标签: STM32F107

针对目前嵌入式收款机系统在功能和性价比方面存在不足的问题，介绍了一种基于Cortex M3芯片的嵌入式收款机系统。该系统功能全面、性能良好、界面完善、具有故障分析和机器自检功能。运行结果表明，该系统实现了预期目标。 本文介绍了以STM32F107 单片机为核心的POS 机、数据采集和数据输出的小规模销售系统。目前的嵌入式收款机系统在硬件和软件方面在成本上没有有效的控制，在功能上没有很充分地开发。而此款POS 系统平台则拥有成本低廉、操作方便、易于自检维修等方面的优势。 POS 机的基本作业原理是先将商品资料输入进SPIFlash 中存储，商品上的条码可以通过扫描枪上的光学读取设备直接读入，根据条形码在收款机内存中的商品数据库找到该商品的相关内容，当然也可以直接用键盘输入条形码。每一笔商品销售明细资料亦可自动统计，并且最多可以存一万笔以上交易记录。 1 系统设计 1.1 硬件结构 本系统采用ARM Cortex M3 为内核的32 位微处理器STM32F107VC，其主频为72 Hz，该芯片内部采用哈佛结构，内部集成了最大存储空间为256K 的Flash和64K 的SRAM，还有大量的I/O 口和外设(2 个I 2 C 总线，3 个SPI，2 个I 2 S，5 个USART，2 个CAN 等等)连接在2 个APB 总线上。 该系统硬件主要包括:收款数据处理模块、收款程序存储模块、收款数据存储模块、串口调试模块、收款显示模块、报表打印模块、USB 模块。系统硬件结构框图如图1所示。 图1 系统硬件结构框图 系统的实物图如图2 所示。 图2 系统的实物图 在初始化时，为了便于用户或者维修人员及时了解设备运转情况和数据存储情况，调试信息务必显示在液晶屏上。通过CH452 键盘将中英文输入信息输入到设备上，通过扫描枪将商品中的条形码读取到设备中，最后还可将交易记录输出到小票打印机上，最多可以一次性记录一万次交易信息。交易信息、用户等资料存放在SPI Flash中，时钟信息放在RTC 备用器中。 1.2 外设设备 1.2.1 输入/输出接口芯片和数码管显示芯片 CH452 是数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片，可以同时进行64 键的键盘扫描和8 位数码管的操作，具有BCD 译码、闪烁、移位、段位寻址等功能，还能对CPU 提供上电复位信号。 本次研究对象中CH452的LCD 交换数据功能是通过级联的4 线串行接口完成的。在键盘扫描期间，DIG7~DIG0 引脚用于列扫描输出，并且可以依次从DIG0 ~DIG7 输出高电平，同时其余的引脚置0。SEG7 ~SEG0引脚都带有内部下拉电阻，用于行扫描输入，在键盘扫描期间输出被禁止。 启用键盘扫描功能后，4 线串行接口中的DOUT 引脚的功能由串行接口的数据输出变为键盘中断输出以及按键数据输出。如果有DIGm(m=0，1，2…7)与SEGn(n=0，1，2 …7)的键被按下，那么当DIGm 输出高电平时，SEGn 可以检测到高电平;如果按键有效，按键产生的代码通过DOUT 引脚就能够产生中断，CPU 则用串行接口来读取代码。 另外，CH452 仅支持每次同时按下一个键，如果有多个键值按下，则取按键代码较小的按键。 表1、表2 是在DIG7~DIG0 与SEG7~SEG0 之间8×8 矩阵的按键编址，按键按下时，状态码位6 总是置1，而按键代码共有7 位，所以当键按下时，CH452 所提供的实际按键代码在下表中的按键编址基础上偏移40H。也就是说，本文设定的按键代码的取值范围应该在40H~7FH 之间。 CH452 还可以控制8 个数码管和64 个LED 灯，在这次项目中根据不同的界面可以用来显示时间、商品价格等可以用数字表示的参数。 CH452 与作为CPU 的STM32 的连接方式如图3 所示。 图3 CH452 与STM32F107VC 的连接 1.2.2 存储设备 W25X16 是华邦公司推出的继W25X10/20/40/80 后容量更大的FLASH 存储器产品，它有占用空间小、使用寿命长、功耗较低等优点。W25X16 能容纳2 MB，分布在8 192 个编程页上。