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基于STM32处理器的数字PDA系统设计
上海银洋电子有限公司   2012-07-04 01:49:25 作者:cy 来源: 文字大小:[][][]

 以Cortex-M3为内核的处理器由于其低功耗以及低成本并且是32位处理器,越来越多的研究人员已经从51处理器、AVR等处理器开始转移到这个领域。数字PDA系统设计采用的是以Cortex-M3的内核STM32ZET6控制器,但是由于STM32ZET6内部没有MMU,不能移植WincE,Linux等操作系统,故只能应用ucLinux,μC/OS-Ⅱ等实时操作系统。传统的操作系统ucLinux,μC/OS-Ⅱ在微控制器中移植后,应用程序就开始了与操作系统、以及硬件驱动之间的交互,一旦要添加新的应用程序或者对应用程序的更改,代码的修改量以及整个操作系统的稳定性都会收到影响。这时就需要一种新的机制,能够在保证系统稳定性的基础上快速设计应用程序,也正是基于这种思想,数字PDA系统将实时操作系统、硬件驱动、FATFS进行统一的封装,并给出一种基于页的机制,每一页就是一个线程,利用μC/OS-Ⅱ操作系统进行任务间的切换,而应用程序只需要按照页的设计规则,进行应用程序页设计即可,设计最终证明是合理可靠的。

1 数字PDA系统原理框图说明
    数字PDA系统的硬件电路部分由微控制器STM32F103ZET6、16 Mb NOR FLASH存储器、液晶显示LCD控制电路、USB接口电路、VS1003B MP3解码芯片电路、2 Gb misroSD卡接口电路、以及2.5~5 V电源电路组成。它的结构图如图1所示。

 

2 数字PDA系统硬件电路设计
2.1 微处理器MCU
    微处理器MCU采用STM32F103ZET6 ARM芯片,其特点是低功耗、价格低、具有丰富的外设资源如FSMC控制器、USB、多路SPI和USART,并且有MDK编程手册,易于上手。
2.2 NOR FLASH存储器
    NOR FLASH采用M29W128芯片,NOR FLASH的作用是存储页面资源、GUI资源、以及各种字库资源。数字PDA系统硬件电路使用微控制器的FSMC控制器对M29W128 NOR FLASH进行读写操作,主要是为了提高对M29W128读写速度。M29W128NOR FLASH中的存储的数据,也可以通过从microSD卡中读取并进行存储。
2.3 TFT液晶显示电路
    数字PDA系统硬件电路使用以HX8312为主控芯片的液晶控制电路和主控制器连接。主控制器和液晶控制电路之间的数据通信也使用主控制器的FSMC接口,目的是进行快速传输数据,避免液晶显示刷屏现象的产生。
2.4 VS1003音频解码电路
    VS1003是音频解码芯片,它支持Mpeg1和Mpeg2,WMA,MIDI,MP3解码,同时支持IMA ADPCM(单声道)、麦克风和线入等编码,VS1003具有一个高性能低功耗的DSP处理器核VS_DSP,0.5 KB数据RAM。数字PDA系统使用VS1003音频解码芯片,实现PDA的音乐MP3的播放功能。
2.5 USB接口电路和microSD卡接口电路
    STM32微控制器具有1个USB接口,该USB接口主要实现数字系统PDA在和PC机连接时的USB通信,当然也能为数字系统PDA系统供电。micro SD实现了数字PDA系统的大容量数据的存储。
2.6 PDA内部USB转串口电路
    PL2303遵循USB协议,并且支持到RS 232的转换。PDA数字系统通过PL2303电路实现主控制器的串口和PC之间的串口通信,这个电路主要用于系统调试。
2.7 电源电路
    电源电路包括锂电、5 V外接电源滤波电路、5 V转3.3 V、3.3 V转2.8 V、3.3 V转2.5 V五个电路,它们主要负责分别给主控制器、解码芯片、SD、NORFLASH提供电源。
3 数字PDA系统软件系统设计
3.1 软件系统总体介绍
    相比较硬件电路来说,硬件电路一旦确定并且电路正确,基本上没有大的变化,而软件部分则会出现非常大变化,因为应用的程序是多种多样的。但是STM32微控制器没有像PC处理器那样含有MMU,不能运行Linux和WinCE操作系统,但是在很多情况下,PDA数字系统是要实现多任务操作的,或者说多线程操作,所以在这种条件下,PDA数字系统采选用μC/OS-Ⅱ进行多任务之间根据优先级别的调度,而应用程序又是基于操作系统和硬件的,为了提高操作系统的稳定性和减少在数字PDA添加应用程序时代码的修改了,所以数字PDA系统将操作系统、GUI、硬件驱动程序、文件系统FATFS进行整合,采用一种页机制,每一页就是指一个TFT LCD显示的页,每一页就是一个线程,当页切换时,底层操作系统就实现任务的切换。
3.2 FATFS文件系统的移植
    由于PDA数字系统使用SD卡作为大容量数据的存储,虽然主控制器STM32含有SDIO接口,硬件驱动程序只要进行相应的配置就能实现SD的读写操作,但是这种操作时基于扇区的,而上层应用程序操作的是文件,所以必须移植文件系统。移植步骤就是将SD的读写扇区函数和文件系统的底层接口函数想关联。数字PDA系统使用FATFS文件系统,当然也可以使用FAT32文件系统,FATFS文件系统中diskio.c中提供五个接口函数,如图2所示。


