新一代嵌入式微處理器STM32F103的開發(fā)與應(yīng)用

　　摘要： 基于Co rtex- M3內(nèi)核的STM 32F103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)一樣簡便， 因而在很多應(yīng)用場合可替代51系列單片機(jī)。本文從STM 32F103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- L ink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L inux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Ke il C 語言進(jìn)行編程， 極大的減少了開發(fā)者的工作量。2007年6月， ST 公司及時(shí)推出了一款基于Cortex- M 3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。

　　2 STM32F103系列微處理器簡介

　　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、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、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Α?/P>

　　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)1MH z, 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， 可方便的測量處理器溫度值。

　?。?3）靈活的7路通用DMA 可以管理存儲器到存儲器、設(shè)備到存儲器和存儲器到設(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， 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

　　3 開發(fā)工具和流程

　　3.1 開發(fā)工具

　　對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- L ink下載仿真器等； 軟件主要包括Ke il V ision4 IDE 開發(fā)平臺。下面對各自的功能和特點(diǎn)做簡要說明。

　　（ 1） STM32F103開發(fā)板（或用戶目標(biāo)板）是開發(fā)目標(biāo)對象。

　　（ 2） J- L ink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)。

　?。?3） Ke il V ision4 IDE 是一個(gè)基于窗口的軟件開發(fā)平臺， 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

　?。?1）用J- L ink仿真器將PC 機(jī)和STM32F103開發(fā)板連接起來。

　?。?2）使用K eil V ision4 IDE開發(fā)平臺創(chuàng)建新工程， 編寫源程序。

　　打開Ke il V ision4 軟件， 創(chuàng)建新的工程文件， 為該工程選擇器件： STM icroe lectron ics 公司的STM32F103R8芯片， 單擊確定后會彈出對話框， 提示是否選擇將啟動代碼添加到目標(biāo)工程。啟動代碼用來完成系統(tǒng)的初始化工作， 對于嵌入式系統(tǒng)來說是必不可少的。選擇？？是 將啟動代碼加入到目標(biāo)工程， 這樣可以大大節(jié)省啟動代碼的編寫工作。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

　?。?3）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D ebug程序編譯鏈接成功之后， 選擇Pro ject /Opt ions for Targe,t 打開對話框后， 選擇Debug選項(xiàng)卡， 在U se下拉按鈕中選擇Cortex- M3 J- L ink, 選擇好后點(diǎn)擊settings, 在彈出的對話框中點(diǎn)擊Add按鈕， 選擇STM32F10xM ed- density Flash。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。

　　如果需要對程序進(jìn)行在線調(diào)試， 選擇S tart /Stop Debug Session, 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， 它們在芯片內(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， 可以測量- 40℃~ + 125℃之間變化的溫度值， 轉(zhuǎn)換精度為±1.5 ℃ , 能夠較好的滿足溫度測量的任務(wù)。

　　4.1 AD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main c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50MH z; 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。檢測到ADC 校準(zhǔn)寄存器復(fù)位完成后， 啟動ADC 校準(zhǔn)， 校準(zhǔn)完成后軟件觸發(fā)啟動ADC 轉(zhuǎn)換。

　　設(shè)置w h ile無限循環(huán)， 等待串口中斷， 在中斷程序stm32 f10x_ it c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1 Dubug 選項(xiàng)的配置

圖2 溫度測量流程圖

圖3 C + + 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 - VSEN SE ） /A vg_S lope} + 25可進(jìn)一步算出當(dāng)前溫度值。其中， V25 為VSENSE 在25℃ 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 /℃ 。根據(jù)上例得出的當(dāng)前電壓1428V, 可推算得溫度值為25.36 ℃ 。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：

　　基于C ortex- 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)， 但是其開發(fā)使用方法卻和51系列單片機(jī)一樣簡便， 而且不需要操作系統(tǒng)的支持， 因此開發(fā)工作量比起傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)大大減少了。這些突出的優(yōu)勢使得STM32系列處理器在生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域都有很大的發(fā)展?jié)摿Γ?得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文從該款處理器的資源、性能和特點(diǎn)入手， 較詳細(xì)的介紹了其開發(fā)工具和開發(fā)流程， 特別對K eilV ision4開發(fā)平臺的使用做了詳細(xì)的說明。最后以溫度測量實(shí)驗(yàn)為例， 具體講解了片上AD資源的開發(fā)使用方法， 給讀者提供了一個(gè)直觀的印象， 為開發(fā)者更好的使用該款微處理器提供借鑒。