《電子技術(shù)應(yīng)用》
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STM32開放式開發(fā)環(huán)境:釋放創(chuàng)造力的利器

2016-08-01

  市場上涌現(xiàn)各種價格親民的經(jīng)濟(jì)型微控制器,助力新一代開發(fā)者創(chuàng)造令人興奮的新型嵌入式應(yīng)用。如今的開發(fā)工具非常好用,軟硬件均呈現(xiàn)模塊化趨勢,插接安裝簡單容易,使得產(chǎn)品設(shè)計評估和原型開發(fā)周期大幅縮短。STM32開放式開發(fā)環(huán)境是業(yè)內(nèi)獨一無二的軟硬件開發(fā)平臺,堆疊式插接電路板集成各種模塊化硬件,同時模塊化軟件覆蓋從驅(qū)動程序到應(yīng)用層的全部軟件,幫助設(shè)計人員將創(chuàng)意快速變成產(chǎn)品原型,順利轉(zhuǎn)化成最終設(shè)計。

  STM32開放式開發(fā)環(huán)境是什么?

  STM32開放式開發(fā)環(huán)境 是意法半導(dǎo)體開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)原型設(shè)計開發(fā)環(huán)境,以簡化嵌入式項目設(shè)計為目標(biāo),通過開源形式提供全部重要功能模塊,組件包括:

  -價格極低的STM32 Nucleo開發(fā)板(STM32微控制器)和STM32 Nucleo擴(kuò)展板(傳感器、通信接口、電機(jī)控制和致動功能),提供基于尖端商用產(chǎn)品的各種硬件功能。

  -基于STM32Cube軟件工具的STM32微控制器軟件庫和簡單好用的軟件庫配置器(STM32CubeMX )。

  -STM32Cube擴(kuò)展軟件庫,支持STM32 Nucleo擴(kuò)展板上各種器件,包括電機(jī)驅(qū)動器、低能耗藍(lán)牙模塊、MEMS傳感器等。

  -功能包:一套利用STM32 Nucleo開發(fā)板和STM32Cube軟件為一些最常用用例開發(fā)的功能性例程(代碼示例)。

  -每個軟硬件功能模塊都配備描述詳盡的技術(shù)文檔。

  -活躍的快速發(fā)展的在線開發(fā)社區(qū)

  STM32 Nucleo開發(fā)板

  STM32 Nucleo開發(fā)板是STM32開發(fā)環(huán)境的基礎(chǔ)組件,板載一顆基于ARM? Cortex?-M 32位處理器內(nèi)核的STM32微控制器。STM32開放式開發(fā)環(huán)境所用的STM32 Nucleo開發(fā)板是64引腳版(圖1)微控制器。目前STM32 F4和STM32 L0微控制器兼容所有的STM32 Nucleo擴(kuò)展板和擴(kuò)展軟件。

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  圖1 – STM32 Nucleo-64開發(fā)板

  開發(fā)環(huán)境使用基于STM32Cube HAL(硬件抽象層) API的STM32Cube軟件庫,大幅降低了在不同系列的STM32產(chǎn)品(目前有20余款STM32 Nucleo開發(fā)板)中移植軟件項目所需的編程工作量。

  STM32 Nucleo-64開發(fā)板硬件具有以下特性:

  -采用LQFP-64封裝的STM32微控制器

  -通過38引腳的Morpho連接器可以使用STM32的所有引腳

  -四個Arduino連接器(位置非對稱排列,引導(dǎo)用戶正確插接Arduino兼容擴(kuò)展板)

  -集成ST-LINK/V2-1調(diào)試器/代碼燒錄器和mini USB端口,無需安裝額外的調(diào)試工具,板子可直連PC機(jī),進(jìn)行調(diào)試和燒寫代碼操作。此外,USB接口支持虛擬COM端口和大容量存儲接口(兼容ARM mbed)

  -2個按鍵(微控制器復(fù)位信號和開發(fā)者專用按鍵)

  -3支LED燈(5V電源、開發(fā)者專用、ST-Link調(diào)試器狀態(tài))

  用戶可以為板子選用不同的電源:

  -5V USB供電

  -5V外部電源

  -外部電源VIN (7-12V)

