嵌入式系统(STM32微处理器)实训指导书

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 MCS 51 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 RS 232 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 MCS 51 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 STM32F10 x 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 STM32F10 x StdPeriph Lib V3 5 0 文件夹 四 实训项目及日程 第一天 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 STM32F10 x StdPeriph Lib V3 5 0 物电学院 ARM 实验室 STM32F103Rx 实验 01 跑马灯 导学 STM32F10 x 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 STM32F10 x 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 2 7 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 GPIOA GPIOE 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 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 STM32F10 x 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 0 3 无键按下返回 0 xff 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 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 STM32F10 x 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 Down KEY4 Down 和 KEY1 Up KEY4 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 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 STM32F10 x 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 TxBuffer1 255 和 RxBuffer1 255 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 RxCounter1 0 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 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 STM32F10 x 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 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 STM32F10 x 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 0 900 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 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 STM32F10 x StdPeriph Lib V3 5 0 物电学院 ARM 实验室 STM32F103Rx 实验 1