嵌入式系统(STM32微处理器)实训指导书.doc

嵌入式系统（STM32微控制器）实训指导书意法半导体公司的STM32微控制器具有32位字长的CPU，使用精简指令系统（RISC）。精简指令系统的指令字长固定，译码方便，相对于复杂指令系统（CISC），精简指令系统的处理效率更高。具有32位字长CPU的STM32系列微控制器的处理能力远高于8位和16位单片机，同时集成了与32位CPU相适应的强大外设（如双通道ADC、多功能定时器、7通道DMA、SPI等），能够完成过去一般单片机所无法达到控制功能。现在，已经形成了以8位单片机为主流的低端产品和以32位微控制器为主流的高端产品两大市场。对于自动化领域的从业人员，了解32位微控制器的结构、特点，掌握其使用方法，是很有必要的。一、 关于学习方法此前，我们已经学习过C语言程序设计、微机原理、单片机原理及应用等相关课程。这些课程的学习是系统的、完整的、全面的，是有老师讲授的。这种学习方法，适合在学校学习一些重要的基础理论课程。在工作中，我们常常会遇到新的东西，需要以已有的知识作为基础，去解决问题、完成任务。这就需要不同于前述的另一种学习方法。这种方法是建立在自学基础上的，以解决实际问题为目的，允许通过局部的、模仿性的手段，来实现既定目标。这种方法在工程实践中的应用是非常普遍的。“白猫黑猫，能抓住老鼠就是好猫”。能解决问题的方法就是好方法。本次实训采取的方法是：将参考资料发给同学，同学自学其中需要的部分。在指导教师引导下，体验各个控制项目、理解各组成部分，再以原控制软件为基础进行修改和移植，获得要达到的控制效果。在本次实训中，我们使用的微控制器型号为STM32F103RB。STM32F103RB是STM32微控制器系列中的一种，内部具有128KB程序存储器、20KB随机读写存储器、1个16位高级定时器、3个16位通用定时器、2个SPI、2个I2C、3个USART、1个USB、1个CAN、2个ADC。芯片为64引脚LQFP封装，有51个I/O引脚。开发环境使用Keil uVision4 MDK。它是我们学习51内核单片机时使用的Keil uVision2和Keil uVision3提高版本，具有相同或相似的界面及使用方法。STM32微控制器的结构与MCS51单片机是相似的，也是用读写寄存器来使用内部的个部件。但是，STM32的规模庞大，远非51内核单片机可比。完成一个复杂的功能，可能需要操作多个寄存器的多个位，掌握其使用方法确有一定难度。为了解决这个问题，意法半导体公司提供了固件库。有了固件库，我们就可以调用函数来实现所需要的功能，这比通过操作寄存器实现就容易多了。二、 关于实训环境实训是在一套基于STM32微控制器的实验装置上进行的。装置采用积木式结构，由J-LINK（V8）仿真器、主板、最小系统板、12864液晶显示屏、3.2”TFT彩色液晶触摸屏、显示及键盘板、10M网络接口板、USB/RS232转接线等组成。下面对将要使用的硬件、软件作简要说明。1 微控制器：在本次实训中，我们使用的微控制器型号为STM32F103RB。它是STM32微控制器系列中的一种，内部具有128KB程序存储器、20KB随机读写存储器、1个16位高级定时器、3个16位通用定时器、2个SPI、2个I2C、3个USART、1个USB、1个CAN、2个ADC。芯片为64引脚LQFP封装，有51个I/O引脚。2 开发环境：使用Keil uVision4 MDK。它是我们学习51内核单片机时使用的Keil uVision2和Keil uVision3提高版本，具有相同或相似的界面及使用方法。3 J-LINK仿真器：仿真器连接计算机的一个USB口和STM32微控制器的几个专用位，使得计算机可以对微控制器进行下载、调试。4 固件库：STM32微控制器的结构与MCS51单片机是相识的，也是提高读写寄存器来使用内部的个部件。但是，STM32的规模庞大，远非51内核单片机可比。完成一个复杂的功能，可能需要操作多个寄存器的数个位，掌握其使用方法确有一定难度。为了解决这个问题，意法半导体公司提供了固件库。有了固件库，我们就可以调用函数来实现所需要的功能，这比通过操作寄存器实现就容易多了。三、 软件及文档说明发给大家的电子文档中，汇集了多种资料和软件，下面把最常用的一些作分类介绍。