STM32处理器综合应用

第九章STM32处理器综合应用9.1RTX_Blinky9.2MP3_Player9.1RTX_Blinky本节将介绍一个综合应用RTX、ADC、GPIO、LCD的实例RTX_Blinky。STM32处理器根据电位器的电压值来控制四相八拍步进电机的旋转速度，这里以四个LED灯闪烁来表示处理器给步进电机的输入，也就是通过电位器来控制四个LED灯循环闪烁的速度，同时电位器的电压值在LCD上显示。作用其一是如何使用实时库RTX来实现多任务的应用程序；其二是如何使用MDK、ULink2和STM32处理器的SW端口来进行实时跟踪分析调试9.1.1硬件电路9.1.2RTX内核RTX内核是一个非常小的RTOS，仅有50多个函数，没有内存管理、文件管理等复杂功能，但可以实现多任务的管理和调度。RTX是用标准C语言编写，由RealView编译器编译成的，可轻松实现任务函数的声明，而不需要复杂的堆栈以及变量帧的配置。利用RTX核编写实时应用程序仅需要在源程序中包含一个连接RTX实时库的头文件“RTX.h”即可。RTX常用函数os_sys_init(void(*task)(void))该函数用于初始化并启动RTX核，在核被初始化后，将运行参数task所指向的任务函数。该函数一定是放在C语言的main()函数中。RTX常用函数OS_TIDos_tsk_create(void(*task)(void),U8priority)该函数创建由参数任务函数指针*task所指定的任务，并将任务添加准备好的队列中，新的任务会被动态分配一个任务识别号(TID)。参数priority用于指定任务的优先级，默认的任务优先权是1。0为闲置的任务保留的，如果指定一个任务的优先权为0，则自动用1代替，值255也保留。RTX常用函数voidos_evt_set(U16event_flags,OS_TIDtask);该函数为参数task指定的任务设置标志，函数仅对参数event_flags中相应位为1的事件设置标志。voidos_tsk_delete_self(void)该函数停止并删除当前任务，程序将继续执行下一个就绪队列中最高优先权的任务。RTX常用函数voidos_dly_wait(U16delay_time)该函数用于暂停调用任务。参数delay_time具体规定停顿的时间长度，它由system_ticks衡量，delay_time可以设置为从1至0xfffe的任何值。RTX常用函数OS_RESULTos_evt_wait_and(U16wait_flags,U16timeout)该函数用于等待在wait_flags中被指定发生的所有事件。函数等待参数wait_flags中相应的位被设定为1的事件，最多可达16个不同的事件。timeout用于设置预约时间，预约时间之后即使没有一个事件发生，函数必须返回。timeout可以为除了0xFFFF之外的值，如果timeout设置为0xFFFF，则表示一个不确定的预约时间。预约时间由系统时间衡量。9.1.3软件程序设计为了使用RTX以多任务的方式驱动LED灯的闪烁，设置5个任务OS_TIDt_phaseA、OS_TIDt_phaseB、OS_TIDt_phaseC、OS_TIDt_phaseD和OS_TIDt_lcd。其中前4个任务的作用是点亮某个LED灯，延迟一段时间，然后通过设置标志触发另一个任务执行，再延迟一段时间之后，熄灭LED灯，等待下一次事件标志的到来；通过这四个任务的循环触发可以实现四个LED灯循环闪烁，其延迟时间由ADC转换值决定。软件程序设计OS_TIDt_lcd用于将ADC转换值显示在LCD上，按固定时间间隔不断更新。除了以上5个任务之外，还有init任务和idle任务，init任务用于创建以上5个任务，该任务在完成之后自行删除；idle任务无需创建，永远存在，当系统无其他任务时执行该任务。源文件简介Blinky.c该源文件用于创建多个任务，并多个任务之间的触发。STM32_Init.c该源文件用于初始化STM32处理器各个外围接口设备。源文件简介Setup.c该文件用于设置ADC和LED相关的端口和时钟。RTX_Config.c该文件用于配置RTX的参数，例如同时运行的最多任务数、任务堆栈等。