基于STM32處理器的數字PDA系統設計

摘要：數字PDA系統整體由硬件電路和軟件系統2部分組成，硬件電路由低功耗ARM微控制器STM32ZET6控制的PDA外圍電路組成，軟件系統則由硬件驅動程序、μC/OSⅡ實時操作系統、FATFS文件系統、GUI等部分組成。數字PDA系統將整個軟件系統進行了整合，提供一種基于頁的機制方法，即每頁都是一個線程，利用μC/OSⅡ的信號量、郵箱機制實現多線程之間的任務切換。PDA系統采用頁機制的設計，旨在減少增加應用程序時代碼的修改量和提高整個PDA軟件系統的穩定性，以及提高應用程序的開發速度。

關鍵詞：STM32； μC/OSⅡ； 數字PDA系統； 頁機制； ARM

中圖分類號：TN91934文獻標識碼：A文章編號：1004373X(2012)04007503

Design of digital PDA system based on STM32 processor

HU Jinlin1， ZENG Shangyou1， WANG Liang1， DAI Wei2

(1. Electronic Engineering College， Guangxi Normal University， Guilin 541004，China;

2.Yunnan Economics Trade and Foreign Affairs College， Kunming 650114， China)

Abstract： The digital PDA system contains hardware circuit and software system. The hardware circuit is composed of the peripheral circuits of PDA controlled by the low power ARM microcontroller STM32ZET6. The software system is composed of hardware drive program， realtime operating system ， file system FATFS and GUI. The digital PDA system integrates the software system， and provides a method based on the page， which is a thread， and utilize the semaphore and mailbox mechanism to switch tasks between multiple threads. The design of the page mechanism is adopted in the PDA system to reduce the amount of the code modification when the PDA system adds application program， and improve the stability of PDA software system and the development speed of application program.

Keywords：STM32; μC/OSⅡ； digital PDA system; page mechanism; ARM

收稿日期：20110821

基金項目：國家自然科學基金資助項目（11065003）;廣西自然科學基金資助項目（2011GXNSFA018129）;廣西教育廳資助基金項目 (201012MS026)0引言

以CortexM3為內核的處理器由于其低功耗以及低成本并且是32位處理器，越來越多的研究人員已經從51處理器、AVR等處理器開始轉移到這個領域。數字PDA系統設計采用的是以CortexM3的內核STM32ZET6控制器，但是由于STM32ZET6內部沒有MMU，不能移植WinCE，Linux等操作系統，故只能應用ucLinux，μC/OSⅡ等實時操作系統［1］。傳統的操作系統ucLinux，μC/OSⅡ在微控制器中移植后，應用程序就開始了與操作系統、以及硬件驅動之間的交互，一旦要添加新的應用程序或者對應用程序的更改，代碼的修改量以及整個操作系統的穩定性都會收到影響。這時就需要一種新的機制，能夠在保證系統穩定性的基礎上快速設計應用程序，也正是基于這種思想，數字PDA系統將實時操作系統、硬件驅動、FATFS進行統一的封裝，并給出一種基于頁的機制，每一頁就是一個線程，利用μC/OSⅡ操作系統進行任務間的切換［2］，而應用程序只需要按照頁的設計規則，進行應用程序頁設計即可，設計最終證明是合理可靠的。

1數字PDA系統原理框圖說明

數字PDA系統的硬件電路部分由微控制器STM32F103ZET6、16 Mb NOR FLASH存儲器、液晶顯示LCD控制電路、USB接口電路、VS1003B MP3解碼芯片電路、2 Gb misroSD卡接口電路、以及2.5~5 V電源電路組成。它的結構圖如圖1所示。

2數字PDA系統硬件電路設計

2.1微處理器MCU

微處理器MCU采用STM32F103ZET6 ARM芯片，其特點是低功耗、價格低、具有豐富的外設資源如FSMC控制器、USB、多路SPI和USART，并且有MDK編程手冊，易于上手［3］。

圖1數字PDA系統硬件電路組成部分2.2NOR FLASH存儲器

NOR FLASH采用M29W128芯片，NOR FLASH的作用是存儲頁面資源、GUI資源、以及各種字庫資源。數字PDA系統硬件電路使用微控制器的FSMC控制器對M29W128 NOR FLASH進行讀寫操作，主要是為了提高對M29W128 讀寫速度。M29W128 NOR FLASH中的存儲的數據，也可以通過從microSD卡中讀取并進行存儲。

2.3TFT液晶顯示電路

數字PDA系統硬件電路使用以HX8312為主控芯片的液晶控制電路和主控制器連接。主控制器和液晶控制電路之間的數據通信也使用主控制器的FSMC接口，目的是進行快速傳輸數據，避免液晶顯示刷屏現象的產生。

2.4VS1003音頻解碼電路

VS1003是音頻解碼芯片［4］，它支持Mpeg1和Mpeg2，WMA，MIDI，MP3解碼，同時支持IMA ADPCM(單聲道)、麥克風和線入等編碼.VS1003具有一個高性能低功耗的DSP處理器核VS_DSP，0.5 KB數據RAM。數字PDA系統使用VS1003音頻解碼芯片，實現PDA的音樂MP3的播放功能。

2.5USB接口電路和microSD卡接口電路

STM32微控制器具有1個USB接口，該USB接口主要實現數字系統PDA在和PC機連接時的USB通信，當然也能為數字系統PDA系統供電。microSD實現了數字PDA系統的大容量數據的存儲［56］。