1 入门资料：STM8 32选型手册.pdf、STM32F10x常见应用解析(2008年9月).pdf、STM32的优越外设介绍 (2007年12月).pdf、STM32应用中的常见问题.pdf、STM32硬件设计问题解答.pdf。以上文档在“stm32资料常用资料”文件夹下。2 硬件资料：STM32中文参考手册_V10.pdf。在“stm32资料常用资料”文件夹下。3 固件库资料：STM32固件库使用手册的中文翻译版.pdf、STM32固件库v3.5变更指南.doc。中文手册只到2.0版本为止，现在通用的是3.5版本的固件库，所以参考变更指南。以上文档在“stm32资料常用资料”文件夹下。4 STM32F103RB芯片资料：STM32F103x8B_DS_CH_V10.pdf。在“STM32芯片数据手册STM32中文数据手册”5 实训装置资料：STM32实验系统.pdf。6配置STM32微控制器的系统时钟以及使用嘀嗒时钟（定时器）的资料：在“stm32资料stm32_时钟及systick”文件夹下。7 介绍STM32微控制器的位带操作的资料：在“stm32资料STM32_位带”文件夹。8 介绍STM32微控制器的中断系统的资料：在“stm32资料stm32_中断”文件夹下。9 介绍STM32微控制器的中断系统的资料：在“stm32资料STM32定时器”文件夹。10 STM32的V3.5.0固件库环境及模板及例程：“STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0”文件夹。四、 实训项目及日程第一天：任务：1）学习STM32微控制器资料，熟悉Keil MDK软件和J-LINK仿真器的安装与使用。学习LED灯控制软件结构，弄懂其SysTick延时的原理和使用方法，弄懂GPIO的输出控制方法。2）修改SysTick延时时间和输出控制方案，得到新的LED发光组合。范例工程：STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0物电学院ARM实验室STM32F103Rx_实验01 跑马灯。导学：“STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0”文件夹集合了STM32的固件库V3.5.0版。“物电学院ARM实验室”和“物电学院uCOS实验室”两个文件夹中有多个应用工程范例。其中“物电学院ARM实验室STM32F10x_模板”，已进行了必要的部件初始化（主要是时钟部分和对串口printf函数的支持），加入应用程序后即可工作。时钟部分的初始化设置为使用外部高速时钟（8MHz）经分频获得工作主频（72MHz），供定时器27和窗口看门狗以及备份接口使用的时钟频率为36MHz，供定时器1、8和ADC以及GPIOAGPIOE等使用的时钟频率为72 MHz。“STM32F103Rx_实验01 跑马灯”中因为不需要使用串口，拿掉了“usart.c”这个支持串口的文件。“delay.c”是用来使用嘀嗒时钟实现延时的。在51内核单片机中，短暂延时常用软件循环实现。这种做法在汇编语言中很简单，在C程序中就比较困难，因为不知道编译后会生成什么机器码、耗用多少时间。在STM32中这个问题就更突出。好在STM32中有一个嘀嗒时钟，它原本是用于嵌入式系统软件中提供基本时钟的，在不使用嵌入式系统软件时可以用来作短暂延时用。注意：这种延时方法同软件延时一样是占用CPU的，一般仅适用于短暂延时或任务很轻CPU富余量很大的场合。“led.c”是用于对驱动LED的端口进行初始化的。STM32集成了太多的外设，对于一个控制项目，可能很多外设是用不上的。为了尽量降低功耗，所有外设的时钟在复位后都是关闭的，这样外设就不工作也不耗电。如果要使用某个外设，首先要打开它的时钟，以及进行一些相关的初始化。对端口写“0”或“1”，有4种方法可使用。第一种方法是使用库函数GPIO_WriteBit既可写“0”也可写“1”，但速度最慢；第二种方法是使用库函数GPIO_ResetBits和GPIO_SetBits可分别写“0”或“1”，速度比较快；第三种方法是直接操作寄存器完成写“0”或“1”，本质上与第二种方法是相同的，但更直接，因而也更快一点；第四种方法是使用位带操作，速度是最快的。