嵌入式系统作业.docx

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嵌入式系统作业

基于STM32F103系列单片机触控手机的设计

摘要

Cortex-M3是ARM公司为要求高性能（1.25DhrystoneMIPS/MHz）、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的内核。

STM32系列产品得益于Cortex-M3在架构上进行的多项改进，包括提升性能的同时又提高了代码密度的Thumb-2指令集和大幅度提高中断响应的紧耦合嵌套向量中断控制器，所有新功能都同时具有业界最优的功耗水平。

本项目是基于CM3内核的STM32F103系列单片机设计实现触控手机的功能，单片机控制（SIM900）实现打电话和发短信功能，其中发短信支持手动输入汉字；单片机控制VS1053实现音乐播放器和录音，其中音乐播放器支持各自同步，同时把这两个功能综合起来就是手机上的娱乐应用TOM猫；单片机控制摄像头OV7670来实现照相机的功能。

考虑到更真实的贴近真实手机，添加了一些常用工具性的应用如记事本、读卡器、计算器、系统设置等辅助功能。

该设计选用的液晶屏是TFT液晶，带有触屏操作，这些应用可通过双击应用图标打开。

各个应用和任务的调度通过UCOS-II实时操作系统调度，系统操作流畅、稳定性高。

基于以上的丰富应用能带来一定的体验效果！

关键词：

手机触控操作音乐播放器

1嵌入式手机设备的应用背景

嵌入式系统与通用计算机系统相对应。

嵌入式系统也被称为嵌入式计算机系统，与通用计算机系统不同的是，一般嵌入式系统只是运行平台，不能独立作为开发平台。

通常只有程序开发人员才可以对其编程，一般不允许普通用户对其编程，但是可以为用户提供一定的输入输出接口。

比如“电子表”、“手机”、“微波炉”、“汽车控制系统”、飞行控制系统等，都可以被归为嵌入式系统。

嵌入式系统一般由嵌入式硬件和软件组成，且软件与硬件紧密集成。

硬件以嵌入式微处理器为核心，集成存储器和系统专用的输入输出设备;软件包括初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和应用程序等，这些软件有机地结合在一起，形成系统特定的一体化软件。

随着信息技术的飞速发展，形式多样的数字化产品已经开始成为继PC机后的信息处理工具，在这种数字化潮流下，嵌入式系统已成为当前研究和应用的热点之一，嵌入式手持设备的视、音频多媒体应用也越来越广泛。

由于嵌入式系统的应用要求及成本因素决定了嵌入式系统在系统资源,包括硬件资源和软件资源方面都是非常精简和高效的。

尤其现在手机已经成每个人生活中的必需品，已经是人们相互联系通讯设备的主力，正逐渐成为人们娱乐工具的主力，发展前景非常好。

手机最近几年发展迅速，尤其是触屏手机的发展势头更是让人们目接不暇，对于日新月异的电子设备来说，触摸屏作为一种最新的输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。

它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。

SD卡（SecureDigitalMemoryCard）是一种基于半导体闪存工艺的存储卡，具有大容量、高性能、安全等多种特点的多功能存储卡，基于以上优点SD卡已成为目前消费数码设备中应用最广泛的一种存储卡。

我们的生活随着这些新的应用变得多姿多彩，这些应用已经融入我们生活的点点滴滴，比如：

我们用的手机、PAD等一些列手持设备都离不开SD卡，目前大部分的手机都是大屏幕触屏操作的等等。

音乐播放器已经是现在电子设备上的必需品，采用MP3压缩的数据量可以缩小到1/12，音质却没有多少损失。

由于MP3音乐的较小数据量和高质量的播放效果，已经成为大众听音乐的主流选择格式。

2嵌入式手机系统的国内外现状

从20世纪60年代嵌入式系统的出现和兴起，经过了几十年的发展，嵌入式系统的应用领域不断扩大，人们对嵌入式应用的需求越来越高，这使得嵌入式软件变得越来越复杂。

为了满足应用需求，增强系统的处理能力，4位、8位、16位嵌入式微处理器也逐步让位于32位嵌入式处理器。

目前，嵌入式处理器主要有Arm186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列。

采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，已广泛应用于工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统各个领域，基于ARM技术的微处理器约占32位RISC微处理器75%以上的市场份额。

嵌入式操作系统是嵌入式系统软件平台的核心，负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度、控制、协调。

