够适应大多数的 使用黑白或彩色 LCD 的应用 它提供非常好的允许处理灰度的颜色管理 还提 供一个可扩展的 2D 图形库及占用极少 RAM 的窗口管理体系 5 15 1 UCGUIUCGUI 的特性的特性 5 1 15 1 1 运行要求运行要求 对于开发 UCGUI 图形应用不须什么目标系统 大部分的图形应用开发都可 以在模拟器下进行 但是最终的目的是通常还是在目标系统上运行程序 你的目标系统 硬件 必须具备如下几点 1 CPU 8 16 32 64 位 2 必要的 RAM 和 ROM 存储 3 LCD 显示器 任何类型及分辩率的 对于内存的需求取决于你选用的 UCGUI 的功能模块以及你所使用的目标系 统上的编译器的效率 内存的占用量无法估计准确的值 下面就一些的数值 适用于多数的目标系统 小型系统 不含窗口管理功能 1 RAM 100 字节 20 2 堆栈 500 字节 3 ROM 10 25K 取决于选用的 UCGUI 功能模块 大型系统 包含窗口管理及各种窗体控件功能 1 RAM 2 6 kb 决于选用的应用中建立窗口的数量 2 堆栈 1200 bytes 3 ROM 30 60 kb 决于选用的 UCGUI 功能模块 还要注意 ROM 的需求量随着你在应用程序中使用的字体数目而增长 以上的 所有值都是粗糙的估计 并不准确 开发环境 编译器 目标系统中采用的什么样的 CPU 并不重要 但必须要有与所用 CPU 相对应 的 C 编译器 大多数的 16 32 64 位的 CPU 或 DSP 上的编译器都可以正常使用 大部分 8 位的编译也都可以正常编译 并不须要 C 编译器 不过它也可以正 常使用 如果有须求的话 应用程序也可以在 C 环境下正常编译使用 5 1 25 1 2 UCGUIUCGUI 的一般特性的一般特性 UCGUI 的设计目标是为使用 LCD 作为图形显示装置的应用提供高效的 与 LCD 控制器独立及处理器独立的图形