以上操作速度的差别，在非连续操作时是很小的，可以忽略不计。delay.h和led.h分别是delay.c和led.c的头文件。Keil uVision4 MDK界面中，用来将编译后生成的目标代码文件*.hex下载到STM32微控制器的FLASH中，可打开工程管理器。这两个操作是原来的Keil uVision2和Keil uVision3中没有的。第二天：任务：1）学习按键输入（扫描方式）软件结构，理解以扫描方式管理按键的工作原理和特点。2）对按键的输入响应进行修改，获得与原软件不同的LED响应效果。范例工程：STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0物电学院ARM实验室STM32F103Rx_实验02 按键输入(扫描方式)。导学：这个工程中新加入了key.c文件。在key.c中有2个函数。KEY_Init ()是对按键所在端口进行输入初始化的，KEY_Scan ()是对按键进行扫描的。在KEY_Scan ()中为了举例，轮流使用2种方法对按键所在端口进行判断，分别是库函数法和位带法，实际使用任何一种均可。KEY_Scan ()的核心任务有：有键按下时能识别并返回该键编码（03），无键按下返回0xff（即255）；能够排除键按下和松开时的抖动，不致发生误判；允许键较长时间按下，不致误判为多次按键。为此，采取的措施有：发现有键按下后间隔20mS再判一次，若仍为按下才确认此状态；只有在当前键状态为键松开时，又有键按下才返回键按下编码并进入键按下状态；确认4个键均松开后进入键松开状态。使用KEY_Scan ()进行键扫描，最长可耗时数十毫秒。key.h是key.c的头文件。第三天：任务：1）学习按键输入（外部中断方式）软件结构，与比扫描方式管理按键进行比对，理解以外部中断方式识别按键状态改变的优势。2）对按键的输入响应进行修改，获得与原软件不同的LED响应效果。范例工程：STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0物电学院ARM实验室STM32F103Rx_实验03 按键输入(外部中断方式)。导学：使用键扫描的方法对键状态进行识别，就需要不断调用KEY_Scan ()，这会对当前的工作造成较大影响。如果我们希望在按键没有按下时，不会干扰当前的工作，而一旦有键按下又能够马上响应，这就要用到中断。文件exti.c中，函数EXTI_InitInit ()对I/O端口的中断进行初始化，设置4个按键端口为上升沿和下降沿均产生中断。KEY1_DownKEY4_Down和KEY1_UpKEY4_Up是标志4个上升沿和下降沿的全局变量。在4个中断服务函数中，调用LevelDistinguish ()函数判断当前中断是上升沿还是下降沿，设置对应的变量。在主函数main中判别变量，驱动LED。事实上，对LED的处理也可以放在中断服务函数中处理，这样就可以做到对主函数中的正常工作的极小干扰。在主函数中调用了库函数NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2)，设置使用4级抢占优先级和4级响应优先级。这两种优先级的区别是：抢占优先级是可以嵌套的，即低抢占优先级的中断服务可以被高抢占优先级的中断请求打断；响应优先级是不能嵌套的，高响应优先级的中断请求不能打断低响应优先级的中断服务，但不同响应优先级的中断源同时发出中断请求时，CPU会先响应高响应优先级中断请求。在文件exti.c中，NVIC_Init(&NVIC_InitStructure) 库函数设置抢占优先级和响应优先级均为0级。第四天：任务：1）学习串口+中断软件结构，理解以字符串打印方式发送、中断方式发送、中断方式接受的特点及使用方法。在软件中添加LED驱动和按键扫描文件。2）修改程序以实现：按KEY1键用字符串打印方式发送一个“KEY1”；按KEY2键用中断方式发送“KEY2”；接收到“KEY1ON”和“KEY1OFF”使LED1发光和熄灭；接收到“KEY2ON”和“KEY2OFF”使LED1发光和熄灭。范例工程：STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0物电学院ARM实验室STM32F103Rx_实验05 串口+中断。