摘要： 基于Cortex- 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， 同時提供了卓越的計算性能和先進(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個快速I /O 端口， 所有I/O口均可以映像到16個外部中斷,， 幾乎所有端口都允許5V 信號輸入,。每個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12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,， 多達(dá)16個外部輸入通道,， 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)尾時所產(chǎn)生的中斷,。它支持的外設(shè)包括： 定時器、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個定時器,， 具體名稱和功能如表1所示。
?。?6）含有豐富的通信接口： 三個USART異步串行通信接口,、兩個I2C 接口、兩個SPI接口,、一個CAN 接口和一個USB接口,， 為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信提供了保證。
表1 各個定時器名稱及其作用
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， 編譯無錯誤后選擇Options選項,， 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,， 還可以觀察各個寄存器值的變化， 進(jìn)行波形仿真,?？傊梢院芊奖愕脑诰€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,， 首先配置系統(tǒng)時鐘， 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
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),， 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,。