基于STM32的IO设备模拟器设计

引 言

近年来，各国为各自利益逐渐加强了海洋研究，海洋观测方法日趋多样化，海洋观测平台成为研究海洋的重要途径 [1]。海洋观测平台由MCU 控制，外围接若干海洋设备终端，如采用温盐深仪传输海洋温度、盐度、压力；多普勒流速剖面仪传输海流流速、流向等数据。一个成功的海洋观测平台的开发需要首先经过实验室的联合调试。

若干个课题组协同工作时，经常共同使用有限个设备终端，或者存在订货周期过长、设备出海等问题，导致联合调试时因某些设备缺位而延长系统调试周期，而模拟器可以较好地解决这些问题。此模拟器无需深入了解设备的通信协议与响应数据格式，只需对实际设备实现一次操作，即可学习实际设备的通信协议，最终达到代替实际设备参与系统调试的目的。

1 总体设计

系统总体结构如图 1 所示。

本文设计的模拟器由STM32F103 微处理器模块、供电模块、LED 灯指示模块、存储模块、串口模块、按键构成。 按键用于系统硬件复位，拨动开关选择系统工作模式，LED 灯指示系统的运行状态，存储模块用于存储系统数据，防止 掉电丢失。其工作方式分为两种，一种是学习实际设备的指令 与响应及实际设备收到指令与发出响应的时间间隔，学习数据 存入 FLASH ；另一种是模拟实际设备，在收到上位机指令后， 通过字符匹配 FLASH 中的指令，延长实际设备收到指令与发 出响应的时间间隔，回复与指令对应的响应。模拟器工作简图 如图 2 所示。

2 硬件设计

2.1 存储模块

STM32F103 内核为 Cortex-M3，采用 ARM V7 构架，是 现今性价比最高的一款 ARM 微控制器，最高工作频率可达 72 MHz，该芯片具有 64 kB SRAM，512 kB FLASH，拥有快 速的中断处理 [3]。本设计使用了芯片的 USART1、USART3、 Timer3、Timer7 及 SPI 接口。

串行外围设备接口（Serial Peripheral Interface，SPI）是 一种全双工，高速、同步的通信总线，在芯片的管脚上只占 用四根线。本设计使用 STM32F103 自带的 SPI 来实现对外部 FLASH（W25Q128）的读写操作 [4]。如图 3 所示，W25Q128 是华邦公司推出的大容量 SPI FLASH 产品，容量为 128 Mb， 即 16 MB，可用于存储字库和其他用户数据，系统掉电后数 据不丢失，满足了本设计的数据存储要求。设置 SPI 为全双 工、主机模式、8 位帧格式传输，高位在前，具有 CRC 校 验功能 [5]。SPI 波特率预分频值为 256 分频，传输速度为36 MHz/256=140.625 kHz。

2.2 串口通讯部分设计

仪器通讯通常采用串行通信和并行通信两种方式[6]。串行通信方式具有使用线路少、成本低的优点，在远程传输时， 避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用 [7]。计算机和单片机都具有串行接口，可以完成上位机与模拟器、模拟器与实际设备之间的通讯任务。如图 4所示，模拟器串口1可以实现两种不同的通讯模式，通过跳线帽或者拨动开关选择相应的通信方式，即 RS232，RS485，理论上可实现不仅限于海洋仪器的模拟，具备较强的延伸性。

此设计使用 SP3232 芯片作为 TTL 转 RS 232 芯片。数据 传输速率最高为 20 kb/s，最大距离为 15 m。可供两路串口共 同使用，接口为延伸通讯接口，可同时使用 DB-9 与三线制连 接法，两者均使用 RXD、TXD、GND 三条信号线，程序设 计中未使用握手信号，可直接发送和接收数据。RS 485 隶属 于 OSI 模型物理层电气特性的规定，为两线、半双工、多点 通信的标准。其电气特性和 RS 232 不一样，而是用缆线两端的电压差值来表示传递信号，通讯距离为 1 200 m[8]。本设计 使用 MAXIM 公司生产的 MAX3471，USART_RE 为发送使 能端，接 STM32 的 GPIOA_8，高电平发送数据，低电平接收 数据，接收和发送均由软件控制。串口 3 与串口 1 的电路图基 本相同，处于学习模式时与实际 IO 设备连接。

2.3 状态控制部分设计

系统运行状态由 STM32 的 GPIOE_3 的输入逻辑电平控 制，连接外部三脚拨动开关，通过判断该引脚的输入逻辑电 平来决定模拟器的工作方式，电平状态改变则系统工作状态 改变。运行状态指示灯（红色 LED 灯）连接引脚 GPIOB_5， 系统运行状态不同则指示灯闪烁运行方式改变。

2.4 供电设计

供电电路采用电平转换芯片 AMS1117-3.3，这是一个 5 V 转 3 V 稳压电源芯片，内部集成有过热保护与限流电路。通过 该芯片，可以实现对模拟器的 3.3 V 供电与 5 V 供电，同时也 可以使用 USB 供电，保证了模拟器在多供电环境的使用。供 电模块还具有供电状态指示灯（蓝色 LED 灯）。

3 系统软件设计

（1）程序初始化：初始化包括串口初始化，定时器初始化， W25Q128 初始化。程序中加入了看门狗，可防止系统因外界 环境的干扰而出现程序跑飞的现象 [9]。为保证模拟器正常稳定 地工作，程序采用轮询方式确定是否改变模拟器的工作状态。

（2） 定 时 器 在串口通信中的 软件 设 计：USART1 和 USART3 采用中断接收字符方式共同使用 Timer7，通过判断 接收到的两个字符间的时间差来断定是否为连续的数据 [10]。 Timer7 是 STM32F103 自带的两个基本定时器之一，定时器中 断优先级为 0，高于串口优先级，采用由下至上的计数方式， 10 ms 进入一次定时器中断，定时器中断中串口接收标记设 置为接收完成，两个字节接收时间间隔小于 10 ms 即认为这 两个字节属于同一字符串，通过定时器来判断接收的字节是 否属于同一次数据，避免两次数据间的干扰。将 USART1 和 USART3 接嵌入式模块。Timer3 是通用定时器，在本设计中 用来记录 USART1 开始透传数据至 USART3 到 USART3 收 到外部数据之间的时间间隔，即实际设备的响应时间，定时器 中断每隔 1 s 进入一次，在中断时间间隔执行自加操作，以一 定的格式将时间间隔写入 FLASH 保存，便于后续读取。

（3）为了保证上位机指令与设备响应正常匹配，W25Q128 中的数据存储格式如图 5 所示。

模拟器模拟设备时析出有效数据，程序流程如图 6 所示。

4 结 语

本设计以模拟美国 TELEDYN 分析仪表公司的多普勒流 速剖面仪（ADCP）以及 Sea-Bird 公司的 SBE39-IM 型温盐深 仪为例，实现了对这些实际仪器IO功能的模拟。通过实验检验， 成功实现了实验室环境下模拟器代替 ADCP 在定时卫星通信 系统中的作用以及代替 SBE39-IM 型温盐深仪在电磁耦合浮标 系统中的作用。