导学：此工程由模板增补而成，在文件usart_int.c中的USART1_Init ()中使能了串口中断。USART1_IRQHandler ()是串口中断服务函数。文件usart_int.c中定义了TxBuffer1255和RxBuffer1255分别为串口发送缓冲区和串口接收缓冲区，定义了TxCounter1和RxCounter1为串口发送计数器和串口接收计数器。在usart_int.h中，将上述变量声明为外部变量。在主程序中，通过串口发送信息有两种方法：调用printf函数；将待发送的ASC码按顺序逐一放入TxBuffer1中，再向TxCounter1存入待发送的字符数。第一种方法，其间CPU一直由printf函数占用，直到发送完毕才退出，但使用方便，功能强。第二种方法，在完成对TxBuffer1和TxCounter1的赋值后，对串口的发送操作是在中断服务函数中完成的，对CPU的占用极少。串口接收是由其他设备的串口发送引起的，接收到的信息放在RxBuffer1中，字符数放在RxCounter1中，当判断RxCounter10且100mS未发生变化，即认为一次接收完成。串口通信的参数为：波特率9600、数据位8位、停止位1位、无奇偶校验。通信的另一方应按此设置。第五天：任务：1）学习定时器2定时中断软件结构，理解定时器2定时中断的使用方法。2）修改程序，使定时器2每5秒中断一次，在中断处理中对自动次数进行记录并通过串口发送中断次数。范例工程：STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0物电学院ARM实验室STM32F103Rx_实验11 定时器2定时中断。导学：使用定时器定时中断，可以不干扰主程序的工作，在定时时间到来时进入定时中断服务程序。文件timer.c中的定时器初始化函数TIM2_Init (u16 arr, u16 psc)中的arr是定时器的自动重装值，psc是时钟预分频数（0是不分频，1是2分频，以此类推）。主函数中的TIM2_Init(5000, 7199)，即为时钟预分频数7200，自动重装值5000，由于时钟是72MHz，每0.5S发生一次中断。改变arr和psc可以得到不同的中断周期。文件timer.c中的TIM2_IRQHandler ()是定时器2的中断服务函数，可在其中进行你需要的操作，但必须保证在下一次中断到来之前退出。第六天：任务：1）学习定时器3PWM输出软件结构，理解用定时器3产生PWM的方法，达到改变PWM的频率和占空比的目的。2）修改程序，在软件中添加按键中断文件，用KEY1和KEY2控制LED1的亮度，即每按KEY1和KEY2一次分别使输出到LED1的PWM占空比增加和减少20。范例工程：STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0物电学院ARM实验室STM32F103Rx_实验12 定时器3PWM输出。导学：文件timer_pwm.c中的TIM3PWM_Init (u16 arr, u16 psc)函数设定TIM3工作在PWM状态。Arr和psc的作用与上一范例相同。定时器TIM3工作在向下计数方式，重装值为900。使用库函数TIM_SetCompare1(TIM3, ii)TIM_SetCompare4(TIM3, ii)可设定PWM比较值，这个值应在0900之间。定时器TIM3的计数器值PWM比较值时对应引脚输出低电平，否则输出高电平。这样，当PWM比较值大时引脚输出的低电平占比也比较大，LED亮度也就比较高。如果将TIM3的计数方式修改为向下计数，结果则相反。改变arr可以改变pwm的精度，改变psc可以改变pwm的频率。第七天：任务：1）学习DS18B20测温软件结构，理解数字温度传感器DS18B20与STM32微控制器的硬件接口和软件驱动方法。2）在软件中加入LED驱动文件，修改程序，实现若温度高于设定的上限则LED1亮，低于设定的下限则LED4亮，在上限和下限之间则LED2和LED3交替发光。范例工程：STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0物电学院ARM实验室STM32F103Rx_实