MDK在\Keil\ARM\RV30\Startup下自带了几款MCU的RTX配置模版文件，编程时可以先加入近似MCU的配置模版文件，然后使用配置向导来修改参数，如下页图所示，无需编程。RTX参数配置向导源文件简介LCD_4BIT.c该文件用于提供评估板上2行16字符的文本LCD驱动。9.1.4实时跟踪分析Cortex-M3处理器内核可以使用SW接口进行实时跟踪（Trace）；这里结合RTX_Blinky介绍如何使用MDK、ULink2进行STM32的实时跟踪工具。9.1.4.1配置实时跟踪调试若要使用SW进行实时调试，则需要按以下步骤配置调试器、配置SWD、配置跟踪功能。配置调试器：选择Project->OptionsforTarget–>Debug，在如下页图所示的对话框中选择ULINKCortexDebugger调试器。选择调试器配置实时跟踪调试然后将路径\Keil\ARM\Startup\ST下的STM32DBG.ini文件拷贝到工程文件夹中。选择Project->OptionsforTarget–>Debug，在InitializationFile选项中选择该文件：STM32DBG.ini文件用于配置实时跟踪的选项，可以使用配置向导来修改该文件：STM32DBG.ini中可配置选项（1）DBG_SLEEP(DebugSleepMode)：允许在睡眠模式下调试；DBG_STOP(DebugStopMode)：允许在停止模式下调试；DBG_STANDBY(DebugStandbyMode)：允许在备用模式下调试；TRACE_IOEN(TracePinAssignmentcontrol)：允许跟踪引脚分配；TRACE_MODE(TracePinAssignmentControl)：设置跟踪引脚分配；STM32DBG.ini中可配置选项（2）DBG_IWDG_STOP(DebugIndependentWatchdogstoppedwhenCoreishalted)：当处理器核挂起时候，停止独立看门狗时钟；DBG_WWDG_STOP(DebugWindowWatchdogstoppedwhenCoreishalted)：当处理器核挂起时候，停止窗口看门狗时钟；DBG_TIMx_STOP(DebugTimerstoppedwhenCoreishalted)：当处理器核挂起时候，停止调试时钟；DBG_CAN_STOP(DebugCANstoppedwhenCoreishalted)：CAN接收寄存器被冻结。配置SWD选择OptionsforTarget–>Debug–>Settings，如图所示，设置SWD，端口选择SW。配置Trace功能Trace功能包括：CoreClock、TracePort以及定义TraceEvents等，如图所示。9.1.4.2实时跟踪MDK提供了多种实时跟踪窗口，来从不同角度显示实时跟踪所捕获的记录；包括：状态栏信息、ITM观测器、逻辑分析仪、RTX核事件观测器和实时跟踪窗口。状态栏信息如果配置了实时跟踪，当选择Debug->StartDebugSession菜单开始调试时，μVision3的窗口状态栏将显示当前跟踪状态信息：在状态栏中可能显示如下的Trace信息：Trace:CommunicationError，表示Cortex-M3和μVision之间通信出现错误，原因是CoreClock设置出错或者Trace硬件有问题；Trace:HWBufferOverrun，表示ULink2缓冲超出，ULink2无法给μVision提供足够快的数据通信；在状态栏中可能显示如下的Trace信息续Trace:SWBufferOverrun，发生μVision内部软件缓冲超出；Trace:NoSynchronization，未受到同步包，原因是配置错误或者未连接跟踪硬件；Trace:DataStreamError，检测到跟踪数据流；Trace:DataOverflow，捕获了太多的跟踪数据，跟踪端口太忙导致跟踪包丢失；Trace:Running...，表示目标板和实时跟踪允许正确；TargetandRealtimeTraceisrunningwithoutanyerrors.<none>：表示目标板和实时跟踪停止，之前未发生任何错误。ITM观测器（ITMViewer）ITM是一个应用驱动跟踪源，支持应用事件跟踪和printf类型的调试。