嵌入式技术的主要特点是硬件、软件可裁减性，使产品达到最大的性价比。

目前依赖于嵌入式技术，智能手机建立在嵌入式操作系统基础上，可看作是传统手机、多媒体电脑与互联网终端的集成体。

早期的嵌入式系统，多半是执行特定功能的设备，强调的是性能稳定，只需搭配简单的应用程序，是一个专属的封闭式的系统架构。

20世纪80年代中期以后，嵌入式系统的实时性要求升高，实时操作系统成为主流，系统开始具备文件管理、设备管理、多任务、图形用户界面等功能，是一种开放式架构。

20也纪90年代末期到21世纪，通用操作系统也进入嵌入式领域，与实时操作系统共同竞争新兴的信息家电市场。

目前，嵌入式操作系统需要支持各种网络通信协议，而且程序对编程接口的要求也不断提高。

根据实时性差别，应用在嵌入式系统可以分为:

实时操作系统:

国际上较为知名的有WindRiver的“VxWorks"、QNX的"NeutrinoRTOS"、以及TimeSyS的“TimeSysLinux/RealTime"其产品主要应用在航天、国防、医疗、工业控制等领域。

通用型操作系统:

目前较为著名的有Microsoft的“WindowsCE",EmbeddedLinux版本有Metrowerks的“Embedix",其产品主要应用在手持设各、网络设备等领域。

基于上述平台，智能手机可在GSM网络下实现各种无线业务，主要包括电话、短信、GPRS无线上网等。

同时智能手机具备了实现诸如图形用户接口、电话功能、数据通讯、蓝牙、信息交换、桌面系统、Internet应用、Java、安全认证、设备接口、输入法、多媒体、数据库和GPS导航等多种功能的条件。

3嵌入式手机系统实现的设计方案、软硬件结构

3.1系统设计方案

本设计的控制方案是利用UCOSII嵌入式操作系统为平台，采用了STM32F103ZET6微控制器，以及各类控制和显示器件，通过GUI进行触屏控制。

系统设计包括系统硬件设计与测试和软件的编写。

3.1.1硬件部分方案

该设计的硬件主要有五部分，分别是自己用AltiumDesigner绘制制作的中心板子、SIM900模块、LCD液晶、MP3模块、摄像头OV7670。

首先，选用的MCU芯片是意法公司的STM32F103系列单片机（ARMCM3内核），该芯片具有64KBSRAM、512KBFLASH、5个串口、112个通用IO口等等，资源丰富、功能强大能满足本设计的所有需求。

中心板子板载1M大小的外部SRAM芯片：

IS62WV51216容量是1M字节为需要大内存的任务提供足够内存；板载的外部FLASH芯片：

W25Q64容量是8M字节用于存放字库和其他用户数据，这样可以提高实时文件读取的速度；板载的EEPROM芯片：

24C02容量为2Kb，也就是256字节。

用于存储一些掉电不能丢失的重要数据，比如系统设置的一些参数/触摸屏校准数据等来实现方便的实现掉电数据保存；板载的SD卡用于存放系统运行需要的系统文件和测试文件。

除了以上的主要板载的资源还有USB接口、ds18b20等等常用器件都是为这个系统的整体功能服务。

本设计选用的液晶模块是大小2.8寸、分辨率240*320的液晶，支持触摸屏功能（电阻），可以显示16位色真彩图片。

选用的GSM模块是SIM900，用串口控制，主要用于实现打电话和发短信的功能。

然后就是MP3模块，该模块选用的芯片荷兰VLSI公司的VS1053，该模块使用SPI接口，单片机作为主机只需要把音乐数据独取出来传给该模块，该模块就能播放音乐，使用起来简单、方便。

最后就是OV（OmniVision）公司生产的一颗1/6寸的CMOSVGA图像传感器。

该传感器体积小、工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。

以上这些是本设计的硬件部分简单介绍，硬件的实现最主要的是中心板子的制作，它是整个系统的核心控制部分。

需要整体考虑系统的资源，设计出来所有外设的接口，只有这样才能保证整体设计的美观。

3.1.2软件部分方案

本设计的软件部分主要分为移植UCOSII+GUI和FatFs文件管理、硬件的驱动程序、整体控制程序三部分组成。

首先是UCOSII的移植，UCOSII是一种可移植的，可植入ROM的，可裁剪的，抢占式的，实时多任务操作系统内核。

移植成功之后就可以通过UCOSII进行任务的调度，增强系统的实时性。

然后就是移植FatFs文件管理系统，通过该文件管理系统进行读写SD卡和外部FLASH，这样可以方便的读取文件、写入文件等操作。

FatFs是一个通用的文件系统模块，用于在小型嵌入式系统中实现FAT文件系统。

FatFs的编写遵循ANSIC，因此不依赖于硬件平台所以可以移植到大部分的处理器上。

移植GUI进行显示和控制操作，可用的GUI种类繁多，最常用的是UCGUI，但是由于对ALIENTEKGUI比较熟悉，所以选用的是ALIENTEKGUI，它是嵌入式应用中的图形支持系统。

