基于STM32和FreeRTOS的溫度測量系統(tǒng)設計

文/趙波

●本文獲得上海海洋大學校級重點課程建設項目（A1-0201-00-1023）資助。

1 引言

溫度是日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中重要的物理量，因此對溫度的測量及監(jiān)測有著重要的意義。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，溫度測量的方法及對溫度信息的采集使用也發(fā)生了很大的改變。本文設計了一種基于STM32F103RBT6單片機及FreeRTOS實時嵌入式系統(tǒng)的溫度測量系統(tǒng)。STM32F103RBT6是一款以ARMCortex-M3為內(nèi)核的高性能微控制器，目前廣泛應用于各種工業(yè)場合。FreeRTOS是一種輕量級可剝奪型多任務實時操作系統(tǒng)，目前得到廣泛應用。

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要包括：STM32 NUCLEOF103RB核心板、0.96寸OLED顯示模塊、串口模塊、DS18B20溫度測量模塊。

STM32 NUCLEO開發(fā)平臺由ST-LINK/V2-1仿真器模塊和主MCU核心板模塊兩個部分組成，是一款易用性好、可擴展性佳的低成本平臺。DS18B20是美國DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器，溫度測量范圍為-55～+128，使用時只需一根信號線，大大簡化了硬件設計。為了實現(xiàn)測量系統(tǒng)與上位機的通許，本系統(tǒng)使用了串口模塊，實現(xiàn)異步串口與USB接口的轉(zhuǎn)換。0.96寸OLED模塊用來實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的顯示，該模塊采用SPI接口與MCU相連，軟硬件設計都較為方便。

3 硬件設計

STM32 NUCLEO-F103RB核心板的板載MCU型號是STM32F103RBT6，該芯片具有豐富的片上資源，本設計中主要使用的資 源 包 括：GPIO、SPI、USART等。 該 核心板默認不帶外部晶振，本設計使用的是STM32F103RBT6芯片的內(nèi)部振蕩電路，工作頻率配置為64MHz。STM32F103RBT6有2個片內(nèi)SPI接口，設計中使用SPI2與OLED相連。串口模塊與STM32F103RBT6的USART2相連實現(xiàn)核心板與上位機的通訊。DS18B20測溫模塊經(jīng)上拉電阻與STM32F103RBT6的GPIO相連實現(xiàn)測溫控制。設計中使用STM32CubeMX進行引腳分配并初始化。

4 軟件設計

本文利用STM32CubeMX可視化工具對STM32F103RBT6單片的GPIO、SPI、USART的工作模式和相關(guān)參數(shù)進行配置完成初始化工作，并導入以上片上資源的HAL庫文件，生成Keil工程。利用HAL庫函數(shù)編寫了DS18B20、OLED、異步串行口模塊的驅(qū)動程序。

4.1 系統(tǒng)任務設計

FreeRTOS是一個輕型的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，功能包括：任務管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理、記錄功能、軟件定時器、協(xié)程等，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。FreeRTOS內(nèi)核支持優(yōu)先級調(diào)度算法，每個任務可根據(jù)重要程度的不同被賦予一定的優(yōu)先級，CPU總是讓處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級最高的任務先運行。FreeRTOS內(nèi)核同時支持輪換調(diào)度算法，系統(tǒng)允許不同的任務使用相同的優(yōu)先級，在沒有更高優(yōu)先級任務就緒的情況下，同一優(yōu)先級的任務共享CPU的使用時間。本文將整個系統(tǒng)程序劃分為3個任務進行實現(xiàn)，任務函數(shù)名稱、優(yōu)先級分配、任務功能如表1所示。

系統(tǒng)任務中，DS18B20溫度測量任務優(yōu)先級最低，OLED顯示和串口發(fā)送任務優(yōu)先級較高。正常工作時應該首先獲得測量數(shù)據(jù)，然后再進行顯示和傳送。為了實現(xiàn)這一工作流程，在這里使用了FreeRTOS的消息隊列功能。TASK_1完成一次溫度測量后，發(fā)送消息隊列給TASK_2。TASK_2在接收到TASK_1的消息隊列之前處于阻塞狀態(tài)，即使有較高優(yōu)先級也不會被系統(tǒng)調(diào)度執(zhí)行，只有接收到TASK_1的消息隊列之后才會被調(diào)度執(zhí)行。TASK_2在執(zhí)行過程中會向更高優(yōu)先級的TASK_3發(fā)送消息隊列，使處于阻塞狀態(tài)的TASK_3進入就緒狀態(tài)，從而被系統(tǒng)調(diào)度執(zhí)行。這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)設計目的。

4.2 任務代碼實現(xiàn)

FreeRTOS 9.0的任務創(chuàng)建函數(shù)為xTaskCreate，該函數(shù)為實時操作系統(tǒng)中主要的函數(shù)，利用這個函數(shù)可以創(chuàng)建對所需要完成的任務的控制塊。

根據(jù)以上設計思想，系統(tǒng)需創(chuàng)建3個任務。任務創(chuàng)建代碼如下：

為了實現(xiàn)任務間的數(shù)據(jù)傳遞和系統(tǒng)的調(diào)度，本設計用到了FreeRTOS隊列功能，因此也創(chuàng)建了兩個隊列對象：

xQueue1=xQueueCreate(1,sizeof(int));//新建隊列

xQueue2=xQueueCreate(1,sizeof(int));

表1：任務信息

任務Task_1的代碼如下：; // 進入臨界區(qū)，防止破壞DS18B20讀寫時序

任務Task_1每隔100ms進行一次溫度測量，測量完成后，利用FreeRTOS的隊列將溫度數(shù)據(jù)傳遞到已經(jīng)創(chuàng)建好的隊列xQueue1中。該隊列中的數(shù)據(jù)可以被任務Task_2讀取，從而實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的顯示。

任務Task_2的代碼如下：

任務Task_2從隊列xQueue1讀取溫度數(shù)據(jù)，并利用OLED進行顯示，顯示完畢后，再將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給隊列xQueue2。當隊列xQueue1為空時，任務Task_2處于阻塞狀態(tài)，直到隊列中有數(shù)據(jù)到來。

任務Task_3從隊列xQueue2讀取溫度數(shù)據(jù)，利用異步串口發(fā)送至上位機。當隊列xQueue2為空時，任務Task_3處于阻塞狀態(tài)，直到隊列中有數(shù)據(jù)到來。

在FreeRTOS實時操作系統(tǒng)的調(diào)度下，系統(tǒng)完成測量、顯示、上位機數(shù)據(jù)傳送等任務。實驗證明該設計能夠達到既定的目的。

5 總結(jié)

本文在設計過程中，利用STM32cubeMX開發(fā)工具實現(xiàn)了FreeRTOS的快速移植。對系統(tǒng)任務及優(yōu)先級進行了合理劃分，實現(xiàn)了預期的設計目的。高效的開發(fā)工具降低了開發(fā)難度，縮短了開發(fā)時間。FreeRTOS實時嵌入式操作系統(tǒng)的引入使系統(tǒng)設計更加靈活簡便，并且能夠方便的進行功能擴展。如果要實現(xiàn)多路溫度測量或增加其他功能，在本系統(tǒng)的基礎上增加相應的任務即可實現(xiàn)。