新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應(yīng)用

新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應(yīng)用摘要：基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103系列芯片是新型的32位嵌入式微處理器，它是不需操作系統(tǒng)的ARM,其性能遠(yuǎn)高于51系列單片機(jī)，但開發(fā)過程與51系列單片機(jī)一樣簡(jiǎn)便，因而在很多應(yīng)用場(chǎng)合可替代51系列單片機(jī)。本文從STM32F103系列芯片性能特點(diǎn)和片上資源入手，重點(diǎn)介紹其開發(fā)工具以及開發(fā)流程。并以溫度測(cè)量為例，具體說明了基于Keil?Vision4軟件的工程建立、源程序編輯、編譯，基于J-Link仿真器的程序下載，程序在線調(diào)試，片上運(yùn)行等過程，最終測(cè)量的溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過串口發(fā)送至PC機(jī)顯示。1引言嵌入式微處理器正越來越廣泛的應(yīng)用在生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，但是傳統(tǒng)的嵌入式微處理器要么是8位的處理器，性能有限，要么是32位基于ARM的微處理器在使用上需要嵌入式操作系統(tǒng)的支持，比如Linux操作系統(tǒng)，使得系統(tǒng)不夠精煉。這一情況直到ARM公司推出Cortex-M內(nèi)核才得以改善，它無需操作系統(tǒng)，可以像單片機(jī)一樣使用KeilC語(yǔ)言進(jìn)行編程，極大的減少了開發(fā)者的工作量。坤年6月，ST公司及時(shí)推出了一款基于Cortex-M3內(nèi)核的新型ARM處理器：STM32系列微處理器。本文以stm32F103處理器為例，列舉了開發(fā)需要用到的各種軟硬件資源及其作用，較詳細(xì)介紹了處理器開發(fā)使用方法，隨后具體到以溫度傳感器檢測(cè)溫度這一實(shí)際應(yīng)用，給開發(fā)者提供一個(gè)更加直觀的印象，目的就是讓開發(fā)者能盡快了解熟悉該處理器的特點(diǎn)，掌握該系列處理器的開發(fā)使用方法。2STM32F103系列微處理器簡(jiǎn)介STM32F103系列微處理器是首款基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)RISC（精簡(jiǎn)指令集）處理器，提供很高的代碼效率，在通常8位和16位系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間上發(fā)揮了ARM內(nèi)核的高性能。該系列微處理器工作頻率為72MHz，內(nèi)置高達(dá)128K字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器和20K字節(jié)的SRAM，具有豐富的通用I/O端口。作為最新一代的嵌入式ARM處理器，它為實(shí)現(xiàn)MCU的需要提供了低成本的平臺(tái)、縮減的引腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗，同時(shí)提供了卓越的計(jì)算性能和先進(jìn)的中斷響應(yīng)系統(tǒng)。豐富的片上資源使得STM32F103系列微處理器在多種領(lǐng)域如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)控制、手持設(shè)備、PC游戲外設(shè)和空調(diào)系統(tǒng)等都顯示出了強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿?。STM32F103系列微處理器主要資源和特點(diǎn)如下：（1） 多達(dá)51個(gè)快速I/O端口，所有I/O口均可以映像到16個(gè)外部中斷，幾乎所有端口都允許5V信號(hào)輸入。每個(gè)端口都可以由軟件配置成輸出（推挽或開漏）、輸入（帶或不帶上拉或下拉）或其它的外設(shè)功能口。（2）2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，多達(dá)16個(gè)外部輸入通道，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)1MHz,轉(zhuǎn)換范圍為0~36V;具有雙采樣和保持功能；內(nèi)部嵌入有溫度傳感器，可方便的測(cè)量處理器溫度值。（3） 靈活的7路通用DMA可以管理存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器、設(shè)備到存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器到設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，無須CPU任何干預(yù)。通過DMA可以使數(shù)據(jù)快速地移動(dòng)，這就節(jié)？？CPU的資源來進(jìn)行其他操作。DMA控制器支持環(huán)形緩沖區(qū)的管理，避免了控制器傳輸?shù)竭_(dá)緩沖區(qū)結(jié)尾時(shí)所產(chǎn)生的中斷。它支持的外設(shè)包括：定時(shí)器、ADC、SPI、I2C和USART等。