STM32開(kāi)放式開(kāi)發(fā)環(huán)境：釋放創(chuàng)造力的利器

　　市場(chǎng)上涌現(xiàn)各種價(jià)格親民的經(jīng)濟(jì)型微控制器，助力新一代開(kāi)發(fā)者創(chuàng)造令人興奮的新型嵌入式應(yīng)用。如今的開(kāi)發(fā)工具非常好用，軟硬件均呈現(xiàn)模塊化趨勢(shì)，插接安裝簡(jiǎn)單容易，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)評(píng)估和原型開(kāi)發(fā)周期大幅縮短。STM32開(kāi)放式開(kāi)發(fā)環(huán)境是業(yè)內(nèi)獨(dú)一無(wú)二的軟硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，堆疊式插接電路板集成各種模塊化硬件，同時(shí)模塊化軟件覆蓋從驅(qū)動(dòng)程序到應(yīng)用層的全部軟件，幫助設(shè)計(jì)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(jì)。

　　STM32開(kāi)放式開(kāi)發(fā)環(huán)境是什么?

　　STM32開(kāi)放式開(kāi)發(fā)環(huán)境 是意法半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境，以簡(jiǎn)化嵌入式項(xiàng)目設(shè)計(jì)為目標(biāo)，通過(guò)開(kāi)源形式提供全部重要功能模塊，組件包括：

　　- 價(jià)格極低的STM32 Nucleo開(kāi)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(dòng)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(kù)和簡(jiǎn)單好用的軟件庫(kù)配置器(STM32CubeMX )。

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

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

　　- 每個(gè)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(kāi)發(fā)社區(qū)

　　STM32 Nucleo開(kāi)發(fā)板

　　STM32 Nucleo開(kāi)發(fā)板是STM32開(kāi)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(kāi)放式開(kāi)發(fā)環(huán)境所用的STM32 Nucleo開(kāi)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。

　　圖1 – STM32 Nucleo-64開(kāi)發(fā)板

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

　　STM32 Nucleo-64開(kāi)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(guò)38引腳的Morpho連接器可以使用STM32的所有引腳

　　- 四個(gè)Arduino連接器(位置非對(duì)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(wú)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(chǔ)接口(兼容ARM mbed)

　　- 2個(gè)按鍵(微控制器復(fù)位信號(hào)和開(kāi)發(fā)者專用按鍵)

　　- 3支LED燈(5V電源、開(kāi)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(kāi)發(fā)板上的5V電源還用于驅(qū)動(dòng)通過(guò)Arduino或morpho連接器連接主板的擴(kuò)展板，同時(shí)通過(guò)板載穩(wěn)壓器為STM32提供3.3V 電源。

　　STM32 Nucleo開(kāi)發(fā)板功能性極強(qiáng)，板載代碼燒寫/調(diào)試工具非常實(shí)用，設(shè)計(jì)人員可以立即動(dòng)手開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，而無(wú)需添置昂貴的開(kāi)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(kāi)發(fā)板后，下一步是下載相關(guān)的軟件庫(kù)，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(kù)配置器STM32CubeMX (www.st.com/stm32cubemx)。在這個(gè)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(kāi)發(fā)板(圖2)，配置器就會(huì)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(dòng)配置STM32外設(shè)。

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

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

　　最后，STM32CubeMX將生成代碼，創(chuàng)建一個(gè)完整軟件項(xiàng)目，且兼容所用代碼編譯工具鏈(例如IAR、Keil或Eclipse)，同時(shí)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(gè)圖形用戶界面工具讓你從零開(kāi)始創(chuàng)建項(xiàng)目，幾分鐘完成項(xiàng)目所需的全部配置，然后立即動(dòng)手創(chuàng)建自己的軟件項(xiàng)目，直接在main.c文件里寫代碼。

　　圖3 – STM32Cube軟件庫(kù)的層次

　　所生成的代碼位于STM32Cube嵌入式軟件之上，STM32Cube有兩個(gè)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(wú)需開(kāi)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(jì)采用模塊化方法，用戶在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以隨時(shí)添加軟件模塊，輕松地跨系列移植全部項(xiàng)目。

　　STM32 Nucleo擴(kuò)展板

　　為連接STM32 Nucleo擴(kuò)展板，STM32 Nucleo-64開(kāi)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(gè)引腳都在這個(gè)連接器上)。

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

　　STM32 Nucleo擴(kuò)展板讓設(shè)計(jì)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(gè)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(cè)：MEMS 9軸運(yùn)動(dòng)傳感器; 壓力傳感器，環(huán)境傳感器，接近檢測(cè)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(dòng): 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、3相直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

　　- 輸入/輸出: I/O模塊(家庭自動(dòng)化和工業(yè)自動(dòng)化)

　　- 信號(hào)調(diào)理: 運(yùn)算放大器

　　圖4 – 各種型號(hào)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(jì)人員快捷開(kāi)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(gè)問(wèn)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(duì)稱排列設(shè)計(jì)可有效防止STM32 Nucleo擴(kuò)展板連接方向錯(cuò)誤，降低電源連接錯(cuò)誤損壞設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。擴(kuò)展板使用STM32 Nucleo開(kāi)發(fā)板上LDO穩(wěn)壓器通過(guò)板上5V電源生成的3.3V電源，用戶可以使用跳線(JP5)為開(kāi)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(dòng)器和I/O擴(kuò)展板，因此，開(kāi)發(fā)板上還增加一個(gè)電源連接器，利用外部電源驅(qū)動(dòng)負(fù)載，提供更高的電壓Vbus(最高45V)。

　　為安全起見(jiàn)，多數(shù)擴(kuò)展板是為低功率應(yīng)用設(shè)計(jì)，50V以下電壓在電源極性接反或短路時(shí)可以降低板子燒毀風(fēng)險(xiǎn)，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(dú)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(diǎn)，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(dòng)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(dòng)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(kāi)發(fā)板上，幾分鐘就能組建一個(gè)硬件平臺(tái)。不過(guò)，軟件才是設(shè)計(jì)項(xiàng)目中最耗時(shí)的環(huán)節(jié)，通常占用研發(fā)周期70-80%的時(shí)間。STM32Cube將積木式組裝方法帶到軟件設(shè)計(jì)中。軟硬件一致是STM32開(kāi)放式開(kāi)發(fā)環(huán)境的特性之一，因此，每個(gè)STM32Cube擴(kuò)展軟件包都為用戶提供例程，其中包含各種軟件庫(kù)，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(kāi)源軟件。

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