  STM32 Nucleo開發(fā)板上的5V電源還用于驅(qū)動通過Arduino或morpho連接器連接主板的擴(kuò)展板,同時通過板載穩(wěn)壓器為STM32提供3.3V 電源。

  STM32 Nucleo開發(fā)板功能性極強(qiáng),板載代碼燒寫/調(diào)試工具非常實用,設(shè)計人員可以立即動手開發(fā)項目,而無需添置昂貴的開發(fā)工具。

  基于STM32Cube的嵌入式軟件和工具

  在選中了最適合自己的STM32 Nucleo開發(fā)板后,下一步是下載相關(guān)的軟件庫,熟悉STM32技術(shù)特性和外設(shè)。最快捷的入門方式是下載軟件庫配置器STM32CubeMX (www.st.com/stm32cubemx)。在這個工具的圖形用戶界面內(nèi),用戶只要直接選擇正在使用的STM32 Nucleo開發(fā)板(圖2),配置器就會按照板子所連接的硬件設(shè)備(例如LED、按鍵、UART引腳分配)自動配置STM32外設(shè)。

  下一步,可能需要詳細(xì)配置每個外設(shè),例如,設(shè)置UART同步/異步通信模式、波特率、寄偶校驗和停止位。

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  圖 2 – STM32CubeMX: 從板子選型到外設(shè)配置,只需幾步簡單的操作。

  最后,STM32CubeMX將生成代碼,創(chuàng)建一個完整軟件項目,且兼容所用代碼編譯工具鏈(例如IAR、Keil或Eclipse),同時配置先前在圖形用戶界面內(nèi)所選的全部硬件和外設(shè),并兼容所用代碼調(diào)試/燒錄工具。

  這個圖形用戶界面工具讓你從零開始創(chuàng)建項目,幾分鐘完成項目所需的全部配置,然后立即動手創(chuàng)建自己的軟件項目,直接在main.c文件里寫代碼。

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  圖3 – STM32Cube軟件庫的層次

  所生成的代碼位于STM32Cube嵌入式軟件之上,STM32Cube有兩個主層(圖3):

  -硬件抽象層:準(zhǔn)許上面的軟件層(例如,中間件層)執(zhí)行各自的功能,而無需開發(fā)人員深入了解如何使用微控制器

  -中間件:一整套中間件組件(RTOS, USB, TCP/IP, …)

  軟件設(shè)計采用模塊化方法,用戶在項目開發(fā)過程中可以隨時添加軟件模塊,輕松地跨系列移植全部項目。

  STM32 Nucleo擴(kuò)展板

  為連接STM32 Nucleo擴(kuò)展板,STM32 Nucleo-64開發(fā)板配備兩種連接器:

  -兼容Arduino標(biāo)準(zhǔn)的Arduino連接器(微控制器的32個引腳都在這個連接器上)。

  -Morpho 連接器,可以連接STM32微控制器的全部引腳(76個引腳都在這個連接器上)。

  STM32 Nucleo擴(kuò)展板讓設(shè)計人員像搭積木一樣,在主板上插接多塊不同功能的子板,創(chuàng)建一個完整的應(yīng)用系統(tǒng)。目前意法半導(dǎo)體網(wǎng)站(www.st.com/x-nucleo) 上有20余款擴(kuò)展板(圖4)在售,按功能劃分,可以分為五類:

  -感測:MEMS 9軸運動傳感器; 壓力傳感器,環(huán)境傳感器,接近檢測傳感器; MEMS麥克風(fēng)

  -連接: 低能耗藍(lán)牙、Wi-Fi、NFC和Sub-GHz射頻;

  -電機(jī)控制/致動: 直流電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、3相直流無刷電機(jī)驅(qū)動器

  -輸入/輸出: I/O模塊(家庭自動化和工業(yè)自動化)

  -信號調(diào)理: 運算放大器

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  圖4 – 各種型號的STM32 Nucleo擴(kuò)展板