它设计用于为任何使用LCD图形显示的应用提供高效的独立于处理器及LCD控制器的图形用户接口，它适用单任务或是多任务系统环境,并适用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真实显示或虚拟显示。

GUI可以在任何的CPU上运行，因为它是100%的标准C代码编写的。

通过它能轻松制作出想要的页面。

接下来是各个模块的底层驱动函数，比如LCD的驱动、VS1053的驱动、OV7670的驱动等等，这些底层的驱动函数保证各个模块正常工作。

以上的移植工作和驱动程序编写工作是整体程序的准备工作，在以上工作完成后是需要用UCOS-II进行任务调度，也就是调度各个模块的驱动应用程序。

通过UCOS-II进行任务的调度和触屏操作的控制就可以完成毕业设计的要求，最终就可以用LCD屏进行控制操作实现各个模块的功能。

在此需要说明的是软件设计工程量庞大，靠一个人在短时间内是不可能完成的，所以我借鉴了一些前辈的代码，比如UCOS-II和FatFs移植到STM32已经很成熟了，我需要做的工作是把前辈移植好的代码用到我的工程里面。

还有就是像VS1053、OV7670的驱动程序，买这些东西的时候卖家已经提供了相应的驱动函数，我做的工作就是移植到我用的处理器上。

我做的主要工作就是用UCOS-II进行调度各个模块的应用程序，保证这个系统能有序的进行任务的运行和切换。

然后就是做一些LCD上的控制操作界面，对系统的各个任务进行控制操作，这样保证设计作品系统运行流畅、可靠性高和美观！

3.2中心控制板

3.2.1所有板载资源介绍

主控板的设计和制作花费很大的功夫，经过硬件的不断完善和认真焊接最终将主控板调试成功。

打印完成的PCB板如下图：

图3-1中心控制板PCB板子

主控板的资源如下：

◆MCU：

STM32F103ZET6，LQFP144，FLASH：

512K，SRAM：

64K；

◆外扩SRAM：

IS62WV51216，1M字节

◆外扩SPIFLASH：

W25Q64，8M字节

◆3个状态指示灯（DS0：

红色，DS1：

绿色）

◆1个红外接收头，并配备一款小巧的红外遥控器

◆1个MP3模块接口

◆1个摄像头OV7670接口

◆1个EEPROM芯片，24C02，容量256字节

◆1路RS232（串口）接口，采用SP3232芯片

◆数字温湿度传感器接口，支持DS18B20

◆1个USBSLAVE接口，用于USB通信

◆1个SD卡接口（在板子背面，支持SPI/SDIO）

◆1个标准的JTAG/SWD调试下载口

◆1组5V电源供应/接入口

◆1组3.3V电源供应/接入口

◆1个RTC后备电池座，并带电池

◆1个复位按钮，可用于复位MCU和LCD

◆4个功能按钮

3.2.2SD卡介绍

SD卡在本设计中的应用选用的是SPI接口，其中SD卡与单片机连接的原理图如下：

图3-2SD卡原理图

很多单片机系统都需要大容量存储设备，以存储数据。

3.2.3GSM模块

GSM系统是目前基于时分多址技术的移动通信体制中，比较成熟完善，且应用最广泛的一种系统。

目前已建成的覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，是我国公众移动通信网的主要方式。

本设计选用的GSM模块是SIM900，主要用于实现打电话和发短信的功能。

GSM系统是目前我国发展最成熟的移动通讯系统。

GSM网络拥有用户数量庞大，覆盖范围广大，通信质量稳定可靠。

3.2.4LCD液晶模块

本设计选用的液晶是TFT-LCD即薄膜晶体管液晶显示器。

屏幕与单片机连接的原理图如下：

图3-3LCD电路原理图

电阻屏的特点有：

1）是一种对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘、水汽和油污。

2）可以用任何物体来触摸，可以用来写字画画，这是它们比较大的优势。

3）电阻触摸屏的精度只取决于A/D转换的精度，因此都能轻松达到4096*4096。

3.2.5MP3模块

本模块选用的芯片是VS1053b，它是单片OggVorbis/MP3/AAC/WMA/MIDI音频解码器，及IMAADPCM编码器和用户加载的OggVorbis编码器。