    将microSD卡驱动函数的SD扇区读函数、扇区写函数、以及SD初始化的函数和图中的disk_read,disk_write,disk_initialize进行对接,当让还要在FATFS文件系统中数据类型integer.h中包含stm32f10x.h以及将integer.h中的数据类型进行更改,只需要更改文件系统中BOOL类型数据和stm32f10x.h中的bool类型一致即可,文件系统就移植完了。移植了FATFS文件系统后,数字PDA系统在读取SD卡时,就可以按照大家常用的文件格式进行读取数据。
3.3 μC/OS-Ⅱ实时操作系统的移植
    μC/OS-Ⅱ为PDA数字系统的操作系统提供多线程操作,任务的调度。由于系统需要多线程的调度,需要为数字PDA系统移植μC/OS-Ⅱ。数字PDA系统使用信号量和邮箱机制进行多任务的调度。μC/OS-Ⅱ是用标准C语言和汇编语言来写的,只有与微处理器相关的是由汇编指令写的,所以在STM32F103ZET6上中移植μC/OS-Ⅱ实时操作系统,只需要更改或者重写处理器相关文件OS_CPU.H和OS_CPU_C.C,汇编文件OS_CPU-A.ASM,系统配置文件OS_CFG.h。
3.4 硬件驱动程序
    数字PDA系统在调用微控制器的各种外设接口资源、以及各种硬件资源时需要调用这些硬件资源的驱动程序。数字PDA系统的硬件驱动程序由串口打印输出驱动程序、SD卡驱动程序、VS1003B硬件驱动程序、TFT LCD液晶显示器驱动程序、3个SPI串行通信口的驱动程序、NOR FLASH和STM32 FSMC接口驱动程序、触摸屏TSC2046驱动程序组成。以上的驱动程序保证了各个模块硬件资源的正常工作。作为最底层驱动程序,这些程序保证了整个数字PDA系统能够实现各种应用程序。
3.5 页与GUI图形界面接口
    数字PDA系统要在TFT LCD液晶显示器中的进行图形界面的显示,需要GUI的支持,数字PDA系统采GUI设计没有移植uCGui,而是根据液晶控制器重写的GUI,由于STM32F103ZET6微控制器的时钟为72 MHz,这样写的好处在于提高液晶页面显示的速度,减少刷屏现象的产生,提高PDA液晶画面显示的质量。
    数字PDA系统将以上的所有软件进行了整合,将液晶屏显示一个页作为一个线程,页面进行切换就实现了任务的切换,任务的切换由操作系统实现。通过页机制的框架,在应用程序进行修改或者添加新的应用程序时,减少了代码的修改量,保证系统的稳定性。
数字PDA系统启动后就进入主页线程,操作系统系统根据硬件中断和信号量邮箱机制,进行也切换,页切换的时候,会调用文件系统或者硬件驱动程序,这就是PDA系统的工作原理。

4 结语
    数字PDA设计是在硬件电路设计上移植文件系统、操作系统上完成的,整个系统不仅要求硬件电路的兼容正确,同时也要求FATFS文件系统和μC/OS-Ⅱ操作系统的移植正确,整个系统基于页的机制进行任务切换,经过实际证明页机制可以进行快速严谨的应用程序开发。
(本文转自电子工程世界:http://www.eeworld.com.cn/mcu/2012/0607/article_9040_2.html)

 
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