  STM32 Nucleo板功能擴(kuò)展方法類似于Arduino和Raspberry Pi解決方案,便于設(shè)計人員快捷開發(fā)產(chǎn)品原型。利用這些連接工具,可以將擴(kuò)展板堆疊插接在主板上,給系統(tǒng)增添新的功能,唯一不足之處是,堆疊式連接方法受限于微控制器外設(shè)的使用方式,這個問題的解決方法是,使用I2C和SPI總線替代UART等速度慢的數(shù)據(jù)總線,這樣可提高同一總線上所連接設(shè)備的數(shù)量。此外,Arduino連接器不對稱排列設(shè)計可有效防止STM32 Nucleo擴(kuò)展板連接方向錯誤,降低電源連接錯誤損壞設(shè)備的風(fēng)險。擴(kuò)展板使用STM32 Nucleo開發(fā)板上LDO穩(wěn)壓器通過板上5V電源生成的3.3V電源,用戶可以使用跳線(JP5)為開發(fā)板選擇USB 5V電源或外部E5V電源。有些擴(kuò)展板需要更高的電壓,例如,電機(jī)驅(qū)動器和I/O擴(kuò)展板,因此,開發(fā)板上還增加一個電源連接器,利用外部電源驅(qū)動負(fù)載,提供更高的電壓Vbus(最高45V)。

  為安全起見,多數(shù)擴(kuò)展板是為低功率應(yīng)用設(shè)計,50V以下電壓在電源極性接反或短路時可以降低板子燒毀風(fēng)險,所以適合初學(xué)者和學(xué)生使用。

  這些低功耗的擴(kuò)展板還可以單獨連接高壓高功率的電機(jī)控制擴(kuò)展板,但是,我們只建議電機(jī)控制專業(yè)人士選用這種配置。為了便于區(qū)分,我們將高功率STM32 Nucleo擴(kuò)展板涂成綠色,其余的擴(kuò)展板全都是藍(lán)色。高功率電機(jī)控制擴(kuò)展板兼?zhèn)涓邏焊吖β蕯U(kuò)展板和低壓擴(kuò)展板的雙重優(yōu)點,在電機(jī)控制應(yīng)用中輕松增加數(shù)據(jù)通信功能,例如,使用射頻技術(shù)遠(yuǎn)程驅(qū)動高壓電機(jī)或使用低能耗藍(lán)牙或Wi-Fi獲取電機(jī)驅(qū)動信息和遠(yuǎn)程記錄失敗數(shù)據(jù)。

  STM32Cube擴(kuò)展軟件

  STM32 Nucleo擴(kuò)展板可以像搭積木一樣插接到開發(fā)板上,幾分鐘就能組建一個硬件平臺。不過,軟件才是設(shè)計項目中最耗時的環(huán)節(jié),通常占用研發(fā)周期70-80%的時間。STM32Cube將積木式組裝方法帶到軟件設(shè)計中。軟硬件一致是STM32開放式開發(fā)環(huán)境的特性之一,因此,每個STM32Cube擴(kuò)展軟件包都為用戶提供例程,其中包含各種軟件庫,例如,電機(jī)控制、低能耗藍(lán)牙協(xié)議?;騈FC射頻處理功能,全部都是開源軟件。

  STM32Cube擴(kuò)展軟件包附加的例程非常實用,能夠幫助設(shè)計人員快速熟悉設(shè)備軟件庫。以下面的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動軟件演示項目為例,用戶可將其中所需功能復(fù)制到自己的軟件項目:

  //----- Init of the Motor control library

  /* Start the L6474 library to use 1 device */

  /* The L6474 registers are set with the predefined values */

  /* from file l6474_target_config.h*/

  BSP_MotorControl_Init(BSP_MOTOR_CONTROL_BOARD_ID_L6474, 1);

  /* Attach the function MyFlagInterruptHandler (defined below) to the flag interrupt */

  BSP_MotorControl_AttachFlagInterrupt(MyFlagInterruptHandler);

  /* Attach the function Error_Handler (defined below) to the error Handler*/

  BSP_MotorControl_AttachErrorHandler(Error_Handler);

  //----- Move of 16000 steps in the FW direction

  /* Move device 0 of 16000 steps in the FORWARD direction*/

  BSP_MotorControl_Move(0, FORWARD, 16000);

  /* Wait for the motor of device 0 ends moving */

  BSP_MotorControl_WaitWhileActive(0);

  /* Wait for 2 seconds */

  HAL_Delay(2000);

  //----- Move of 16000 steps in the BW direction

  /* Move device 0 of 16000 steps in the BACKWARD direction*/

  BSP_MotorControl_Move(0, BACKWARD, 16000);

