新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用

     摘要： 基于Co rtex- M3内核的STM 32F103系列芯片是新型的32位嵌入式微处理器， 它是不需操作系统的ARM, 其性能远高于51系列单片机， 但开发过程与51系列单片机一样简便， 因而在很多应用场合可替代51系列单片机。本文从STM 32F103系列芯片性能特点和片上资源入手， 重点介绍其开发工具以及开发流程。并以温度测量为例， 具体说明了基于Keil? Vision4软件的工程建立、源程序编辑、编译， 基于J- L ink仿真器的程序， 程序在线调试， 片上运行等过程， 终测量的温度转换为数字量， 通过串口发送至PC 机显示。

　　1 引言

　　嵌入式微处理器正越来越广泛的应用在生产生活的各个领域， 但是传统的嵌入式微处理器要么是8位的处理器， 性能有限， 要么是32位基于ARM 的微处理器在使用上需要嵌入式操作系统的支持， 比如L inux操作系统， 使得系统不够精炼。这一情况直到ARM 公司推出Cortex- M 内核才得以改善， 它无需操作系统，可以像单片机一样使用Ke il C 语言进行编程， 极大的减少了开发者的工作量。2007年6月， ST 公司及时推出了一款基于Cortex- M 3内核的新型ARM 处理器： STM32系列微处理器。本文以STM32F103处理器为例， 列举了开发需要用到的各种软硬件资源及其作用， 较详细介绍了处理器开发使用方法， 随后具体到以温度传感器检测温度这一实际应用， 给开发者提供一个更加直观的印象， 目的就是让开发者能尽快了解熟悉该处理器的特点， 掌握该系列处理器的开发使用方法。

　　2 STM32F103系列微处理器简介

　　STM32F103系列微处理器是首款基于ARMv7- M体系结构的32位标准RISC （精简指令集）处理器， 提供很高的代码效率， 在通常8位和16位系统的存储空间上发挥了ARM 内核的高性能。该系列微处理器工作频率为72MHz，内置高达128K 字节的Flash存储器和20K 字节的SRAM，具有丰富的通用I /O 端口。

　　作为一代的嵌入式ARM 处理器， 它为实现MCU 的需要提供了低成本的平台、缩减的引脚数目、降低的系统功耗， 同时提供了卓越的计算性能和先进的中断响应系统。丰富的片上资源使得STM32F103系列微处理器在多种领域如电机驱动、实时控制、手持设备、PC 游戏外设和空调系统等都显示出了强大的发展潜力。

　　STM32F103系列微处理器主要资源和特点如下：

　　（ 1）多达51个快速I /O 端口， 所有I/O口均可以映像到16个外部中断， 几乎所有端口都允许5V 信号输入。每个端口都可以由软件配置成输出（推挽或开漏）、输入（带或不带上拉或下拉） 或其它的外设功能口。

　　（ 2） 2个12位模数转换器， 多达16个外部输入通道， 转换速率可达1MH z, 转换范围为0~ 36V; 具有双采样和保持功能； 内部嵌入有温度传感器， 可方便的测量处理器温度值。

　　（ 3）灵活的7路通用DMA 可以管理存储器到存储器、设备到存储器和存储器到设备的数据传输， 无须CPU 任何干预。通过DMA可以使数据快速地移动， 这就节？？ CPU 的资源来进行其他操作。DMA 控制器支持环形缓冲区的管理， 避免了控制器传输到达缓冲区结尾时所产生的中断。它支持的外设包括： 定时器、ADC、SPI、I2C和USART 等。

　　（ 4）调试模式： 支持标准的20脚JTAG 仿真调试以及针对Cortex- M3内核的串行单线调试（ SWD ）功能。通常默认的调试接口是JTAG 接口。

　　（ 5）内部包含多达7个定时器， 具体名称和功能如表1所示。

　　（ 6）含有丰富的通信接口： 三个USART异步串行通信接口、两个I2C 接口、两个SPI接口、一个CAN 接口和一个USB接口， 为实现数据通信提供了保证。

表1 各个定时器名称及其作用

　　3 开发工具和流程

　　3.1 开发工具

　　对STM32F103系列MPU 开发前， 需要准备相应的软硬件。其中硬件主要包括STM32F103开发板（或用户目标板）、J- L ink仿真器等； 软件主要包括Ke il V ision4 IDE 开发平台。下面对各自的功能和特点做简要说明。

　　（ 1） STM32F103开发板（或用户目标板）是开发目标对象。

　　（ 2） J- L ink仿真器是程序的枢纽， 它带有的标准20芯扁平电缆可将程序通过JTAG 接口到处理器内部存储空间； 无需外部供电， 用USB 连接线与PC 机连接好后即可工作； 还具有速度快、功耗低的特点。

　　（ 3） Ke il V ision4 IDE 是一个基于窗口的软件开发平台， 它集成了强大而且现代化的编辑器、工程管理器和make工具， 几乎集成了嵌入式系统开发所需的全部工具： C /C + + 编译器、宏汇编器、链接/定位器、HEX 文件生成器等。该软件提供了两种工作模式： 编译和调试模式。在编译模式中， 开发者可以创建工程、选择目标器件、新建文件、输入源代码、生成可执行文件； 调试模式中， 开发者可以利用其强大的集成调试器对应用程序进行调试， 如设置断点、单步执行等， 方便了程序错误的查找和修改。

