測控系統(tǒng)是水動力實(shí)驗(yàn)中的重要測試設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)中有壓力、拉力、加速度等物理量通過傳感器轉(zhuǎn)換成電壓值，需要準(zhǔn)確記錄。雖然實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀泻芏喾N，但是共用傳感器及測控系統(tǒng)，因此對測控系統(tǒng)的通用性和用戶界面友好性提出了要求。本文采用嵌入式架構(gòu)設(shè)計(jì)了測控系統(tǒng)。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件基于STM32芯片，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，易于移植，其外設(shè)單元資源豐富，能夠達(dá)到系統(tǒng)要求的精度和范圍。

1、硬件架構(gòu)

采用嵌入式架構(gòu)（見圖1）的優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)，便于在多平臺移植；主控芯片外圍電路模塊豐富，包括ADC、DA、CAN和SDIO等接口，獨(dú)立完成對多種類型設(shè)備的測量、控制。芯片的主頻高，運(yùn)算能力也很強(qiáng)，適合嵌入復(fù)雜的算法。完全適合作為測控系統(tǒng)，具備系統(tǒng)升級和擴(kuò)展的空間。

圖1 ?嵌入式測控系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體推出的STM32F103，是基于Coretex-M3內(nèi)核的32位ARM芯片系列，而ZET6屬于該系列的高容量芯片，片內(nèi)Flash為512KB，片內(nèi)SRAM為64kB，主頻72MHz，具備26位地址線和16位數(shù)據(jù)寬度。

系統(tǒng)的顯示屏為翰彩4.3寸TFT液晶屏，分辨率為640×480，顯示屏驅(qū)動模塊是SSD1963，采用了16位（5位紅色，6位綠色，5位藍(lán)色）64K接口模式，由FSMC數(shù)據(jù)接口連接控制。覆蓋電阻式觸摸屏，控制芯片ADS7843輸入觸摸屏四路電壓，用SPI通訊輸出觸摸點(diǎn)位置信息。圖2所示為LCD接口電路。

圖2 ?LCD驅(qū)動模塊的接口電路

內(nèi)部ADC模塊是12位逐次逼近型，有16通道，采樣率最高1MHz。STM32F103的CAN總線單元被稱為bxCAN（BasicExtendedCAN），它支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B；選用的CAN收發(fā)器是TJA1050，在CAN協(xié)議控制器和物理總線之間起到接口的作用，設(shè)計(jì)有120?的終端匹配電阻以適應(yīng)不同的總線網(wǎng)絡(luò)。圖3所示為CAN模塊的接口電路。另外，本文還設(shè)計(jì)了RS232接口以適應(yīng)不同接口要求。

圖3 ?CAN模塊的接口電路

2、軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的STM32F103ZET6屬于大存儲器芯片，可以直接在工程里使用ST公司標(biāo)準(zhǔn)庫自帶的大存儲器芯片啟動代碼，這個文件已經(jīng)配置好了初始狀態(tài)、中斷向量表。用戶自己需要設(shè)置的是使用的模塊和通道，即CAN模塊、ADC模塊、USART模塊和FSMC模塊。

2.2、顯示驅(qū)動

實(shí)現(xiàn)本文中的STM32F103利用FSMC（FlexibleStaticMemoryController）接口驅(qū)動顯示電路。FSMC接口是一種總線接口，有4個專用的片選信號，可以訪問最多4個NOR、NAND閃存或SRAM存儲設(shè)備。本文系統(tǒng)采用存儲塊1（Bank1）作為數(shù)據(jù)、控制區(qū)域，其基地址從0x60000000開始，顯示芯片數(shù)據(jù)或命令選擇信號接在FSMC_A16上，因此LCD的指令地址、數(shù)據(jù)地址定義如下：

#defineBank1_LCD_Data（（uint32）0x60010000）//數(shù)據(jù)

#defineBank1_LCD_Cmd（（uint32）0x60000000）//指令

根據(jù)顯示芯片SSD1963的指令集，編寫了基礎(chǔ)的畫點(diǎn)、畫線、畫矩形的函數(shù)，便于以后作為uC/GUI的基礎(chǔ)軟件。觸摸屏驅(qū)動的芯片ADSL7843用SPI口分別讀出觸摸點(diǎn)的x軸、y軸數(shù)據(jù)即可。