  /* Wait for the motor of device 0 ends moving */

  BSP_MotorControl_WaitWhileActive(0);

  …

  因為基于STM32Cube的軟件庫的模塊化結(jié)構(gòu),每個擴(kuò)展板軟件模塊都可以作為中間件添加到用戶項目,添加操作可以在項目開發(fā)過程中隨時進(jìn)行,也可以添加到已經(jīng)存在的復(fù)雜項目內(nèi)(圖5)。

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  圖 5 –STM32 Nucleo擴(kuò)展板軟件庫作為中間件添加到開發(fā)項目內(nèi)

  除STM32開放式開發(fā)環(huán)境外,還有功能包軟件項目和附加軟件庫

  當(dāng)需要不只一個功能模塊時,最快捷的方式是使用功能包軟件源代碼項目,因為這個軟件包將不同的STM32 Nucleo擴(kuò)展板的軟件庫整合成一個立即可用的完整項目。

  例如,當(dāng)STM32 Nucleo開發(fā)板連接NFC和低能耗藍(lán)牙(BLE)擴(kuò)展板時,可以下載功能軟件包,進(jìn)行BLE與NFC配對。

  除STM32開放式開發(fā)環(huán)境外,意法半導(dǎo)體還提供各種附加軟件庫(圖6),讓開發(fā)者在其應(yīng)用項目內(nèi)能夠使用前幾年不易實現(xiàn)的先進(jìn)功能,例如:傳感器數(shù)據(jù)整合、運動識別、藍(lán)牙語音、聲學(xué)波束成形、聲音定位等,因為這些軟件庫使用非常專業(yè)的IP技術(shù),所以不提供完整的源代碼(STM32開放式開發(fā)環(huán)境軟件100%提供源代碼), 但是,用戶可以從意法半導(dǎo)體網(wǎng)站下載相關(guān)許可證,然后花費幾分鐘激活軟件,即可正常使用這些軟件。

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  圖 6 – 在STM32開放式開發(fā)環(huán)境之上的Open.X 軟件庫和Open.Framework

  同樣地,開放式功能包也有例程,例如,在BLUE MICROSYSTEM 1演示應(yīng)用(圖7)中,STM32F4讀取MEMS加速度計/陀螺儀/磁強(qiáng)傳感器數(shù)據(jù)(RAW格式和傳感器數(shù)據(jù)整合算法輸出)、溫濕傳感器以及壓力傳感器的數(shù)據(jù),通過低能耗藍(lán)牙協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機(jī)上的應(yīng)用程序(圖8)。只要將所需的代碼段復(fù)制到自己的軟件項目內(nèi),就可以在不同的應(yīng)用中反復(fù)使用代碼。同一個演示應(yīng)用,假如軟件設(shè)計人員想要從零開始創(chuàng)建,則需要從查看每個設(shè)備數(shù)據(jù)手冊信息開始,開發(fā)和調(diào)試可能需要幾個月的時間。

  STM32開放式開發(fā)環(huán)境功能包和Open.Framework實現(xiàn)示例可以在相應(yīng)的STM32 Nucleo擴(kuò)展板網(wǎng)頁下載,而智能手機(jī)/平板電腦的圖形用戶界面應(yīng)用軟件的源代碼需要直接向意法半導(dǎo)體銷售代表和授權(quán)經(jīng)銷商索取。

         

  圖7 – BLUE MICROSYSTEM1 開源功能包演示應(yīng)用使用了MEMS運動傳感器、環(huán)境傳感器(溫度、濕度、壓力傳感器)和最新的低能耗藍(lán)牙技術(shù)。

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  圖8 – 當(dāng)使用基于藍(lán)牙或低能耗藍(lán)牙的演示板時,可以使用智能手機(jī)或平板電腦應(yīng)用查看傳感器數(shù)據(jù)(相關(guān)應(yīng)用軟件可在Google Play或Apple AppStore下載)。

  應(yīng)用項目示例

  當(dāng)使用STM32 Nucleo擴(kuò)展板的軟件項目示例或現(xiàn)有的開源功能包創(chuàng)建復(fù)雜的演示程序和系統(tǒng)時,創(chuàng)建速度簡單快速。下面是一個玩具小汽車的演示示例,3D遙控器通過低能耗藍(lán)牙(圖9)控制小汽車運動?;拒浻布K包括:

