基于cortexm3的stm32f103xb的多点温度监控系统的设计(编辑修改稿)

基于cortexm3的stm32f103xb的多点温度监控系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

rs，即应用处理器。 A 系列现在主要有 A 5 A8以及 A9三个子系列。 其中的 CortexA9是目前支持 ARMv7架构的性能最强的 ARM 处理器，并支持多核。 R 系列即为 Realtime applications，目前主要有 Cortex R4系列。 Cortex R 系列保持了与不带 MMU 的传统 ARM 处理器的代码兼容，即传统 ARM 芯片的程序不需要重新编译就可在 Cortex R4上面运行。 M 系列的 M 即为 Money,Cortex M 系列对成本及功耗进行了优化。 目前主要有 M0、M M M4四个子系列。 其中 Cortex M4是 ARM 最新的嵌入式处理器，其增加了数字信号处理的功能。 另外， ARM 公司为 Cortex M 系列微控制器开发了 Cortex 微控制器软件接口标准（ CMSIS） ,该标准是一个与 MCU 供应商独立的硬件抽象层， CMSIS 简化了软件设计，基于 CMSIS 标准的软件架构主要分为以下 4层：用户应用层、操作系统及中间件接口层、 CMSIS 层、硬件寄存器层。 其中 CMSIS 层起着承上启下的作用 [1]。 Cortex M3是目前应用最多的产品，其内部框架如图 11所示。 其中主要包括处理器内核、中断控制器、调试单元、总线单元以及内存保护单元。 图 11 目前 Cortex M3的产品主要有意法半导体的 STM32系列，德州仪器的 LM3S 系列以及恩智浦的 LPC 1300/1700系列。 下面主要介绍意法半导体的 STM32系列。 . STM32 系列芯片概述 STM32 系列 32 位闪存微控制器使用来自于 ARM 公司具有突破性的 CortexM3 内核，该内核是专门设计于满足集高 性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。 CortexM3 在系统结构上的增强，让 STM32 受益无穷； Thumb2指令集带来了更高的指令效率和更强的性能。 STM32 系列 MCU 给用户带来了前所未有 6 的自由空间，提供了全新的 32 位产品选项，结合了高性能、实时、低功耗、低电压等特性，同时保持了高集成度和易于开发的优势。 意法半导体的 STM32 系列目前主要包括 3 个大系列 :  STM32F 系列， 32 位 ARM Cortex 基础型微控制器。  STM32L 系列， 32 位超低功耗微控制器。  STM32W 系列， 32 位 ARM Cortex 射频微控制器。 STM32F10X 系列目前有 5 个产品线： STM32F100（ Value Line）、 STM32F101（基本型）、STM32F102（ USB 基本型）、 STM32F103（增强型）、 STM32F105/STM32F107（互联型）。 如图 12 所示。 图 12 目前最高版本的 STM32F103XG 支持 1MB Flash 和 96KB RAM。 . CAN 总线概述 CAN总线是德国 BOSCH公司从 80年代初为解 决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。 通信速率可达 1MBPS。 CAN 总线通信接口中集成了 CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。 CAN 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。 采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识 7 码可由 11位或 29位二进制数组成，因此可以定义 211或 229个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。 数据段长度最多为 8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。 同时， 8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。 CAN 协议采用 CRC 检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。 CAN 卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一 [2]。 CAN 总线拓扑结构如 图 13所示 图 13 . SD 卡概述 SD 卡（ Secure Digital Memory Card）中文翻译为安全数码卡，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它被广泛地于便携式装置上使用，例如数码相机、个人数码助理 (PDA)和多媒体播放器等。 