（4）調(diào)試模式：支持標(biāo)準(zhǔn)的20腳JTAG仿真調(diào)試以及針對(duì)Cortex-M3內(nèi)核的串行單線調(diào)試（SWD）功能。通常默認(rèn)的調(diào)試接口是JTAG接口。（5） 內(nèi)部包含多達(dá)7個(gè)定時(shí)器，具體名稱和功能如表1所示。（6） 含有豐富的通信接口：三個(gè)USART異步串行通信接口、兩個(gè)I2C接口、兩個(gè)SPI接口、一個(gè)CAN接口和一個(gè)USB接口，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信提供了保證。表1各個(gè)定時(shí)器名稱及其作用名稱數(shù)目作用通用定時(shí)器16位定時(shí)器.每個(gè)定時(shí)器有4個(gè)用于輸入捕魏輸出比較4WM或麻沖計(jì)數(shù)的通道高黜制定時(shí)器116位6通道高級(jí)控融定時(shí)器，可以控制6路ra輸出成形可選擇邊緣或中間對(duì)齊,并且?guī)в兴绤^(qū)控制、緊急制動(dòng)等功能看門齪時(shí)器2分為獨(dú)立看門淅和窗口看門狗;獨(dú)立看n狗可以用于在發(fā)生問題時(shí)復(fù)位整個(gè)系究或作為一個(gè)自由定時(shí)器為應(yīng)用程序"覷節(jié)也制請(qǐng)頃具脾期預(yù)警中斷功能'用于在發(fā)生問題時(shí)復(fù)位整個(gè)系統(tǒng)系統(tǒng)時(shí)基定時(shí)器124位的數(shù)器性要用于實(shí)時(shí)操作就亦可作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的遞浦計(jì)數(shù)器3開發(fā)工具和流程3.1開發(fā)工具對(duì)STM32F103系列MPU開發(fā)前，需要準(zhǔn)備相應(yīng)的軟硬件。其中硬件主要包括STM32F103開發(fā)板(或用戶目標(biāo)板)、J-Link下載仿真器等；軟件主要包括KeilVision4IDE開發(fā)平臺(tái)。下面對(duì)各自的功能和特點(diǎn)做簡(jiǎn)要說明。STM32F103開發(fā)板(或用戶目標(biāo)板)是開發(fā)目標(biāo)對(duì)象。J-Link下載仿真器是程序下載的樞紐，它帶有的標(biāo)準(zhǔn)20芯扁平電纜可將程序通過JTAG接口下載到處理器內(nèi)部存儲(chǔ)空間；無需外部供電，用USB連接線與PC機(jī)連接好后即可工作；還具有下載速度快、功耗低的特點(diǎn)。KeilVision4IDE是一個(gè)基于窗口的軟件開發(fā)平臺(tái)，它集成了強(qiáng)大而且現(xiàn)代化的編輯器、工程管理器和make工具，幾乎集成了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)所需的全部工具：C/C++編譯器、宏匯編器、鏈接/定位器、HEX文件生成器等。該軟件提供了兩種工作模式：編譯和調(diào)試模式。在編譯模式中，開發(fā)者可以創(chuàng)建工程、選擇目標(biāo)器件、新建文件、輸入源代碼、生成可執(zhí)行文件；調(diào)試模式中，開發(fā)者可以利用其強(qiáng)大的集成調(diào)試器對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)試，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行等，方便了程序錯(cuò)誤的查找和修改。3.2開發(fā)流程用J-Link仿真器將PC機(jī)和STM32F103開發(fā)板連接起來。使用KeilVision4IDE開發(fā)平臺(tái)創(chuàng)建新工程，編寫源程序。打開KeilVision4軟件，創(chuàng)建新的工程文件，為該工程選擇器件：STMicroelectronics公司的STM32F103R8芯片，單擊確定后會(huì)彈出對(duì)話框，提示是否選擇將啟動(dòng)代碼添加到目標(biāo)工程。啟動(dòng)代碼用來完成系統(tǒng)的初始化工作，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來說是必不可少的。選擇？？是將啟動(dòng)代碼加入到目標(biāo)工程，這樣可以大大節(jié)省啟動(dòng)代碼的編寫工作。工程創(chuàng)建完畢后，即可在該工程下新建C文件，編寫源程序，完成后將其添加到工程中。最后將庫(kù)文件STM32F10xRLIB和STM32F10xDLIB也添加到工程中。至此，程序創(chuàng)建工作結(jié)束。所需源文件及功能如表2示。表2完整工程所需文件文件備注§tn32fl(ksCPU相關(guān)啟動(dòng)代晚初始化目標(biāo)設(shè)備蜩置啟褂鏘工程創(chuàng)建時(shí)按提示瀏唧可miihc主程牌系統(tǒng)時(shí)鍬通用I/0U、中斷控制器等m主醐文件，由開發(fā)者自醐寫&to32fl0vitc齡了所有的中眥理程序(所有函辨醐為空)該文胸麴立Hi取也啊合并細(xì)如醐文件中W32F10ALBS1M32F10X系列姻器幗件庫(kù),定義了片上外腳楠腳物及基本蹣數(shù)這兩個(gè)庫(kù)文件均位于KeilURM\RV31\LB\ST1STSIM32F10^LB程序的編譯、下載、仿真和調(diào)試等。