在STM32单片机上实现了一个基于FreeRTOS的多任务处理系统

FreeRTOS是一个轻量级、开源的实时操作系统内核，专为微控制器和小型嵌入式系统设计。它提供基本的RTOS特性，如任务调度、任务间通信、同步机制和低功耗管理，同时保持最小的内存占用。

在这个项目中，FreeRTOS被用来管理STM32微控制器上的多个并发任务，实现确定性执行、模块化软件设计和安全访问共享硬件资源。RTOS调度器处理任务切换，而任务通过延迟函数显式地产生CPU控制，实现适合资源受限系统的协作多任务方法。

项目目标

该项目的目标是设计和实现一个基于rtos的多任务嵌入式系统，该系统同时：

•从I2C传感器获取温度数据

•使用模拟输入控制RGB LED亮度

•更新LCD上的图形信息

•定时执行LED闪烁任务

所有任务都独立运行，同时使用RTOS同步原语安全地共享系统资源。

步骤1：硬件和外设初始化

•使用STM32CubeMX配置系统时钟，gpio， ADC, I2C， FSMC和PWM外设

•通过FSMC使用8080并行接口初始化LCD (ST7789 v3)

•通过I2C方式初始化AHT20温湿度传感器

•验证LED和电位器输入的正确操作

引脚映射和接线连接：

GND -> Left Leg

PA1 -> Middle Leg

3.3V -> Right Leg

STM32 Dev Board -> RGB

GND -> Long Leg

PA6 -> Red Leg

PE13 -> Blue Leg

PE11 -> Green Leg

步骤2：驱动程序集成和实现

•适应/实现了ST7789驱动程序(src/drv_lcd. + inc/drv_lcd.h和drv_lcd_font.c中的字体例程)来初始化显示，设置窗口，并在FSMC上绘制文本/像素。

•实现AHT2x驱动程序(src/drv_aht21.c + inc/drv_aht21.h)执行I²C事务并将响应转换为温度/湿度值。

•增加了简单的ADC读取助手和PWM设置功能，用于LED控制。

步骤3 - RTOS任务设计

实现了四个重点的FreeRTOS任务(在src/main.c中创建)：

•读取AHT2x，格式化温度字符串，更新LCD(周期性)。

•采样ADC，平滑值，映射到PWM占空比的RGB LED。

•CounterTask -在LCD上增加并显示一个计数器。

•BlinkTask -以稳定的速率切换GPIO LED。

•每个任务运行一个无限循环，并在更新后使用vTaskDelay()，以便任务自愿放弃(协作式行为)。

步骤4 -同步：保护LCD

•为LCD创建一个FreeRTOS互斥锁(xSemaphoreCreateMutex())。

•每一个多步骤的LCD操作在写入前都要获取互斥锁(设置窗口→推像素→绘制文本)，然后立即返回。

•在xSemaphoreTake上使用短超时，以便任务可以跳过更新或重试，而不是死锁。

步骤5 - ADC平滑和PWM映射

•应用一个小的平滑滤波器(简单的EMA)原始ADC样本，以避免可见的LED闪烁。

•将滤波后的ADC值映射到定时器PWM占空比并更新三个通道(R/G/B)。

步骤6 -电源考虑

•启用FreeRTOS空闲处理(tickless-idle或vApplicationIdleHook)，以便MCU可以在没有任务准备好时进入睡眠状态。

•确保睡眠进入不会干扰所需的中断(I²C， TIM， ADC)。

步骤7 -构建，flash和验证

在STM32CubeIDE中构建项目，并使用ST - Link进行闪现。

物理板上已验证的行为：

•LCD初始化和清除。

•温度显示，并定期更新。

•计数器在它自己的LCD区域中递增。

•电位器平滑地改变RGB亮度。

•闪烁LED以预期速率切换。

•没有LCD损坏(互斥锁保护访问)。

步骤8：观察、调整和决定

•保持LCD临界区短：在RAM中准备字符串/缓冲区，然后短暂地使用互斥锁进行写入。

•轻微增加互斥锁超时，以减少在繁忙活动期间跳过的更新。

•增加ADC平滑去除可见的闪烁。

•如果计划稍后进行较大的刷新，可以考虑使用DMA或双重缓冲来减少显示阻塞时间。

要在repo中检查的文件(工作所在的地方)：

-任务创建，互斥锁创建，调度程序启动，高级流程。

•src/drv_lcd., inc/drv_lcd.h - ST7789初始化和绘图功能。

Src /drv_lcd_font.c, inc/drv_lcd_font.h -字体渲染和文本辅助程序。

•src/drv_aht21.c, inc/drv_aht21.h - AHT2x传感器驱动程序(I²C读取/转换)。

•/FreeRTOSConfig.h -本项目使用的RTOS配置。完整的repo的源代码在最后。

结果示例

本文编译自hackster.io