2.3、uC/OS移植與實(shí)現(xiàn)

uC/OS-II通過了FAA（FederalAviationAdministration）認(rèn)證，在實(shí)時(shí)性要求很高的嵌入式工業(yè)控制領(lǐng)域能夠放心使用。移植工作包括：

（1）在os_cpu.h中設(shè)置參數(shù)。A）使用的數(shù)據(jù)類型，即統(tǒng)一表達(dá)數(shù)據(jù)單元長度。B）設(shè)置堆棧參數(shù)如增長方向、操作單位等。ARM支持的是自頂向下的堆棧增長方式，即堆?？臻g從高地址向低地址增長。單次堆棧操作單位是INT32U。C）任務(wù)中斷宏定義選項(xiàng)：屏蔽所有中斷，恢復(fù)所有中斷，進(jìn)行任務(wù)切換。前兩個是為了保證重要函數(shù)或任務(wù)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)不會被改變（即代碼臨界段），第3個是用于uC/OS-II的任務(wù)切換。

（2）在os_cpu_c.c中使用C語言編寫任務(wù)堆棧初始化函數(shù)：OSTaskStkInit（）。這個函數(shù)在創(chuàng)建任務(wù)的時(shí)候被OSTaskCreate（）或者OSTaskCreateExt（）調(diào)用，初始化任務(wù)堆棧，它是與處理器的特性緊密聯(lián)系的。

（3）在os_cpu_a.asm中用匯編語言編寫任務(wù)切換等底層函數(shù)：OSStartHighRdy（），OSCtxSw（），OSIntCtxSw（）。

OSStartHighRdy（）在多任務(wù)系統(tǒng)啟動函數(shù)OSStart（）中調(diào)用，它設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行標(biāo)志位OSRunning=TRUE；將就緒表中最高優(yōu)先級任務(wù)的棧指針加載到SP中，并強(qiáng)制中斷返回。這樣就緒的最高優(yōu)先級任務(wù)就如同從中斷返回到運(yùn)行態(tài)一樣，使得整個系統(tǒng)得以運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 ? ? ?uc/OS-II任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖?

2.4、uC/GUI的移植與實(shí)現(xiàn)

uC/GUI是一種嵌入式應(yīng)用中的圖形支持系統(tǒng)［6］。它設(shè)計(jì)用于為任何使用LCD圖形顯示的應(yīng)用提供高效的獨(dú)立于處理器及LCD控制器的圖形用戶接口，它適用單任務(wù)或是多任務(wù)系統(tǒng)環(huán)境，并適用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真實(shí)顯示或虛擬顯示。它的設(shè)計(jì)架構(gòu)是模塊化的，由不同的模塊中的不同層組成。uC/GUI的軟件構(gòu)架如圖5所示。最底層直接對LCD硬件操作，不同的系統(tǒng)需要根據(jù)LCD的控制器做相應(yīng)的移植。第二層是LCD驅(qū)動程序最主要的層面，它利用硬件操作層實(shí)現(xiàn)最基本的繪圖函數(shù)。第三層的uC/GUI函數(shù)庫實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜繪圖函數(shù)的封裝，給用戶層提供API接口，解決了繪圖中出現(xiàn)的大部分問題。用戶加入自己的應(yīng)用程序，利用API接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的圖形界面。

圖5 ?uc/GUI軟件結(jié)構(gòu)圖

uC/GUI進(jìn)行移植工作，主要包括：

（1）在guiconf.h中定義多系統(tǒng)支持、窗口管理等。

（2）在lcdconf.h中的總線接口和寄存器接口進(jìn)行硬件接口的配置和定義。

（3）LCD驅(qū)動編程的實(shí)質(zhì)是液晶屏上的點(diǎn)對應(yīng)的顯存編程，最底層調(diào)用函數(shù)為畫點(diǎn)函數(shù)，根據(jù)自身平臺情況根據(jù)總線接口和寄存器接口或者LCD控制器寄存器進(jìn)行操作。首先寫好底層驅(qū)動器對圖形顯示的操作函數(shù)：SetPoint（），GetPoint（）等；其次，實(shí)現(xiàn)基本繪圖函數(shù)，如畫圓、畫線、畫方框等：GUI_Line（），GUI_Rectangle（）等。最后，設(shè)置底層驅(qū)動器與uC/GUI之間的接口函數(shù)，因?yàn)橛猩鲜龌A(chǔ)，只需對應(yīng)填寫接口函數(shù)。