程序編寫完成后即可編譯文件，編譯無錯(cuò)誤后選擇Options選項(xiàng)，在Debug程序編譯鏈接成功之后，選擇Project/OptionsforTarge,t打開對(duì)話框后，選擇Debug選項(xiàng)卡，在Use下拉按鈕中選擇Cortex-M3J-Link,選擇好后點(diǎn)擊settings,在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊Add按鈕，選擇STM32F10xMed-densityFlash。點(diǎn)擊OK完成配置。通過Load即可將程序下載到目標(biāo)器件中。如圖1所示。如果需要對(duì)程序進(jìn)行在線調(diào)試，選擇Start/StopDebugSession,這時(shí)可以插入斷點(diǎn)、設(shè)置指針、單步執(zhí)行、復(fù)位等，還可以觀察各個(gè)寄存器值的變化，進(jìn)行波形仿真。總之可以很方便的在線調(diào)試程序。4應(yīng)用程序開發(fā)實(shí)例下面以溫度測(cè)量為例，具體介紹STM32F103處理器的開發(fā)使用方法。該處理器帶有12位逐次逼近式ADC,其輸入量程為VREF-~VREF+,在LQFP64引腳或更少的引腳封裝形式中，它們?cè)谛酒瑑?nèi)部與ADC的地VSSA和電源VDDA相連。由于STM32處理器在本設(shè)計(jì)中采用33V電壓供電，因此其輸入量程為0~33V。處理器內(nèi)部自帶一個(gè)溫度傳感器，它感知到MPU周圍的溫度變化，將其轉(zhuǎn)化為電壓的變化。該傳感器的溫度適應(yīng)范圍很寬，可以測(cè)量-40°C~+125°C之間變化的溫度值，轉(zhuǎn)換精度為±1.5C,能夠較好的滿足溫度測(cè)量的任務(wù)。4.1AD轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸通常情況下，內(nèi)部溫度傳感器是關(guān)閉的，為了使其正常工作，首先需要選擇ADC—IN16通道，因?yàn)樵撏ǖ朗莾?nèi)部通道，與溫度傳感器直接相連，其次要設(shè)置相關(guān)功能寄存器ADC_CR2的TSVREFE位，開啟溫度傳感器和VREFINT通道。編寫mainc文件時(shí)，首先配置系統(tǒng)時(shí)鐘，然后進(jìn)行引腳配置，主要是為串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接收配置引腳，本設(shè)計(jì)采用通用I/O口PB10作為串口發(fā)送引腳，配置為推挽式輸出，速度為50MHz;將通用I/O口PB11作為串口接收引腳，浮空輸入模式。然后配置串口工作方式及中斷，設(shè)置波特率為9600Baud、8位數(shù)據(jù)位、無校驗(yàn)位、1位停止位、無硬件流控制。然后使能串口的中斷、發(fā)送、接收。將AD轉(zhuǎn)換通道設(shè)為通道16,使能溫度傳感器。檢測(cè)到ADC校準(zhǔn)寄存器復(fù)位完成后，啟動(dòng)ADC校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完成后軟件觸發(fā)啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換。設(shè)置while無限循環(huán)，等待串口中斷，在中斷程序stm32f10x_itc文件中，將轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC機(jī)。流程圖如圖2所示。圖1Dubug選項(xiàng)的配置圖2溫度測(cè)量流程圖出于STM32的溫度檢測(cè)方*型口設(shè)霓串口號(hào)|C0M1 _*袖特率|9G0 型口設(shè)霓串口號(hào)|C0M1 _*袖特率|9G0 3校騙位NONE:教據(jù)位|8一二|停止但一■I —I打開卒口成功!06十六歪制1D十遂制電始溫度發(fā)送1773114284423028120：25.3622365&&23Z6搦哎退出圖3C++Buider顯示界面4.2顯示界面的設(shè)計(jì)在PC機(jī)上，使用C++Builder軟件制作顯示界面。編寫串口接收程序，將串口設(shè)置與發(fā)端一致，接收數(shù)據(jù)時(shí)以雙字節(jié)十六進(jìn)制形式接收。接收到的數(shù)據(jù)大小介于0~0X0FFF之間，換算為十進(jìn)制數(shù)介于0~4095之間。由于VREF-=0V,VREF+=3.3V,因此，根據(jù)數(shù)值和電壓值的關(guān)系算得當(dāng)前電壓值。VSENSE=Data/4096*3.3V。比如，若當(dāng)前得到十進(jìn)制數(shù)值為1773,則根據(jù)上述公式算得當(dāng)前電壓為1.428V。得到電壓值之后，由公式：TA={(V25-VSENSE)/Avg_Slope}+25可進(jìn)一步算出當(dāng)前溫度值。其中，V25為VSENSE在25°C時(shí)的大小，其值為1.43V;Avg_Slope為溫度與VSENSE曲線的平均斜率，大小為4.3mV/C。根據(jù)上例得出的當(dāng)前電壓1428V,可推算得溫度值為25.36C。得出結(jié)果的同時(shí)將該溫度值在該界面中顯示出來。結(jié)果顯示如圖3所示。5結(jié)束語(yǔ)：基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103系列處理器是新型的嵌入式微處理器，它在各方面指標(biāo)上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于51系列單片機(jī)