基于STM32F103的“無線傳書”設計

周璐璐

伴隨著集成電路的發(fā)展，無線通信技術(shù)變得更加成熟，而且容易實現(xiàn)。數(shù)據(jù)的傳輸速度，隨著技術(shù)的不斷提高也越來越快，人們慢慢擺脫了電纜的束縛，使信息的獲取慢慢的從有線向無線進行過渡。本設計的傳輸系統(tǒng)主要是實現(xiàn)“無線傳書”任務，除此之外還有LED任務、信號量檢測任務、按鍵掃描任務和主任務。設計中引入了嵌入式操作系統(tǒng) μCOS-II，并自己構(gòu)建GUI環(huán)境，使得功能相對集中的控制，將軟件封裝在任務中，簡化了總體軟件結(jié)構(gòu)的復雜度，提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率。

系統(tǒng)的功能模塊框圖可以簡化設計過程，貫穿于整個系統(tǒng)設計和調(diào)試的始終，使得設計思想清晰明白。整個系統(tǒng)分為主機子系統(tǒng)和從機子系統(tǒng)，共用一套程序代碼，通過外圍電路的按鍵控制部分進行模式的選擇。每個系統(tǒng)都是由TFTLCD顯示、無線發(fā)送或接收、控制器部分等功能模塊組成，都可以獨立進行各自的顯示工作?？刂破鞑糠种饕怯蒑CU和按鍵、LED、下載電路、電源等功能模塊組成。下面我們就硬件部分設計和軟件部分設計分別進行介紹。

1 硬件設計

ARM Cortex-M3處理器是為存儲器和處理器的尺寸對產(chǎn)品成本影響極大的各種應用專門開發(fā)設計的，它整合了多種技術(shù)，減少使用內(nèi)存，并在極小的 RISC 內(nèi)核上提供低功耗和高性能。

目前市場上具有代表性的射頻收發(fā)芯片主要有Nordic公司的nRF系列、TI公司的CC系列與RFM公司的TR系列等，這些芯片在不同的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點中都得到了應用。其中由挪威 Nordic 公司推出的一款2.4GHz低成本的無線收發(fā)芯片nRF24L01 近年來得到了廣泛應用，其最大空中數(shù)據(jù)傳輸速率達到 2Mbps，有 125個頻道，滿足本設計的要求，因此本文選擇它來設計通信模塊的無線收發(fā)電路，nRF24L01 主要是通過設置寄存器和對寄存器讀寫來控制其工作的。

本設計用的是電阻式觸摸屏，電阻式觸摸屏利用壓力感應進行控制。電阻觸摸屏的主要部分是一塊與顯示器表面非常配合的電阻薄膜屏，這是一種多層的復合薄膜。當手指觸摸屏幕時，兩層導電層在觸摸點位置就有了接觸，電阻發(fā)生變化，在X和Y兩個方向上產(chǎn)生信號，然后送觸摸屏控制器。控制器偵測到這一接觸并計算出（X，Y）的位置，再根據(jù)獲得的位置模擬鼠標的方式運作。這就是電阻技術(shù)觸摸屏的最基本的原理。

TFTLCD模塊自帶的觸摸屏控制芯片為XPT2046。XPT2046是一款4導線制觸摸屏控制器，內(nèi)含12位分辨率125KHz轉(zhuǎn)換速率逐步逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。XPT2046支持從1.5V到5.25V的低電壓I/O接口。XPT2046片內(nèi)集成有一個溫度傳感器。在2.7V的典型工作狀態(tài)下，關(guān)閉參考電壓，功耗可小于0.75mW。

2 系統(tǒng)軟件設計

隨著嵌入式系統(tǒng)應用領(lǐng)域范圍日益廣泛，硬件系統(tǒng)性能的大幅度提高，使得操作系統(tǒng)的應用成為可能。μCOS-II 是一種源碼公開、結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)核可剝奪的實時嵌入式操作系統(tǒng)。通訊和系統(tǒng)的任務調(diào)度。μCOS-II V2.86 版本嵌入式操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中，內(nèi)核源代碼分為 3 個部分，硬件無關(guān)的內(nèi)核代碼、處理器相關(guān)的移植代碼、用戶配置文件。

“無線傳書”任務的軟件部分主要包括STM32控制程序和TFT觸摸顯示程序。STM32控制程序包括主機、從機的初始化程序，nRF24L01 無線發(fā)射、接收模塊的配置程序以及數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收程序。nRF24L01 無線收發(fā)模塊的配置包括接收和發(fā)送數(shù)據(jù)地址、有效數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)傳輸速率、發(fā)射功率、工作通道頻率、接收數(shù)據(jù)通道等，注意相關(guān)參數(shù)接收模塊和發(fā)送模塊必須具有相同的配置。收發(fā)程序主要是對 SPI 的操作。

系統(tǒng)上電后控制器按照模式控制真值表將 nRF24L01 設置為配置模式。在上電初始化之后，配置模塊之前需要延遲一定的時間等待 nRF24L01 穩(wěn)定，然后進行配置，使 nRF24L01 進入待機模式。在配置寄存器時，控制器首先需要將控制CSN的引腳拉低，其次寫入配置命令和對應的配置字，最后將CSN 置高，這樣就完成了一次配置。

整個發(fā)送過程包括上電初始化程序、配置子程序以及數(shù)據(jù)采集發(fā)送子程序。本節(jié)主要介紹數(shù)據(jù)采集發(fā)送子程序部分。采集部分由STM32控制器對TFT觸摸屏上的觸摸點進行定位而來。在程序開始時定義了一個容量為 32K bytes 的數(shù)組，采集完成的數(shù)據(jù)首先存放在數(shù)組中，然后將數(shù)據(jù)通過 SPI 口寫入 TX_FIFO。在程序中設置了一個循環(huán)標志 i，當循環(huán)次數(shù)為 16 時說明 32 字節(jié)數(shù)組存滿，這時 nRF24L01的 TX_FIFO 寫滿。最后啟動發(fā)射，將 CE 置高，并且時間要保持在 10μs 以上，無線模塊自動發(fā)射數(shù)據(jù)。注意往 nRF24L01 寫數(shù)據(jù)時，必須首先把 CSN 置低寫數(shù)，并且在寫滿寄存器之前要一直拉低，否則在發(fā)送時要出錯。發(fā)送完成后要清楚標志位才能啟動下一次發(fā)射。

當接收部分上電以后同樣首先進行初始化，然后對 nRF24L01初始化配置成接收模式，此時 CE 置高等待接收。延遲 130μs 后nRF24L01 開始檢測接收數(shù)據(jù)。為了方便檢測把接收部分配置成產(chǎn)生 RX_DR 中斷，所以當用示波器觀察時可以看到當接收到一包數(shù)據(jù)后 IRQ 引腳會產(chǎn)生一個下降沿，此時 RX_FIFO 把接收到的數(shù)據(jù)讀回單片機，IRQ 信號作為接收部分的讀數(shù)中斷信號。同樣需要注意的是在讀取數(shù)據(jù)之前需將 CE 置低，模塊退出接收模式后才能讀取數(shù)據(jù)；如果數(shù)據(jù)還未接收完畢，在讀數(shù)后要注意清除標志位以便接收下一包數(shù)據(jù)。