SD 卡由日本松下、东芝及美国 SanDisk 公司 8 于 1999 年 8 月共同开发研制。 大小犹如一张邮票的 SD 记忆卡，重量只有 2 克，但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。 SD卡结构如图 14 所示 图 14 图 15 SD 卡有 2 种可选的通信协议： SD 模式和 SPI 模式。 SD 模式是 SD 卡的标准读写方式，选用此模式需要选择带 SD 卡控制接口的 MCU 或者额外的 SD 卡控制单元； SPI模式通过 SPI总线完成 SD卡与主控制器的通信。 单片机控制 SD 卡一般采用 SPI 模式。 SPI 模式下 SD卡引脚如图 15 所示。 . FATFS 文件系统概述 FATFS 即 FAT File System， FATFS 是专为 小型嵌入式系统实现 FAT 文件系统而开发的通用的文件系统模型。 它是用标准 C 编写的与硬件架构无关的文件系统模型。 它可以不经任何改变而移植到一些低价的微控制器上面。 FATFS 在系统中的位置如图16 所示。 FATFS 具有如下特点： 图 16  与 Windows 完全兼容的 FAT 文件系统。  与硬件平台无关，便于移植。  占用很小的 ROM 及 RAM。  各 种配置选项：多个卷（物理驱动器和分区）、 RTOS、长文件名、只读等。 此外 FATFS还有一个子集 Petit FatFs，它是专为小型 8位微控制器实现文件系统而开发的。 它具有非常小的代码以及占用非常小的 RAM的特点。 FATFS提供了应用程序接口，可以很方便的对 FAT卷进行操作 [3]。 2. 系统总体设计 . 总体方案概述 基于 STM32F103xB 的多点温度监控系统的 整体结构图如图 21 所示 9 图 21 其中温度传感器采用高精度的铂电阻 PT100，通过从节点 STM32 内部自带的 12 位AD 将温度值转化为数字信号。 然后将数字形式的温度值通过 CAN 总线传到 CAN 主节点，主节点通过串口各从节点的数据发送到 Delphi 编写的上位机软件，上位机对各点的数据进行实时曲线显示并进行存贮。 在没有上位机的场合，主节点将数据以文本文档的形式存储在主节点的 SD 卡中。 . 系统上位机概述 上位机选用运行 Windows XP 的 PC， Windows XP 具有稳定性好、应用广泛的特点。 上位机软件编程语言采用 Delphi， Delphi 是 Windows 平台下著名的快速应 用程序开发工具， Delphi 是一个集成开发环境（ IDE），使用的核心是由传统 Pascal 语言发展而来的 Object Pascal，以图形用户界面为开发环境，透过 IDE、 VCL 工具与编译器，配合连结数据库的功能，构成一个以面向对象程序设计为中心的应用程序开发工具。 Delphi 有强大的可视化控件库（ VCL）， VCL 是 Delphi 的核心，它扩展了 Delphi 的功能。 本系统上位机设计主要用到了以下两个控件： SPCOMM（串口控件）和 TeeChart（图形控件）。 该上位机软件主要实现了五个功能：  实时曲线显示当前各 从节点的温度  打印实时曲线 10  将实时曲线保存为图片  将实时曲线的数据保存为 TXT 文档  实时温度超过报警值时报警 . 系统下位机概述 系统下位机即 CAN 主节点，下位机微控制器采用 STM32F103RBT6，下位机通过串口与上位机进行通信。 下位机起到协议转换器的作用，实现 CAN 总线协议和串口协议之间的桥接，即下位机接受 CAN 从节点发送过来的数据，将其按照一定的格式通过串口发送到上位机。 下位机 CAN 收发器采用 NXP 的高速收发器 TJA1040。 RS232 电平转换芯片采用 MAX3232。 此外，下位机还有 SD 卡模块， SD 卡通过 SPI 总线与 STM32 通信，并移植了 FATFS 文件系统，可以把各从节点的温度数值存储在 SD 卡中。 . CAN 从节点概述 CAN 从节点微控制器采用 STM32F103RBT6， CAN 从节点的站地址由拨码开关选择。 温度传感器 PT100 接在传感器测量电桥的一个桥臂上，从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入 STM32。 经 STM32 内部 AD 转换成温度数值。 此数字值通过 CAN 总线传送到 CAN 主节点。 3. 系统硬件选型与电路原理图设计 . 硬件选型 本系统采用主节点 +从节点的结构，主节点主要实现 CAN 总线 和串口协议之间的桥接。 CAN 总线的实现一般有两种方法： MCU+独立 CAN 控制器， 直接选用带 CAN控制器的 MCU。 由于独立 CAN 控制器价格一般比较贵，这里直接选用带 CAN 控制器的MCU。 基于 Cortex M3 内核的 STM32 系列微控制器自上市以来，以市场定位优势与技术领先，赢得各种大规模应用的龙头企业的青睐。 STM32F10X 功能框图如图 31 所示。 11 图 31 其中增强型 STM32F103 系列带有 CAN 控制器，可以满足本系统的需求。 在兼顾成本和功能以及为以后的扩展留出一定余量的基础上，本 系统选择具有 128KB Flash 和。