基于STM32的自动气象站控制模块设计

1、引　　言

随着居民生活水平的提高和气象意识的增强，近年来自动气象站得到了大力的发展。自动气象站需要可视化的人机界面，既能发布动态的气象数据，也能对气象站发送控制指令。因此，自动气象站拥有可视化的液晶显示控制模块是非常重要的。

为了节约硬件资源，采用STM32F103VET6单片机驱动7寸触摸屏作为显示控制模块的硬件平台。为实现多任务处理，移植经过裁剪和修改的UC／OS－II操作系统。同时移植可裁剪的界面设计软件接口UCGUI，实现可视化人机界面。构建软硬件可裁剪的自动气象站控制模块，即能满足自动气象站工作现场的任务需求，也减少了软硬件资源的浪费，充分发挥了嵌入式产品在工控现场的优势。

2、系统整体框图

采用STM32F103VET6作为主控制器芯片，利用TFT屏驱动程序和触摸驱动程序驱动7寸触摸屏，系统整体框图如图1所示。

针对该CPU移植UC／GUI和UC／OS－II是本文的关键。液晶驱动程序和触摸驱动程序配合UCGUI提供的接口函数，搭建可视化人机交互界面，移植适用于本系列CPU的UC／OS－II实现多任务处理。

图1  系统整体

3、驱动触摸屏硬件电路设计

基于价格和性能的综合考虑，选择STM32F103VET6作为主控制器芯片。STM32F103系列CPU采用CORTEX－M3内核，最高工作频率72MHｚ，拥有256～512KBFLASH程序存储器，并行LCD接口，兼容8080／6800模式。

LCD模块采用群创AT070TN90系列TFT屏。该液晶显示模块由LCD面板，SSD1963控制电路，电源与调压器电路，背光控制电路4部分组成。其中SSD1963控制电路包含了1块SSD1963控制芯片，负责与处理器进行通信，根据处理器传输过来的数据刷新内部显存，控制LCD面板刷新显示。

TFT显示屏与STM32F103的接口如图2所示。

图2  TFT显示屏与STM32F103的接口电路

TFT显示屏表面贴有一块XPT2046控制的四线制触摸屏，该触摸屏的Y＋，Y－，X＋，X－分别与XPT2046的4个引脚相连。当屏幕被按下时，XPT2046内部的125KHｚ转换速率的逐步逼近型12位A／D转换器执行2次A／D转换计算触摸位置，然后以SPI总线方式传送给CPU。

4、系统软件设计

4．1、LCD底层控制函数的实现

移植GUI接口主要实现包括画点、线、矩形、多边形、位图等功能。GUI所有的系统函数都是通过调用这些接口函数来实现的，而这些接口函数又都是基于画点函数来实现，几乎GUI显示功能都最终调用画点函数，所以LCD驱动程序重点在画点函数的编写。

／＊在指定坐标画指定颜色的点＊／

ｖOIDLCD＿SETPOINT（U16X，U16Y，U16C）

｛

LCD＿WRITECOM（0X002A）；

LCD＿WRITERAM（X＞＞8）；

LCD＿WRITERAM（X＆0X00FF）；

LCD＿WRITERAM（HDP＞＞8）；

LCD＿WRITERAM（HDP＆0X00FF）；

LCD＿WRITECOM（0X002B）；

LCD＿WRITERAM（Y＆0X00FF）；

LCD＿WRITERAM（ＶDP＞＞8）；

LCD＿WRITERAM（ＶDP＆0X00FF）；

LCD＿WRITECOM（0X002C）；

LCD＿WRITERAM（C）；

｝

实现了对LCD像素的操作，进而修改移植UCGUI图形接口，从而方便UCGUI通过调用该最底层函数来实现丰富的图形界面。

4．2、UCGUI组织结构

UCGUI是一种小型嵌入式图形界面接口，独立于CPU和LCD控制器，对系统要求很低。8／16／32位CPU，2～6KB的RAM，30～60KB的ROM，2KB的堆栈即可满足。UCGUI接口完全对外开放，结构如表1所示。