　　3.2 开发流程

　　（ 1）用J- L ink仿真器将PC 机和STM32F103开发板连接起来。

　　（ 2）使用K eil V ision4 IDE开发平台创建新工程， 编写源程序。

　　打开Ke il V ision4 软件， 创建新的工程文件， 为该工程选择器件： STM icroe lectron ics 公司的STM32F103R8芯片， 单击确定后会弹出对话框， 提示是否选择将启动代码添加到目标工程。启动代码用来完成系统的初始化工作， 对于嵌入式系统来说是必不可少的。选择？？是 将启动代码加入到目标工程， 这样可以大大节省启动代码的编写工作。工程创建完毕后， 即可在该工程下新建C 文件， 编写源程序， 完成后将其添加到工程中。将库文件STM32F10xRLIB 和STM32F10xDLIB 也添加到工程中。至此， 程序创建工作结束。所需源文件及功能如表2示。

表2 完整工程所需文件

　　（ 3）程序的编译、、仿真和调试等。

　　程序编写完成后即可编译文件， 编译无错误后选择Options选项， 在D ebug程序编译链接成功之后， 选择Pro ject /Opt ions for Targe,t 打开对话框后， 选择Debug选项卡， 在U se下拉按钮中选择Cortex- M3 J- L ink, 选择好后点击settings, 在弹出的对话框中点击Add按钮， 选择STM32F10xM ed- density Flash。点击OK 完成配置。通过Load即可将程序到目标器件中。如图1所示。

　　如果需要对程序进行在线调试， 选择S tart /Stop Debug Session, 这时可以插入断点、设置指针、单步执行、复位等， 还可以观察各个寄存器值的变化， 进行波形仿真。总之可以很方便的在线调试程序。

　　4 应用程序开发实例

　　下面以温度测量为例， 具体介绍STM32F103处理器的开发使用方法。该处理器带有12位逐次逼近式ADC, 其输入量程为VREF- ~ VREF+ , 在LQFP64引脚或更少的引脚封装形式中， 它们在芯片内部与ADC 的地VSSA和电源VDDA相连。由于STM32处理器在本设计中采用33V 电压供电， 因此其输入量程为0~ 33V。

　　处理器内部自带一个温度传感器， 它感知到MPU 周围的温度变化， 将其转化为电压的变化。该传感器的温度适应范围很宽， 可以测量- 40℃~ + 125℃之间变化的温度值， 转换为±1.5 ℃ , 能够较好的满足温度测量的任务。

　　4.1 AD转换和数据传输

　　通常情况下， 内部温度传感器是关闭的， 为了使其正常工作， 首先需要选择ADC _IN16通道， 因为该通道是内部通道， 与温度传感器直接相连， 其次要设置相关功能寄存器ADC _CR2的TSVREFE位， 开启温度传感器和VREFINT通道。

　　编写main c文件时， 首先配置系统时钟， 然后进行引脚配置， 主要是为串口数据发送和接收配置引脚，本设计采用通用I /O 口PB10作为串口发送引脚， 配置为推挽式输出， 速度为50MH z; 将通用I /O 口PB11作为串口接收引脚， 浮空输入模式。然后配置串口工作方式及中断， 设置波特率为9600Baud、8位数据位、无校验位、1位停止位、无硬件流控制。然后使能串口的中断、发送、接收。将AD 转换通道设为通道16, 使能温度传感器。检测到ADC 校准寄存器复位完成后， 启动ADC 校准， 校准完成后软件触发启动ADC 转换。

　　设置w h ile无限循环， 等待串口中断， 在中断程序stm32 f10x_ it c文件中， 将转换结果数据通过串口发送到PC机。流程图如图2所示。

图1 Dubug 选项的配置

图2 温度测量流程图

图3 C + + Buider显示界面

　　4.2 显示界面的设计

　　在PC 机上， 使用C+ + Builder软件制作显示界面。编写串口接收程序， 将串口设置与发端一致， 接收数据时以双字节十六进制形式接收。接收到的数据大小介于0~ 0x0FFF之间， 换算为十进制数介于0~4095之间。由于VREF- = 0V, VREF+ = 3.3V, 因此， 根据数值和电压值的关系算得当前电压值。VSENSE = Data /4096* 3.3V。比如， 若当前得到十进制数值为1773, 则根据上述公式算得当前电压为1.428V。得到电压值之后， 由公式：

　　TA = { （ V25 - VSEN SE ） /A vg_S lope} + 25可进一步算出当前温度值。其中， V25 为VSENSE 在25℃ 时的大小， 其值为1.43V; Avg_Slope为温度与VSENSE曲线的平均斜率， 大小为4.3mV /℃ 。根据上例得出的当前电压1428V, 可推算得温度值为25.36 ℃ 。得出结果的同时将该温度值在该界面中显示出来。结果显示如图3所示。

　　5 结束语：

　　基于C ortex- M3内核的STM32F103系列处理器是新型的嵌入式微处理器， 它在各方面指标上都远远优于51系列单片机， 但是其开发使用方法却和51系列单片机一样简便， 而且不需要操作系统的支持， 因此开发工作量比起传统的嵌入式系统大大减少了。这些突出的优势使得STM32系列处理器在生产生活的各个领域都有很大的发展潜力， 得到了越来越广泛的应用。本文从该款处理器的资源、性能和特点入手， 较详细的介绍了其开发工具和开发流程， 特别对K eilV ision4开发平台的使用做了详细的说明。以温度测量实验为例， 具体讲解了片上AD资源的开发使用方法， 给读者提供了一个直观的印象， 为开发者更好的使用该款微处理器提供借鉴。