基于STM32处理器的数字PDA系统设计

摘要：数字PDA系统整体由硬件电路和软件系统2部分组成，硬件电路由低功耗ARM微控制器STM32ZET6控制的PDA外围电路组成，软件系统则由硬件驱动程序、μC／OS-Ⅱ实时操作系统、FATFS文件系统、GUI等部分组成。数字PDA系统将整个软件系统进行了整合，提供一种基于页的机制方法，即每页都是一个线程，利用μC／OS-Ⅱ的信号量、邮箱机制实现多线程之间的任务切换。PDA系统采用页机制的设计，旨在减少增加应用程序时代码的修改量和提高整个PDA软件系统的稳定性，以及提高应用程序的开发速度。
关键词：STM32；μC／OS-Ⅱ；数字PDA系统；页机制；ARM

0 引言
    以Cortex-M3为内核的处理器由于其低功耗以及低成本并且是32位处理器，越来越多的研究人员已经从51处理器、AVR等处理器开始转移到这个领域。数字PDA系统设计采用的是以Cortex-M3的内核STM32ZET6控制器，但是由于STM32ZET6内部没有MMU，不能移植WincE，Linux等操作系统，故只能应用ucLinux，μC／OS-Ⅱ等实时操作系统。传统的操作系统ucLinux，μC／OS-Ⅱ在微控制器中移植后，应用程序就开始了与操作系统、以及硬件驱动之间的交互，一旦要添加新的应用程序或者对应用程序的更改，代码的修改量以及整个操作系统的稳定性都会收到影响。这时就需要一种新的机制，能够在保证系统稳定性的基础上快速设计应用程序，也正是基于这种思想，数字PDA系统将实时操作系统、硬件驱动、FATFS进行统一的封装，并给出一种基于页的机制，每一页就是一个线程，利用μC／OS-Ⅱ操作系统进行任务间的切换，而应用程序只需要按照页的设计规则，进行应用程序页设计即可，设计最终证明是合理可靠的。

1 数字PDA系统原理框图说明
    数字PDA系统的硬件电路部分由微控制器STM32F103ZET6、16 Mb NOR FLASH存储器、液晶显示LCD控制电路、USB接口电路、VS1003B MP3解码芯片电路、2 Gb misroSD卡接口电路、以及2．5～5 V电源电路组成。它的结构图如图1所示。

2 数字PDA系统硬件电路设计
2．1 微处理器MCU
    微处理器MCU采用STM32F103ZET6 ARM芯片，其特点是低功耗、价格低、具有丰富的外设资源如FSMC控制器、USB、多路SPI和USART，并且有MDK编程手册，易于上手。
2．2 NOR FLASH存储器
    NOR FLASH采用M29W128芯片，NOR FLASH的作用是存储页面资源、GUI资源、以及各种字库资源。数字PDA系统硬件电路使用微控制器的FSMC控制器对M29W128 NOR FLASH进行读写操作，主要是为了提高对M29W128读写速度。M29W128NOR FLASH中的存储的数据，也可以通过从microSD卡中读取并进行存储。
2．3 TFT液晶显示电路
    数字PDA系统硬件电路使用以HX8312为主控芯片的液晶控制电路和主控制器连接。主控制器和液晶控制电路之间的数据通信也使用主控制器的FSMC接口，目的是进行快速传输数据，避免液晶显示刷屏现象的产生。
2．4 VS1003音频解码电路
    VS1003是音频解码芯片，它支持Mpeg1和Mpeg2，WMA，MIDI，MP3解码，同时支持IMA ADPCM(单声道)、麦克风和线入等编码，VS1003具有一个高性能低功耗的DSP处理器核VS_DSP，0．5 KB数据RAM。数字PDA系统使用VS1003音频解码芯片，实现PDA的音乐MP3的播放功能。
2．5 USB接口电路和microSD卡接口电路
    STM32微控制器具有1个USB接口，该USB接口主要实现数字系统PDA在和PC机连接时的USB通信，当然也能为数字系统PDA系统供电。micro SD实现了数字PDA系统的大容量数据的存储。
2．6 PDA内部USB转串口电路
    PL2303遵循USB协议，并且支持到RS 232的转换。PDA数字系统通过PL2303电路实现主控制器的串口和PC之间的串口通信，这个电路主要用于系统调试。
2．7 电源电路
    电源电路包括锂电、5 V外接电源滤波电路、5 V转3．3 V、3．3 V转2．8 V、3．3 V转2．5 V五个电路，它们主要负责分别给主控制器、解码芯片、SD、NORFLASH提供电源。
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3 数字PDA系统软件系统设计
3．1 软件系统总体介绍
    相比较硬件电路来说，硬件电路一旦确定并且电路正确，基本上没有大的变化，而软件部分则会出现非常大变化，因为应用的程序是多种多样的。但是STM32微控制器没有像PC处理器那样含有MMU，不能运行Linux和WinCE操作系统，但是在很多情况下，PDA数字系统是要实现多任务操作的，或者说多线程操作，所以在这种条件下，PDA数字系统采选用μC／OS-Ⅱ进行多任务之间根据优先级别的调度，而应用程序又是基于操作系统和硬件的，为了提高操作系统的稳定性和减少在数字PDA添加应用程序时代码的修改了，所以数字PDA系统将操作系统、GUI、硬件驱动程序、文件系统FATFS进行整合，采用一种页机制，每一页就是指一个TFT LCD显示的页，每一页就是一个线程，当页切换时，底层操作系统就实现任务的切换。
3．2 FATFS文件系统的移植
    由于PDA数字系统使用SD卡作为大容量数据的存储，虽然主控制器STM32含有SDIO接口，硬件驱动程序只要进行相应的配置就能实现SD的读写操作，但是这种操作时基于扇区的，而上层应用程序操作的是文件，所以必须移植文件系统。移植步骤就是将SD的读写扇区函数和文件系统的底层接口函数想关联。数字PDA系统使用FATFS文件系统，当然也可以使用FAT32文件系统，FATFS文件系统中diskio．c中提供五个接口函数，如图2所示。