它支持如下跟踪信息源：软件跟踪、硬件跟踪和时间戳。要使用ITM观测器，首先需要在源代码中加入如下关于ITM端口寄存器的定义：#defineITM_Port8(n)(*((volatileunsignedchar*)(0xE0000000+4*n)))#defineITM_Port16(n)(*((volatileunsignedshort*)(0xE0000000+4*n)))#defineITM_Port32(n)(*((volatileunsignedlong*)(0xE0000000+4*n)))#defineDEMCR(*((volatileunsignedlong*)(0xE000EDFC)))#defineTRCENA0x01000000然后，在源代码中添加fputc函数，它用于向ITM的激励端口0寄存器写数据：struct__FILE{inthandle;/*Addwhateveryouneedhere*/};FILE__stdout;FILE__stdin;intfputc(intch,FILE*f){if(DEMCR&TRCENA){while(ITM_Port32(0)==0);ITM_Port8(0)=ch;}return(ch);}有了fputc函数之后，就可以用printf函数做为ITM调试输出。ITM的激励端口0与ITMViewer窗口之间的连接是固定关系的：完成以上设置之后，在目标调试期，可以选择View->SerialWindow->ITMViewer打开ITMViewer窗口这时就可以在目标调试期间通过ITMViewer窗口查看到调试跟踪信息：逻辑分析仪（LogicAnalyzer）使用实时调试，可以通过逻辑分析器观测至多4个变量值的变化。在调试期间，可以在逻辑分析仪中添加希望观测的变量：RTX核事件观测器

（RTXKernelEventViewer）当运行使用实时库RTX的应用程序时，可使用RTXKernelEventViewer窗口来观察任务的切换过程。还需要允许TraceEnable，并设置正确的CoreClock：完成上述设置之后，在目标调试过程中选择Peripherals－>RTXKernel即可打开RTXKernel窗口：System窗口EventViewer窗口实时跟踪窗口在实时调试时，选择Peripherals–>Trace菜单，来观测和分析所有的跟踪记录:ExceptionTrace窗口EventCounters窗口显示特殊事件计数器的值:Cortex-MTargetDriverSetup窗口中选择对那些特殊事情进行计数:9.2MP3_Player本节将介绍一个利用STM32处理器实现简易MP3Player的设计实例；这个综合应用实例有助于读者了解SPI接口、SD卡、TIMER、USB、FAT文件系统等的应用。两种设计方案第一种方案是简易声波播放器，仅使用STM103V100评估板；令计时器TIM4工作在PWM模式下，将wav格式的声波文件从SD卡中读出；由TIM4产生不同频率的方波通过低通滤波器和放大器送喇叭。简易声波播放器方案第二种方案第二种方案即是简易MP3播放器；还需要使用额外的解码芯片，将MP3格式的文件从SD卡读出，然后送解码芯片解码播放。简易MP3Player方案9.2.1SD卡的结构及读写方法SD卡（SecureDigitalMemoryCard）是一种为满足安全性、容量、性能和使用环境等各方面的需求而设计的一种新型存储器件；SD卡允许在两种模式下工作，即SD模式和SPI模式，本系统采用SPI模式。SD连接器与STM32处理器SPI连接图SD卡内部结构及引脚SD卡主要引脚和功能为：CLK：时钟信号，每个时钟周期传输一个命令或数据位，频率可在0～25MHz之间变化，SD卡的总线管理器可以不受任何限制的自由产生0～25MHz的频率；CMD：双向命令和回复线，命令是一次主机到从卡操作的开始，命令可以是从主机到单卡寻址，也可以是到所有卡；回复是对之前命令的回答，回复可以来自单卡或所有卡；DAT0～3：数据线，数据可以从卡传向主机也可以从主机传向卡。SD卡的命令SD卡以命令形式来控制SD卡的读写等操作。可根据命令对多块或单块进行读写操作。在SPI模式下其命令由6个字节构成，其中高位在前。