基于STM32的數(shù)字PDA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

以Cortex-M3為內(nèi)核的處理器由于其低功耗以及低成本并且是32位處理器，越來越多的研究人員已經(jīng)從51處理器、AVR等處理器開始轉(zhuǎn)移到這個(gè)領(lǐng)域。數(shù)字PDA系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是以Cortex-M3的內(nèi)核STM32ZET6控制器，但是由于STM32ZET6內(nèi)部沒有MMU，不能移植WincE，Linux等操作系統(tǒng)，故只能應(yīng)用ucLinux，μC／OS-Ⅱ等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)ucLinux，μC／OS-Ⅱ在微控制器中移植后，應(yīng)用程序就開始了與操作系統(tǒng)、以及硬件驅(qū)動(dòng)之間的交互，一旦要添加新的應(yīng)用程序或者對應(yīng)用程序的更改，代碼的修改量以及整個(gè)操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性都會收到影響。這時(shí)就需要一種新的機(jī)制，能夠在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上快速設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，也正是基于這種思想，數(shù)字PDA系統(tǒng)將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、硬件驅(qū)動(dòng)、FATFS進(jìn)行統(tǒng)一的封裝，并給出一種基于頁的機(jī)制，每一頁就是一個(gè)線程，利用μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)間的切換，而應(yīng)用程序只需要按照頁的設(shè)計(jì)規(guī)則，進(jìn)行應(yīng)用程序頁設(shè)計(jì)即可，設(shè)計(jì)最終證明是合理可靠的。

1 數(shù)字PDA系統(tǒng)原理框圖說明

數(shù)字PDA系統(tǒng)的硬件電路部分由微控制器STM32F103ZET6、16 Mb NOR FLASH存儲器、液晶顯示LCD控制電路、USB接口電路、VS1003B MP3解碼芯片電路、2 Gb misroSD卡接口電路、以及2．5～5 V電源電路組成。它的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。


2 數(shù)字PDA系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2．1 微處理器MCU

微處理器MCU采用STM32F103ZET6 ARM芯片，其特點(diǎn)是低功耗、價(jià)格低、具有豐富的外設(shè)資源如FSMC控制器、USB、多路SPI和USART，并且有MDK編程手冊，易于上手。

2．2 NOR FLASH存儲器

NOR FLASH采用M29W128芯片，NOR FLASH的作用是存儲頁面資源、GUI資源、以及各種字庫資源。數(shù)字PDA系統(tǒng)硬件電路使用微控制器的FSMC控制器對M29W128 NOR FLASH進(jìn)行讀寫操作，主要是為了提高對M29W128讀寫速度。M29W128NOR FLASH中的存儲的數(shù)據(jù)，也可以通過從microSD卡中讀取并進(jìn)行存儲。

2．3 TFT液晶顯示電路

數(shù)字PDA系統(tǒng)硬件電路使用以HX8312為主控芯片的液晶控制電路和主控制器連接。主控制器和液晶控制電路之間的數(shù)據(jù)通信也使用主控制器的FSMC接口，目的是進(jìn)行快速傳輸數(shù)據(jù)，避免液晶顯示刷屏現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2．4 VS1003音頻解碼電路

VS1003是音頻解碼芯片，它支持Mpeg1和Mpeg2，WMA，MIDI，MP3解碼，同時(shí)支持IMA ADPCM(單聲道)、麥克風(fēng)和線入等編碼，VS1003具有一個(gè)高性能低功耗的DSP處理器核VS_DSP，0．5 KB數(shù)據(jù)RAM。數(shù)字PDA系統(tǒng)使用VS1003音頻解碼芯片，實(shí)現(xiàn)PDA的音樂MP3的播放功能。

2．5 USB接口電路和microSD卡接口電路

STM32微控制器具有1個(gè)USB接口，該USB接口主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)PDA在和PC機(jī)連接時(shí)的USB通信，當(dāng)然也能為數(shù)字系統(tǒng)PDA系統(tǒng)供電。micro SD實(shí)現(xiàn)了數(shù)字PDA系統(tǒng)的大容量數(shù)據(jù)的存儲。