2.6PDA內部USB轉串口電路

PL2303遵循USB協議，并且支持到RS 232的轉換。PDA數字系統通過PL2303電路實現主控制器的串口和PC之間的串口通信，這個電路主要用于系統調試［7］。

2.7電源電路

電源電路包括鋰電、5 V外接電源濾波電路、5 V轉3.3 V、3.3 V轉2.8 V、3.3 V轉2.5 V五個電路，它們主要負責分別給主控制器、解碼芯片、SD、NOR FLASH提供電源。

3數字PDA系統軟件系統設計

3.1軟件系統總體介紹

相比較硬件電路來說，硬件電路一旦確定并且電路正確，基本上沒有大的變化，而軟件部分則會出現非常大變化，因為應用的程序是多種多樣的。但是STM32微控制器沒有像PC處理器那樣含有MMU，不能運行Linux和WinCE操作系統，但是在很多情況下，PDA數字系統是要實現多任務操作的，或者說多線程操作，所以在這種條件下，PDA數字系統采選用μC/OSⅡ進行多任務之間根據優先級別的調度，而應用程序又是基于操作系統和硬件的，為了提高操作系統的穩定性和減少在數字PDA添加應用程序時代碼的修改了，所以數字PDA系統將操作系統、GUI、硬件驅動程序、文件系統FATFS進行整合，采用一種頁機制，每一頁就是指一個TFT LCD顯示的頁，每一頁就是一個線程，當頁切換時，底層操作系統就實現任務的切換。

3.2FATFS文件系統的移植

由于PDA數字系統使用SD卡作為大容量數據的存儲，雖然主控制器STM32含有SDIO接口，硬件驅動程序只要進行相應的配置就能實現SD的讀寫操作，但是這種操作時基于扇區的，而上層應用程序操作的是文件，所以必須移植文件系統。移植步驟就是將SD的讀寫扇區函數和文件系統的底層接口函數想關聯。數字PDA系統使用FATFS文件系統，當然也可以使用FAT32文件系統，FATFS文件系統中diskio.c中提供五個接口函數，如圖2所示。

圖2FATFS接口函數將microSD卡驅動函數的SD扇區讀函數、扇區寫函數、以及SD初始化的函數和圖中的disk_read，disk_write，disk_initialize［8］進行對接，當讓還要在FATFS文件系統中數據類型integer.h中包含stm32f10x.h 以及將integer.h中的數據類型進行更改，只需要更改文件系統中BOOL類型數據和stm32f10x.h中的bool類型一致即可，文件系統就移植完了。移植了FATFS文件系統后，數字PDA系統在讀取SD卡時，就可以按照大家常用的文件格式進行讀取數據。

3.3μC/OSⅡ實時操作系統的移植

μC/OSⅡ為PDA數字系統的操作系統提供多線程操作，任務的調度。由于系統需要多線程的調度，需要為數字PDA系統移植μC/OSⅡ。數字PDA系統使用信號量和郵箱機制進行多任務的調度。μC/OSⅡ是用標準C語言和匯編語言來寫的，只有與微處理器相關的是由匯編指令寫的，所以在STM32F103ZET6上中移植μC/OSⅡ實時操作系統，只需要更改或者重寫處理器相關文件OS_CPU.H和OS_CPU_C.C，匯編文件OS_CPU_A.ASM，系統配置文件OS_CFG.h［8］。

3.4硬件驅動程序

數字PDA系統在調用微控制器的各種外設接口資源、以及各種硬件資源時需要調用這些硬件資源的驅動程序。數字PDA系統的硬件驅動程序由串口打印輸出驅動程序、SD卡驅動程序、VS1003B硬件驅動程序、TFT LCD液晶顯示器驅動程序、3個SPI串行通信口的驅動程序、NOR FLASH 和STM32 FSMC接口驅動程序、觸摸屏TSC2046驅動程序組成。以上的驅動程序保證了各個模塊硬件資源的正常工作。作為最底層驅動程序，這些程序保證了整個數字PDA系統能夠實現各種應用程序。

3.5頁與GUI圖形界面接口

數字PDA系統要在TFT LCD液晶顯示器中的進行圖形界面的顯示，需要GUI的支持，數字PDA系統采GUI設計沒有移植uCGui，而是根據液晶控制器重寫的GUI，由于STM32F103ZET6微控制器的時鐘為72 MHz，這樣寫的好處在于提高液晶頁面顯示的速度，減少刷屏現象的產生，提高PDA液晶畫面顯示的質量［56］。

數字PDA系統將以上的所有軟件進行了整合，將液晶屏顯示一個頁作為一個線程，頁面進行切換就實現了任務的切換，任務的切換由操作系統實現。通過頁機制的框架，在應用程序進行修改或者添加新的應用程序時，減少了代碼的修改量，保證系統的穩定性。

數字PDA系統啟動后就進入主頁線程，操作系統系統根據硬件中斷和信號量郵箱機制，進行也切換，頁切換的時候，會調用文件系統或者硬件驅動程序，這就是PDA系統的工作原理。

4結語

數字PDA設計是在硬件電路設計上移植文件系統、操作系統上完成的，整個系統不僅要求硬件電路的兼容正確，同時也要求FATFS文件系統和μC/OSⅡ操作系統的移植正確，整個系統基于頁的機制進行任務切換，經過實際證明頁機制可以進行快速嚴謹的應用程序開發。

參考文獻

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