读写SD卡的两个函数：读取SD卡函数u8MSD_ReadBlock(u8*pBuffer,u32ReadAddr,u16NumByteToRead);写读取SD卡函数u8MSD_WriteBlock(u8*pBuffer,u32WriteAddr,u16NumByteToWrite)9.2.2FAT16文件系统简介SD卡如果采用FAT16文件格式，按照其不同的特点和作用大致可分为5部分：MBR区、DBR区、FAT区、FDT区和DATA区。由于SD卡一般不做引导盘，一般也不分区，因此通常无MBR区，直接从DBR区开始。DBR区内容为系统引导记录，它包括一个引导程序和一个被称为BPB（BiosParameterBlock）的本分区参数记录表。引导程序的主要任务是当MBR将系统控制权交给它时，判断本分区根目录是否有操作系统引导文件，如果有则将其读入内存，并把控制权交给该文件。BPB参数块记录着本分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式、根目录大小、FAT个数，分配单元大小等重要参数。FAT区该区内容为文件分配表，FAT16文件系统进行空间分配的最基本单位是簇。文件分配表反映了SD卡所有簇的使用情况，通过查文件分配表可以得知任一簇的使用情况。FAT表对于FAT16来说，FAT表每项占用两个字节。FAT表的第一项通常为FFF8H。对于其它项，若其值为0000H表示可用；FFF7H表示为坏簇；FFF8H-FFFFH之间表示该簇为某文件或目录的最后一个簇，FFF0H-FFF6H之间为保留值；其它值则指示下一个簇的簇号。FDT区该区的内容为文件目录表，FAT文件系统的一个重要思想是把目录（文件夹）当作一个特殊的文件来处理，FAT32甚至将根目录当作文件处理。FAT分区中所有目录文件，实际上可以看作是一个存放其它文件（文件夹）入口参数的数据表。因此，目录占用空间的大小并不等同于其下所有数据的大小，但也不等于0，通常是占很小的空间。其具体的存储原理是：不管目录文件所占空间为多少簇，一簇为多少扇区、多少字节；系统都会以32个字节为单位，进行目录文件所占簇的分配。DATA区该数据区存放文件的内容，SD卡所占用的空间绝大部分为此部分。如果文件长度大于一个簇的大小，需要多个簇存放该文件，这些放通过FAT链表串连起来。9.2.3VS1003-MP3/WMA

音频编解码器简介VS1003是由芬兰VLSISolutionOy公司所设计的一款单片MP3/WMA/MIDI音频解码器和ADPCM编码器；它包含一个高性能、自主产权的低功耗DSP处理器核VSDSP4。VS1003内部结构及引脚VS1003芯片与STM32F103x处理器配合VS1003可以作为一个微控制器的从机，通过串行SPI接口来接收输入的比特流，输入的比特流被解码后，可以通过一个数字音量控制器到达一个18位过采样多位DAC。STM32处理器读取SD卡中的MP3文件，将其通过SPI接口送往VS1003芯片播放，然后再利用STM32F10X处理器的一些GPIO口来控制VS1003即可以实现一个MP3Player的原形设计。9.2.4简易声波播放器的设计与实现通过SPI1从SD卡中读取声波文件，将所读取的部分存放在一个缓冲器中，利用TIMER2通道1定期产生的中断，从缓冲器中读取声音数据，然后根据声音数据通过TIMER4的通道3产生不同频率方波输出。这里使用了两个缓冲器，一个用于存放从SD卡读到的声音数据，另一个用于将声音数据输出到PWM，两个缓冲区的功能不断交替，形成一个由2个缓冲区构成的环形缓冲。播放声波文件由PC机通过超级终端以命令的方式选择，声音的播放状态也显示在PC机超级终端上。main.c源文件包含以下几个主要函数：SetupClock：用于初始化并设置系统时钟，并允许GPIOA、GPIOB、TIM2、TIM4和SPI的时钟；Speaker_Timer_Config:用于配置定时器TIM2和TIM4，TIM4的通道3处于PWM1模式；TIM2的通道1工作于输出比较模式，定期发出中断，在每次中断修改TIM4通道3相关寄存器，使之产生不同频率的方波；USART_Scanf_Name和USART_Scanf_Cmd：用于从超级终端获取输入字符串；main.c源文件包含以下几个主要函数(续)PrintPass：用于在超级终端上输出提示符“X:>”；main:主函数，首先初始化系统时钟、串口、连接SD卡的SPI1，与SD进行通讯初始化，检测并在超级终端上打印SD卡的信息；然后根据用户在超级中输入的命令进行操作，这里有“dir”、“cd”、“read”、“free”、“play”五个简单的命令，分别是目录项列表、目录更换、以文本方式读取文件、查询SD空余空间和播放声音文件；如果输入“Play***.wav”，则处理器开始从SD卡中读取相应的声波文件，并将其放入相应的缓冲区；msd.c：该文件用于提供SD卡的驱动，由ST公司所带例程提供，本系统用到以下一些函数。