它包含了一个高性能、有专利的低功耗DSP处理器内核VS_DSP4、工作数据存储器、供用户应用程序和任何固化解码器一起运行的16KiB指令RAM及0.5KiB多的数据RAM、串行的控制和输入数据接口、最多8个可用的通用I/O引脚、一个UART、并有一个优质的可变采样率立体声ADC（“咪”、“线路”、“线路+咪”或“线路*2”）和立体声DAC、和跟随的一个耳机功放及一个公共电压缓冲器。

VS1053b是功能强大、资源丰富的音乐芯片，使用的时候只需要通过SPI接口传入音乐数据即可解码播放音乐。

1OggVorbis解码；MPEG1&2音频阶层III（CBR+VBR+ABR）；阶层I和II可选；MPEG4/2AAC‐LC（+PNS），HE‐AACV2（级别3）（SBR+PS）；WMA4.0/4.1/7/8/9所有特性注1（profiles）（5‐384kbps）；

3.2.6摄像头OV7670

OV7670是OV（OmniVision）公司生产的一颗1/6寸的CMOSVGA图像传感器。

该传感器体积小、工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。

通过SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影像数据。

该模块与单片机连接的电路图如下：

图3-4OV7670电路图

3.3系统软件的概述

系统的工作流程是：

上电开机后，首先检查硬件是否能够正常工作，然后检测外部FLASH中的系统文件是否更新，如：

字库文件、ICOS图片等等，检测完并一切正常后加载系统主页面，如果硬件检测错误就需要检查硬件是否安装连接正确，如果系统文件或者字库检测错误，就需要重新从SD卡中更新系统文件和字库。

系统的主页面分为左右两个，可以通过滑动操作包含的的任务有：

电子书、时钟、相框、音乐播放器、录音机、TOM猫、打电话、发短信、系统设置、照相机等等十几个应用，通过双击相应的图标进入相应的应用。

初始化UCOS系统的时候，最低优先级是10，也就是UCOS实时调用10个任务，其中进入各个任务的操作界面是用移植的GUI设计完成的。

3.3.1移植部分

UCOS-II系统的移植

UCOSII的前身是UCOS，最早出自于1992年美国嵌入式系统专家JeanJ.Labrosse在《嵌入式系统编程》杂志的5月和6月刊上刊登的文章连载，并把UCOS的源码发布在该杂志的BBS上。

目前最新的版本：

UCOSIII已经出来，但是现在使用最为广泛的还是UCOSII，但是本设计选用移植的是UCOSII，因为相对来说UCOSII应用广泛同时参考资料多，学习理解相对容易。

UCOSII构思巧妙。

结构简洁精练，可读性强，同时又具备了实时操作系统的全部功能，虽然它只是一个内核，但非常适合初次接触嵌入式实时操作系统的朋友，可以说是麻雀虽小，五脏俱全。

通过对它的学习可以作为学习操作系统的基础去学习像LINUX系统。

本设计选用的是最新的UCOSII（V2.91版本），它的体系结构如下图所示：

图3-5UCOSII体系结构图

从上图可以看出，UCOSII的移植，我们只需要修改：

os_cpu.h、os_cpu_a.asm和os_cpu.c等三个文件即可，其中：

os_cpu.h，进行数据类型的定义，以及处理器相关代码和几个函数原型；os_cpu_a.asm，是移植过程中需要汇编完成的一些函数，主要就是任务切换函数；os_cpu.c，定义一些用户HOOK函数。

图中定时器的作用是为UCOSII提供系统时钟节拍，实现任务切换和任务延时等功能。

这个时钟节拍由OS_TICKS_PER_SEC（在os_cfg.h中定义）设置，一般我们设置UCOSII的系统时钟节拍为1ms~100ms，我选择STM32的SYSTICK定时器来提供UCOSII时钟节拍。

所谓的任务，其实就是一个死循环函数，该函数实现一定的功能，一个工程可以有很多这样的任务（最多255个），UCOSII对这些任务进行调度管理，让这些任务可以并发工作，并发只是各任务轮流占用CPU，而不是同时占用，任何时候还是只有1个任务能够占用CPU，这就是UCOSII最基本的功能。

整个系统的各个工作任务就是通过UCOS-II进行有条不紊的调度。

UCOSII任务的5个状态转换关系如图58.1.2所示：

图3-6UCOSII任务转化图

UCOSII的每个任务都是一个死循环。

每个任务都处在以下5种状态之一的状态下，这5种状态是：

睡眠状态、就绪状态、运行状态、等待状态（等待某一事件发生）和中断服务状态。

睡眠状态，任务在没有被配备任务控制块或被剥夺了任务控制块时的状态。

就绪状态，系统为任务配备了任务控制块且在任务就绪表中进行了就绪登记，任务已经准备好了，但由于该任务的优先级比正在运行的任务的优先级低，还暂时不能运行，这时任务的状态叫做就绪状态。