完成全部步驟后，要使uC/GUI能運(yùn)行于uC/OS-II系統(tǒng)上，還需要編寫uC/GUI與uC/OS-II、觸摸屏的接口文件，即修改GUI_X_Touch.c和GUI_X_uCOS.c文件。

3、軟件流程

系統(tǒng)的整個軟件流程采用任務(wù)分配執(zhí)行方式，是按照定時(shí)節(jié)拍由任務(wù)切換完成的。從任務(wù)的角度可分為底層硬件接口的驅(qū)動任務(wù)和顯示、觸摸驅(qū)動任務(wù)。

表1列出了系統(tǒng)中建立的任務(wù)及其優(yōu)先級、堆棧大小、任務(wù)目的等。

表1系統(tǒng)中建立的任務(wù)及其參數(shù)

圖6左側(cè)所示是軟件流程初始化函數(shù)。

圖6 軟件初始化函數(shù)及主任務(wù)流程圖

主任務(wù)的目的是初始化uC/OS-II時(shí)鐘節(jié)拍，使用統(tǒng)計(jì)任務(wù)，建立用戶任務(wù)。建立了4個用戶任務(wù)，因?yàn)樾枰ＷC數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，所以ADC采樣任務(wù)優(yōu)先級較高，僅次于主任務(wù)，而用戶界面和觸摸驅(qū)動任務(wù)排在最后。uC/OS-II的任務(wù)結(jié)構(gòu)規(guī)定必須為無返回的結(jié)構(gòu)，也就是無限循環(huán)模式。所以主任務(wù)是延時(shí)0.5s無限循環(huán)。

中斷函數(shù)的配置包括DMA中斷和系統(tǒng)時(shí)鐘中斷。

ADC采樣任務(wù)在系統(tǒng)建立后以530kHz采樣周期始終進(jìn)行，但是把AD采樣的結(jié)果顯示到屏幕上需要等待1kHz采樣時(shí)鐘中斷程序用來發(fā)送啟動信號量。

設(shè)計(jì)AppTaskUserIF任務(wù)作為用戶界面任務(wù)，主要負(fù)責(zé)窗口建立、顯示和刷新的工作。在界面任務(wù)中，建立一個主窗口作為父窗口，子控件為各個通道的瞬時(shí)值、平均值文本控件，啟動按鈕控件和倒計(jì)時(shí)文本控件。

4、系統(tǒng)應(yīng)用

在水動力實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的測控系統(tǒng)，體積為12cm×10cm×4cm，用具有水密性的盒子安裝，如圖7所示。實(shí)驗(yàn)要求5通道采集，采樣頻率100Hz，在達(dá)到實(shí)驗(yàn)狀態(tài)后，采集10s數(shù)據(jù)，求平均值，顯示并記錄數(shù)據(jù)。經(jīng)過測試，系統(tǒng)精度達(dá)到了1.46mV。

圖7 ?采集數(shù)據(jù)運(yùn)行中的嵌入式系統(tǒng)

5、結(jié)論

在嵌入式系統(tǒng)中，uC/OS-II和uC/GUI的體積小，功能全面，在STM32的ARM核上移植有成熟的經(jīng)驗(yàn)，得到了廣泛的應(yīng)用。多任務(wù)的操作系統(tǒng)能夠及時(shí)擴(kuò)展和裁剪，非常適合嵌入式靈活多變的要求。本文設(shè)計(jì)的基于STM32的嵌入式測控系統(tǒng)功能完善，配備的觸摸屏增強(qiáng)了操作互動性，很強(qiáng)的擴(kuò)展性能夠適用于不同的場合，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。