SPI_Config：配置与SD卡相连接的SPI1；MSD_Init：初始化SD卡通讯；MSD_WriteByte：向SD卡写一个字节；MSD_WriteByte：从SD卡读一个字节；MSD_GoIdleState：令SD卡处于空闲态；Get_Medium_Characteristics：获取SD卡的容量；MSD_SendCmd：向SD卡发命令；MSD_GetResponse：从SD卡获取响应；MSD_ReadBlock：从SD卡读取一块数据；fat16.c：该文件提供FAT16文件系统的支持，主要包含以下一些函数：ReadMBR：读取MBR数据结构；ReadBPB：读取BPB数据结构；ReadFAT：读取文件分配表指定项；ReadBlock：读取一个扇区；FAT_Init：获取FAT16文件系统基本信息；DirStartSec：获取根目录的开始扇区号；DataStartSec：获取数据区的开始扇区号；fat16.c续ClusConvLBA：获取一个簇的开始扇区号；LBAConvClus：转换扇区号与簇号之间的关系；LBAConvClus：计算可用空间，返回字节数；GetFileName：获取指定文件的首扇区号；List_DateAndTime：获取文件或目录项的日期时间；SearchFoler：在指定范围内查找子目录；List_AllDir_Long：列出指定范围内的目录及目录信息；FAT_FileOpen：打开指定文件；FAT_FileRead：读取文件数据；uart.c

hw_config.cuart.c：该文件提供USART串口驱动函数，可以参考7.5串行通讯接口实例的程序；hw_config.c：该文件包含系统初始化设置函数和中断配置函数。Set_System：用于提供系统时钟及电源设置；NVIC_Config：用于设置中断向量，允许TIM2中断；stm32f10x_it.c

UnicodeToGB2312.cstm32f10x_it.c：该文件仅包含一个函数TIM2_IRQHandler，即在每次TIM2中断时从缓冲器中读取音频数据送TIM4定时器，以用于产生不同频率的声音。UnicodeToGB2312.c：该文件仅包含一个函数UnicodeToGB2312，处理从UniCode编码到GB2312字符的转换，用于处理长文件名。查看SD卡内容播放声波文件9.2.5简易MP3Player的设计与实现9.2.4小节所介绍的声音播放器，是通过定时器TIM4产生不同频率方波来产生声音的，因此只适合播放wav声波文件，其音质也非常粗糙。如果希望播放MP3文件，并产生高品质的声音，则需要使用专用声音解码芯片，这将得到一个简易MP3Player原型设计。9.2.5.1

硬件设计9.2.5.2软件程序设计通过SPI1从SD卡中读取MP3文件，将所读取的内容通过SPI2发送到VS1003解码器中播放；PC机可通过USB总线读写SD卡的内容，传送MP3文件；PC机的超级终端用于发送MP3播放命令、显示MP3播放状态。main.c：源文件包含以下几个主要函数：USART_Scanf_Name和USART_Scanf_Cmd：用于从超级终端获取输入字符串；PrintPass：用于在超级终端上输出提示符“X:>”；main:主函数，首先初始化系统时钟、串口、USB接口、SPI1、SPI2，通过命令启动VS1003芯片，检测并在超级终端上打印SD卡的信息；然后根据用户在超级中输入的命令进行操作，这里有“dir”、“cd”、“read”、“free”、“usb”、“vstest”、“play”七个简单的命令，分别是目录项列表、目录更换、以文本方式读取文件、查询SD空余空间、启