  STM32 Nucleo玩具小汽車(硬件): NUCLEO-F401RE、X-NUCLEO-IHM02A1(雙步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器),、X-NUCLEO-IDB04A1(低能耗藍(lán)牙)

  STM32 Nucleo玩具小汽車(軟件):X-CUBE-SPN2 (步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器軟件庫基礎(chǔ)例程)、X-CUBE-BLE1 (BLE軟件庫基礎(chǔ)例程)

  3D遙控器(硬件): NUCLEO-F401RE、X-NUCLEO-IKS01A1 (MEMS傳感器),X-NUCLEO-IDB04A1 (低能耗藍(lán)牙)

  3D遙控器(軟件):BLUEMICROSYSTEM1(通過低能耗藍(lán)牙發(fā)送傳感器RAW數(shù)據(jù)和傳感器整合數(shù)據(jù)的功能包)

               

  圖9 – STM32 Nucleo玩具小汽車: 玩具小汽車演示板和3D遙控器都是采用STM32 Nucleo電路板

  對于穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)硬件等應(yīng)用,評估板的外觀尺寸有時候是一個不小的問題。為了滿足物聯(lián)網(wǎng)硬件開發(fā)者的需求,意法半導(dǎo)體產(chǎn)品陣容開始增加尺寸極其緊湊的小演示板(圖10),板上的元器件與STM32 Nucleo電路板完全相同。這樣,在STM32開放式開發(fā)環(huán)境內(nèi)開發(fā)的軟件工程項目可以100%移植到這些小板子上。

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  圖10 – 功能包Blue Micro System1從STM32 Nucleo電路板移植到小評估板(用于物聯(lián)網(wǎng)和穿戴設(shè)備)

  豈止STM32開放式開發(fā)環(huán)境,還支持兼容STM32 Nucleo的Arduino電路板

  STM32 Nucleo擴(kuò)展板中還有板載Arduino連接器的Arduino Shield 電路板。因為硬件接口相互兼容,開發(fā)人員可以繼續(xù)使用以前開發(fā)的電路板和設(shè)備驅(qū)動軟件和固件庫。在www.st.com網(wǎng)站和其它開源軟件工程社區(qū),有一些Arduino電路板配合STM32 Nucleo擴(kuò)展板的直接可用的現(xiàn)成項目:圖11所示是一個典型的Adafruit TFT觸屏shield板與STM32 Nucleo擴(kuò)展板相連的演示

  示例, STM32CubeF4軟件包提供該軟件項目。

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  圖11 – Adafruit 1.8” TFT觸屏Shield板與STM32 Nucleo擴(kuò)展板相連的演示示例

  釋放你的創(chuàng)造力

  五年來,軟硬件開發(fā)環(huán)境變化巨大,市場需要更短的研發(fā)周期,越來越多的傳統(tǒng)消費產(chǎn)品技術(shù)(例如:MEMS、 NFC、低能耗藍(lán)牙)被用于工業(yè)設(shè)備。從3D建模到PCB電路圖,更完備的工程項目出現(xiàn)在開源軟件工程社區(qū)(無人機(jī)、3D打印機(jī)、傳感器數(shù)據(jù)整合、復(fù)雜的音頻功能和USB供電等)。

  STM32開放式開發(fā)環(huán)境專注于讓開發(fā)者的生活更輕松,提供易于定制的基本的和復(fù)雜的軟硬件功能模塊。在系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)增加一個射頻模塊,用于遙控設(shè)備或傳送數(shù)據(jù),不再要求開發(fā)者有深厚的射頻專業(yè)背景,只需將STM32 Nucleo擴(kuò)展板連接到系統(tǒng),按照系統(tǒng)要求設(shè)置軟件項目,幾分鐘即可完成。

  STM32開放式開發(fā)環(huán)境是業(yè)內(nèi)獨一無二的軟硬件開發(fā)平臺,整合基于尖端商用產(chǎn)品的各種擴(kuò)展板,模塊化軟件覆蓋從驅(qū)動程序到應(yīng)用層的全部軟件,幫助設(shè)計人員將創(chuàng)意快速變成產(chǎn)品原型,順利轉(zhuǎn)化成最終設(shè)計。


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