    将microSD卡驱动函数的SD扇区读函数、扇区写函数、以及SD初始化的函数和图中的disk_read，disk_write，disk_initialize进行对接，当让还要在FATFS文件系统中数据类型integer．h中包含stm32f10x．h以及将integer．h中的数据类型进行更改，只需要更改文件系统中BOOL类型数据和stm32f10x．h中的bool类型一致即可，文件系统就移植完了。移植了FATFS文件系统后，数字PDA系统在读取SD卡时，就可以按照大家常用的文件格式进行读取数据。
3．3 μC／OS-Ⅱ实时操作系统的移植
    μC／OS-Ⅱ为PDA数字系统的操作系统提供多线程操作，任务的调度。由于系统需要多线程的调度，需要为数字PDA系统移植μC／OS-Ⅱ。数字PDA系统使用信号量和邮箱机制进行多任务的调度。μC／OS-Ⅱ是用标准C语言和汇编语言来写的，只有与微处理器相关的是由汇编指令写的，所以在STM32F103ZET6上中移植μC／OS-Ⅱ实时操作系统，只需要更改或者重写处理器相关文件OS_CPU．H和OS_CPU_C．C，汇编文件OS_CPU-A．ASM，系统配置文件OS_CFG．h。
3．4 硬件驱动程序
    数字PDA系统在调用微控制器的各种外设接口资源、以及各种硬件资源时需要调用这些硬件资源的驱动程序。数字PDA系统的硬件驱动程序由串口打印输出驱动程序、SD卡驱动程序、VS1003B硬件驱动程序、TFT LCD液晶显示器驱动程序、3个SPI串行通信口的驱动程序、NOR FLASH和STM32 FSMC接口驱动程序、触摸屏TSC2046驱动程序组成。以上的驱动程序保证了各个模块硬件资源的正常工作。作为最底层驱动程序，这些程序保证了整个数字PDA系统能够实现各种应用程序。
3．5 页与GUI图形界面接口
    数字PDA系统要在TFT LCD液晶显示器中的进行图形界面的显示，需要GUI的支持，数字PDA系统采GUI设计没有移植uCGui，而是根据液晶控制器重写的GUI，由于STM32F103ZET6微控制器的时钟为72 MHz，这样写的好处在于提高液晶页面显示的速度，减少刷屏现象的产生，提高PDA液晶画面显示的质量。
    数字PDA系统将以上的所有软件进行了整合，将液晶屏显示一个页作为一个线程，页面进行切换就实现了任务的切换，任务的切换由操作系统实现。通过页机制的框架，在应用程序进行修改或者添加新的应用程序时，减少了代码的修改量，保证系统的稳定性。
数字PDA系统启动后就进入主页线程，操作系统系统根据硬件中断和信号量邮箱机制，进行也切换，页切换的时候，会调用文件系统或者硬件驱动程序，这就是PDA系统的工作原理。

4 结语
    数字PDA设计是在硬件电路设计上移植文件系统、操作系统上完成的，整个系统不仅要求硬件电路的兼容正确，同时也要求FATFS文件系统和μC／OS-Ⅱ操作系统的移植正确，整个系统基于页的机制进行任务切换，经过实际证明页机制可以进行快速严谨的应用程序开发。