2．6 PDA內(nèi)部USB轉(zhuǎn)串口電路

PL2303遵循USB協(xié)議，并且支持到RS 232的轉(zhuǎn)換。PDA數(shù)字系統(tǒng)通過PL2303電路實(shí)現(xiàn)主控制器的串口和PC之間的串口通信，這個(gè)電路主要用于系統(tǒng)調(diào)試。

2．7 電源電路

電源電路包括鋰電、5 V外接電源濾波電路、5 V轉(zhuǎn)3．3 V、3．3 V轉(zhuǎn)2．8 V、3．3 V轉(zhuǎn)2．5 V五個(gè)電路，它們主要負(fù)責(zé)分別給主控制器、解碼芯片、SD、NORFLASH提供電源。

3 數(shù)字PDA系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1 軟件系統(tǒng)總體介紹

相比較硬件電路來說，硬件電路一旦確定并且電路正確，基本上沒有大的變化，而軟件部分則會出現(xiàn)非常大變化，因?yàn)閼?yīng)用的程序是多種多樣的。但是STM32微控制器沒有像PC處理器那樣含有MMU，不能運(yùn)行Linux和WinCE操作系統(tǒng)，但是在很多情況下，PDA數(shù)字系統(tǒng)是要實(shí)現(xiàn)多任務(wù)操作的，或者說多線程操作，所以在這種條件下，PDA數(shù)字系統(tǒng)采選用μC／OS-Ⅱ進(jìn)行多任務(wù)之間根據(jù)優(yōu)先級別的調(diào)度，而應(yīng)用程序又是基于操作系統(tǒng)和硬件的，為了提高操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和減少在數(shù)字PDA添加應(yīng)用程序時(shí)代碼的修改了，所以數(shù)字PDA系統(tǒng)將操作系統(tǒng)、GUI、硬件驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)FATFS進(jìn)行整合，采用一種頁機(jī)制，每一頁就是指一個(gè)TFT LCD顯示的頁，每一頁就是一個(gè)線程，當(dāng)頁切換時(shí)，底層操作系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)任務(wù)的切換。

3．2 FATFS文件系統(tǒng)的移植

由于PDA數(shù)字系統(tǒng)使用SD卡作為大容量數(shù)據(jù)的存儲，雖然主控制器STM32含有SDIO接口，硬件驅(qū)動(dòng)程序只要進(jìn)行相應(yīng)的配置就能實(shí)現(xiàn)SD的讀寫操作，但是這種操作時(shí)基于扇區(qū)的，而上層應(yīng)用程序操作的是文件，所以必須移植文件系統(tǒng)。移植步驟就是將SD的讀寫扇區(qū)函數(shù)和文件系統(tǒng)的底層接口函數(shù)想關(guān)聯(lián)。數(shù)字PDA系統(tǒng)使用FATFS文件系統(tǒng)，當(dāng)然也可以使用FAT32文件系統(tǒng)，F(xiàn)ATFS文件系統(tǒng)中diskio．c中提供五個(gè)接口函數(shù)，如圖2所示。

將microSD卡驅(qū)動(dòng)函數(shù)的SD扇區(qū)讀函數(shù)、扇區(qū)寫函數(shù)、以及SD初始化的函數(shù)和圖中的disk_read，disk_write，disk_initialize進(jìn)行對接，當(dāng)讓還要在FATFS文件系統(tǒng)中數(shù)據(jù)類型integer．h中包含stm32f10x．h以及將integer．h中的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行更改，只需要更改文件系統(tǒng)中BOOL類型數(shù)據(jù)和stm32f10x．h中的bool類型一致即可，文件系統(tǒng)就移植完了。移植了FATFS文件系統(tǒng)后，數(shù)字PDA系統(tǒng)在讀取SD卡時(shí)，就可以按照大家常用的文件格式進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)。

