基于STM32和FreeRTOS的溫度測量系統設計

文/趙波

●本文獲得上海海洋大學校級重點課程建設項目（A1-0201-00-1023）資助。

1 引言

溫度是日常生活及工業生產中重要的物理量，因此對溫度的測量及監測有著重要的意義。隨著現代電子技術的發展，溫度測量的方法及對溫度信息的采集使用也發生了很大的改變。本文設計了一種基于STM32F103RBT6單片機及FreeRTOS實時嵌入式系統的溫度測量系統。STM32F103RBT6是一款以ARMCortex-M3為內核的高性能微控制器，目前廣泛應用于各種工業場合。FreeRTOS是一種輕量級可剝奪型多任務實時操作系統，目前得到廣泛應用。

2 系統組成

本系統主要包括：STM32 NUCLEOF103RB核心板、0.96寸OLED顯示模塊、串口模塊、DS18B20溫度測量模塊。

STM32 NUCLEO開發平臺由ST-LINK/V2-1仿真器模塊和主MCU核心板模塊兩個部分組成，是一款易用性好、可擴展性佳的低成本平臺。DS18B20是美國DALLAS公司生產的單總線數字溫度傳感器，溫度測量范圍為-55～+128，使用時只需一根信號線，大大簡化了硬件設計。為了實現測量系統與上位機的通許，本系統使用了串口模塊，實現異步串口與USB接口的轉換。0.96寸OLED模塊用來實現溫度數據的顯示，該模塊采用SPI接口與MCU相連，軟硬件設計都較為方便。

3 硬件設計

STM32 NUCLEO-F103RB核心板的板載MCU型號是STM32F103RBT6，該芯片具有豐富的片上資源，本設計中主要使用的資 源 包 括：GPIO、SPI、USART等。 該 核心板默認不帶外部晶振，本設計使用的是STM32F103RBT6芯片的內部振蕩電路，工作頻率配置為64MHz。STM32F103RBT6有2個片內SPI接口，設計中使用SPI2與OLED相連。串口模塊與STM32F103RBT6的USART2相連實現核心板與上位機的通訊。DS18B20測溫模塊經上拉電阻與STM32F103RBT6的GPIO相連實現測溫控制。設計中使用STM32CubeMX進行引腳分配并初始化。

4 軟件設計

本文利用STM32CubeMX可視化工具對STM32F103RBT6單片的GPIO、SPI、USART的工作模式和相關參數進行配置完成初始化工作，并導入以上片上資源的HAL庫文件，生成Keil工程。利用HAL庫函數編寫了DS18B20、OLED、異步串行口模塊的驅動程序。

4.1 系統任務設計

FreeRTOS是一個輕型的實時操作系統內核，功能包括：任務管理、時間管理、信號量、消息隊列、內存管理、記錄功能、軟件定時器、協程等，可基本滿足較小系統的需要。FreeRTOS內核支持優先級調度算法，每個任務可根據重要程度的不同被賦予一定的優先級，CPU總是讓處于就緒態的、優先級最高的任務先運行。FreeRTOS內核同時支持輪換調度算法，系統允許不同的任務使用相同的優先級，在沒有更高優先級任務就緒的情況下，同一優先級的任務共享CPU的使用時間。本文將整個系統程序劃分為3個任務進行實現，任務函數名稱、優先級分配、任務功能如表1所示。

系統任務中，DS18B20溫度測量任務優先級最低，OLED顯示和串口發送任務優先級較高。正常工作時應該首先獲得測量數據，然后再進行顯示和傳送。為了實現這一工作流程，在這里使用了FreeRTOS的消息隊列功能。TASK_1完成一次溫度測量后，發送消息隊列給TASK_2。TASK_2在接收到TASK_1的消息隊列之前處于阻塞狀態，即使有較高優先級也不會被系統調度執行，只有接收到TASK_1的消息隊列之后才會被調度執行。TASK_2在執行過程中會向更高優先級的TASK_3發送消息隊列，使處于阻塞狀態的TASK_3進入就緒狀態，從而被系統調度執行。這樣就能夠實現設計目的。

4.2 任務代碼實現

FreeRTOS 9.0的任務創建函數為xTaskCreate，該函數為實時操作系統中主要的函數，利用這個函數可以創建對所需要完成的任務的控制塊。

根據以上設計思想，系統需創建3個任務。任務創建代碼如下：

為了實現任務間的數據傳遞和系統的調度，本設計用到了FreeRTOS隊列功能，因此也創建了兩個隊列對象：

xQueue1=xQueueCreate(1,sizeof(int));//新建隊列

xQueue2=xQueueCreate(1,sizeof(int));

表1：任務信息

任務Task_1的代碼如下：; // 進入臨界區，防止破壞DS18B20讀寫時序

任務Task_1每隔100ms進行一次溫度測量，測量完成后，利用FreeRTOS的隊列將溫度數據傳遞到已經創建好的隊列xQueue1中。該隊列中的數據可以被任務Task_2讀取，從而實現溫度數據的顯示。

任務Task_2的代碼如下：

任務Task_2從隊列xQueue1讀取溫度數據，并利用OLED進行顯示，顯示完畢后，再將溫度數據發送給隊列xQueue2。當隊列xQueue1為空時，任務Task_2處于阻塞狀態，直到隊列中有數據到來。

任務Task_3從隊列xQueue2讀取溫度數據，利用異步串口發送至上位機。當隊列xQueue2為空時，任務Task_3處于阻塞狀態，直到隊列中有數據到來。

在FreeRTOS實時操作系統的調度下，系統完成測量、顯示、上位機數據傳送等任務。實驗證明該設計能夠達到既定的目的。

5 總結

本文在設計過程中，利用STM32cubeMX開發工具實現了FreeRTOS的快速移植。對系統任務及優先級進行了合理劃分，實現了預期的設計目的。高效的開發工具降低了開發難度，縮短了開發時間。FreeRTOS實時嵌入式操作系統的引入使系統設計更加靈活簡便，并且能夠方便的進行功能擴展。如果要實現多路溫度測量或增加其他功能，在本系統的基礎上增加相應的任務即可實現。