运行状态，该任务获得CPU使用权，并正在运行中，此时的任务状态叫做运行状态。

等待状态，正在运行的任务，需要等待一段时间或需要等待一个事件发生再运行时，该任务就会把CPU的使用权让给别的任务而使任务进入等待状态。

中断服务状态，一个正在运行的任务一旦响应中断申请就会中止运行而去执行中断服务程序，这时任务的状态叫做中断服务状态。

FatFs文件系统的移植

FATFS是一个完全免费开源的FAT文件系统模块，专门为小型的嵌入式系统而设计。

FATFS模块的层结构如图：

图3-7FATFS模块的层结构图

FATFS模块在移植的时候，我们一般只需要修改2个文件，即ffconf.h和diskio.c。

模块的所有配置项都是存放在ffconf.h里面，我们可以通过配置里面的一些选项，来满足自己的需求。

接下来我们介绍几个重要的配置选项。

①数据类型：

在integer.h里面去定义好数据的类型。

这里需要了解你用的编译器的数据类型，并根据编译器定义好数据类型。

②配置：

通过ffconf.h配置FATFS的相关功能，以满足你的需要。

函数编写：

打开diskio.c，进行底层驱动编写，一般需要编写6个接口函数如下：

图3-8FatFs接口函数

如通过以上步骤就可以完成对对FatFs文件系统的移植。

3.3.2主程序流程

本设计的程序部分首先是移植UCOS-II实时控制系统进行任务的调度，移植GUI界面进行绘制操作界面，移植FatFs文件管理系统进行对SD卡和FLASH进行读写。

我做的主要工作时在我的中心控制板上调试成功。

通过UCOS-II进行调度这些任务来最终呈现出一个稳定的、可控的系统。

系统软件流程图如下：

图3-9整体程序框图

3.4系统使用方法说明

本系统的控制方法主要是触屏控制，通过双击应用图标便可进入相应的任务，操作方便、快捷。

有四个辅助按键位于中心控制板的下方，分别是KEY1、KEY2、KEY3、KEY4和KEY_home中心控制板上。

其中KEY_home键的作用一直都是回到主界面，相当于安卓手机的HOME键。

不同的应用中KEY1、KEY2、KEY3、KEY4四个键的作用都有所改变，但是例如在MP3的应用中，KEY1、KEY3的作用是左右切歌；KEY2、KEY4可以调节音量的大小。

在照相机应用中，可以通过按键KEY4进行拍照；在发短信的过程中，在短信内容编写完毕后，通过按键KEY4切换到输入带你话号码的界面。

总而言之，按键辅助触摸屏控制达到对系统的整体控制。

实物效果图

设计演示一共需要如下图的物件，分别是中心控制板、GSM模块（SIM900）和一个小音箱。

在本毕业设计中主要用于打电话和发短信简单的功能，测试过程中信号稳定，满足毕业设计的要求。

小音箱的作用主要是在音乐播放器和打电话两个应用中用到，MP3这个应用选用的音乐芯片是VS1053，该芯片处理能力强大，配上一个小音箱放出的歌曲音质良好满足日常放松的需要。

整体效果图如下：

图3-10设计整体效果图

打电话功能分为拨打电话和接听电话，其中拨打电话功能通过触摸按键输入号码。

拨打电话和接听电话，LCD液晶屏中都会显示提示字符，打电话功能效果图如下：

图3-11打电话界面

短信功能支持发送短信和读取短信两个功能。

其中编写短信支持T9输入法输入汉字，可以通过平输入汉字（大约支持7000多汉字）能满足日常应用。

读取短信时需要手动输入需要短信的位置数字才可读取，短信应用效果图如下：

图3-12发短信界面

音乐播放功能也是本设计的一个核心功能，花费了不少功夫。

它音质良好能满足日常娱乐需要同时支持同步歌词显示。

对音乐播放的的控制同样是通过触摸屏控制，达到简单、高效、人性化的效果！

音乐播放的界面如下：

图3-13音乐播放器界面

4该设计存在的问题

【1】虽然支持后台任务，但是不能开启太多任务，还没能赶上安卓系统手机。

【2】一些简单必备的应用虽已实现，但是用起来不够方便。

比如打电话发短信的界面，就不够绚丽，不够贴近现在市场上流行的手机。

【3】应用还是太少，比如游戏功能，只有一个TOM猫，娱乐性质不够专业。

【4】可以实现电影播放功能，但是刷新频率太低，画面质感不强，不够流畅，还有界面不能铺满整个屏幕。

【5】整体能实现基本功能，但是不方面携带，还有很多需要改进的地方。