表1 UCGUI源码组织结构

4．3、修改配置UCGUI头文件工作

移植UCGUI的前提就是修改配置头文件。根据硬件电路设计，显示器控制器型号，以及设计中将使用UC／OS操作系统的实际情况，配置头文件具体修改如下：

将该修改完头文件的UCGUI源码包编译进工程，利用GUI自带的图形接口函数，便可在LCD屏上任意位置画任意的图形。实现自动气象站的多任务处理的功能，给液晶显示控制模块移植一个结构小巧的UC／OS－II操作系统也是必不可少的。

4．4、UC／OS－II框架结构

UC／OS－II是免费的公开的源代码，具有可剥夺内核。绝大部分代码用C语言编写，仅有与CPU相关的代码用汇编编写，总量也仅为200行左右，被压缩到最低限度以便移植到任意一种CPU上。只要有标准的C交叉编译器，汇编器和连接器等软件工具，就可以将UC／OS－II移植到例如STM32这样的CPU中。因为其执行效率高，占用空间小，实时性好，可扩展性强，最小内核可编译至2KB，所以UC／OS－II能完美运行于STM32中。

UC／OS－II可大致分成核心、任务处理、时间处理、任务同步与通信、CPU的移植等5个部分。

1）核心部分（OSCORE．C）包括操作系统初始化，系统运行，中断进出的前导、时钟节拍、任务调度、事件处理等部分。

2）任务处理部分（OSTASK．C）包括任务的建立、删除、挂起、恢复等。因为UC／OS－II是以任务为基本调度单位的，所以该部分也很重要。

3）时钟部分（OSTIME．C）UC／OS－II中最小时钟单位是TIMETICK（时钟节拍），任务延迟等操作在此完成。

4）任务同步与通信部分此部分包括信号量、邮箱、邮箱队列、事件标志等部分。主要用于任务间的互相联系和对临界资源的访问。

5）与CPU的接口部分该部分是UC／OS－II针对CPU移植的部分。该部分牵扯到SP等系统指针，所以通常由汇编语言编写。

4．5、UC／OS－II修改裁剪工作

UC／OS－II在STM32上移植，前提需要修改3个文件，它们是OS＿CPU．H，OS＿CPU＿C．C，OS＿CPU＿A．ASM。

1）临界代码段

UC／OS－II为保证某段代码完整执行，需要临时关闭中断，代码执行完成后开启中断。UC／OS－II通过OS＿ENTER＿CRITICAL（）和OS＿EXIT＿CRITICAL（）2个宏来实现中断的打开和关闭，对于M3内核，栈增长方向是向下增长，因此需要宏定义OS＿TASK＿GROWTH为1。

5、测试结果

在μＶISION4集成开发环境中编写测试代码。在主函数MAIN（）中，系统函数OSTASKCREATEEXT（）创建系统主任务APPTASKSTART（），在主任务中创建2个系统实际运行的任务APPTASK＿LCD（）和APPTASK＿LED（），设置任务优先级和任务栈大小，2个任务用于液晶显示和LED闪烁。APPTASK＿LCD（）和APPTASK＿LED（）的任务配置如表2所示。

表2任务参数设置

系统在2个任务情况下运行效果如图4所示。

图4 显示控制模块

结果表明多任务运行流畅，工作稳定。因此，该自动气象站控制模块工作可靠有效。

6、结论

设计基于STM32的自动气象站控制模块。STM32单片机的高速、低耗的优越性能完全可以满足触摸屏主控制芯片的要求，TFT液晶显示器可以满足更复杂、多彩、灵活的显示任务，符合显示屏性能不断攀升的发展趋势。将UC／OS－II操作系统和UC／GUI图形接口同时移植到F103系列CPU中，实现多任务处理，完全适应自动气象站多变的任务需求，能承担更加灵活的液晶显示任务。相比传统的自动气象站控制模块，设计在实现多任务，多界面的前提下，将软硬件资源的消耗上降到最低，体现了现代电子设备设计的低功耗低成本的特点。