3．3 μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)的移植

μC／OS-Ⅱ?yàn)镻DA數(shù)字系統(tǒng)的操作系統(tǒng)提供多線程操作，任務(wù)的調(diào)度。由于系統(tǒng)需要多線程的調(diào)度，需要為數(shù)字PDA系統(tǒng)移植μC／OS-Ⅱ。數(shù)字PDA系統(tǒng)使用信號量和郵箱機(jī)制進(jìn)行多任務(wù)的調(diào)度。μC／OS-Ⅱ是用標(biāo)準(zhǔn)C語言和匯編語言來寫的，只有與微處理器相關(guān)的是由匯編指令寫的，所以在STM32F103ZET6上中移植μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，只需要更改或者重寫處理器相關(guān)文件OS_CPU．H和OS_CPU_C．C，匯編文件OS_CPU-A．ASM，系統(tǒng)配置文件OS_CFG．h。

3．4 硬件驅(qū)動(dòng)程序

數(shù)字PDA系統(tǒng)在調(diào)用微控制器的各種外設(shè)接口資源、以及各種硬件資源時(shí)需要調(diào)用這些硬件資源的驅(qū)動(dòng)程序。數(shù)字PDA系統(tǒng)的硬件驅(qū)動(dòng)程序由串口打印輸出驅(qū)動(dòng)程序、SD卡驅(qū)動(dòng)程序、VS1003B硬件驅(qū)動(dòng)程序、TFT LCD液晶顯示器驅(qū)動(dòng)程序、3個(gè)SPI串行通信口的驅(qū)動(dòng)程序、NOR FLASH和STM32 FSMC接口驅(qū)動(dòng)程序、觸摸屏TSC2046驅(qū)動(dòng)程序組成。以上的驅(qū)動(dòng)程序保證了各個(gè)模塊硬件資源的正常工作。作為最底層驅(qū)動(dòng)程序，這些程序保證了整個(gè)數(shù)字PDA系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各種應(yīng)用程序。

3．5 頁與GUI圖形界面接口

數(shù)字PDA系統(tǒng)要在TFT LCD液晶顯示器中的進(jìn)行圖形界面的顯示，需要GUI的支持，數(shù)字PDA系統(tǒng)采GUI設(shè)計(jì)沒有移植uCGui，而是根據(jù)液晶控制器重寫的GUI，由于STM32F103ZET6微控制器的時(shí)鐘為72 MHz，這樣寫的好處在于提高液晶頁面顯示的速度，減少刷屏現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高PDA液晶畫面顯示的質(zhì)量。

數(shù)字PDA系統(tǒng)將以上的所有軟件進(jìn)行了整合，將液晶屏顯示一個(gè)頁作為一個(gè)線程，頁面進(jìn)行切換就實(shí)現(xiàn)了任務(wù)的切換，任務(wù)的切換由操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。通過頁機(jī)制的框架，在應(yīng)用程序進(jìn)行修改或者添加新的應(yīng)用程序時(shí)，減少了代碼的修改量，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

數(shù)字PDA系統(tǒng)啟動(dòng)后就進(jìn)入主頁線程，操作系統(tǒng)系統(tǒng)根據(jù)硬件中斷和信號量郵箱機(jī)制，進(jìn)行也切換，頁切換的時(shí)候，會調(diào)用文件系統(tǒng)或者硬件驅(qū)動(dòng)程序，這就是PDA系統(tǒng)的工作原理。

4 結(jié)語

數(shù)字PDA設(shè)計(jì)是在硬件電路設(shè)計(jì)上移植文件系統(tǒng)、操作系統(tǒng)上完成的，整個(gè)系統(tǒng)不僅要求硬件電路的兼容正確，同時(shí)也要求FATFS文件系統(tǒng)和μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的移植正確，整個(gè)系統(tǒng)基于頁的機(jī)制進(jìn)行任務(wù)切換，經(jīng)過實(shí)際證明頁機(jī)制可以進(jìn)行快速嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽?yīng)用程序開發(fā)。