它分为32 个块，每个块由16 个扇区组成，W25X16 的最少擦除单位就是一个扇区(4 KB)。W25X16 与STM32F107VC 的连接方式如图4 所示。 图4 W25X16 与STM32F107VC 的连接 1.2.3 打印机 本次项目采用热敏打印机来输出每次交易信息。商宝热敏打印机支持并口、串口、USB、LAN 网络等途径传输数据，带有384 个方点的带加热点阵固定打印头。打印机通过CPU 传输的数据逻辑控制点阵，并且控制进纸，从而在热敏纸上印出字体，打出顾客需要的包含交易信息的小票。 1.2.4 扫描输入设备 扫描枪利用收集到的条形码上强弱不同的反射光，经过光学系统成像通过光电转换器将光信号转换成电信号，译码器根据测量而来的脉冲信号0、1 来判别条和空的数目，得到的数据还要通过对应的编码规则(比如本次项目所用的扫描仪运用EAN 13 码)转换成条形码序列号。 1.2.5 显示设备 TFT LCD 因其具有大容量、高速度和高对比度显示等，成为当前显示领域的主流。LCD 利用了液晶的电光效应，通过电路控制液晶单元的透射率及反射率，从而产生不同灰度层次及多达1670 万种色彩的靓丽图像，显示需要的英文和汉文信息都是通过点阵原理完成的。 本次项目采用SSD1289 液晶显示屏来输出收款机各个界面，SSD1289 是一款带有262 144 种颜色的薄膜场效应管LCD 的控制器，它的屏幕尺寸为57 mm×79 mm，有效显示面积为51 mm×65 mm。它具有240×320 的分辨率，SSD1289 具有4 种接口模式:i8080 的MPU 接口、VSINC 接口、SPI 接口和18 位RGB 接口。STM32F107VC 通过FCMS 总线来控制LCD 的驱动。液晶与STM32F107VC 的连接方式如图5 所示。 图5 SSD1289 与作为CPU 的STM32F107VC 的连接 下列是液晶部分的初始化操作。 ① 打开晶振: LCD_WriteReg(0x0000，0x0001); ② 驱动输出控制(240×320 的分辨率): LCD_WriteReg(0x0001，0x6B3F); ③ 扫描开始地址: LCD_WriteReg(0x000F，0x0000); 而液晶屏如果要显示色彩缤纷的图像或者文字就需要软件对它进行控制，而这是具有一定复杂度的，下列是液晶部分的部分高级函数操作。 (1 )设置光标函数 Set_LCD_Cursor(u8 x，u16 y，u8 CursFlag，u32 CursCycleTime，u8 high，u8 width); 其中，x，y 是光标闪烁的位置;CursFlag=1 表示显示光标;CursFlag=0 表示不显示光标;CursCycleTime 是光标闪烁的周期;high 和width 则分别表示光标的高度和宽度。 (2)画线函数 LCD_DrawLine(u8 x，u16 y，uint16_t Length，uint8_t Direction，u16 LineColor); 其中，x，y 是位置坐标，Length 是指线的长度，Direction是指线的朝向，LineColor 则设定线的颜色。 (3)显示汉字 LCD_Disp_HZ_CharString(u8 x，u16 y，u8 *str，u16fontcolor，u16 backcolor); 其中，x，y 是位置坐标，str 指针指向汉字或英文字符编码fontcolor，backcolor 分别显示字符显示颜色和背景颜色。 2 软件框图 根据项目的整体规划，管理员及收银员软件系统框图分别如图6、图7 所示。 图6 管理员系统软件结构框图 3 系统的运行情况 3.1 机器自检 该套电子设备具有机器自检功能，用户通过输入管理员密码进入“设置”，然后再进入“机器测试及其结果显示”就能够及时了解机器运行是否正常，如图8 所示。 图7 收银员系统软件结构框图 图8 机器测试及其结果显示 3.2 运行结果 在执行“登陆”→输入“收银员”密码→“收款”，然后就可以出现收款界面。这个时候无论用扫描枪和商品编号输入数字，都可以把商品编号输入在框内，而且数量框也可以自行输入每件商品的数目，然后按回车键结账。最后，能够在打印机上显示打印小票，并且在LCD 上显示收款界面收款界面——编者注。 如果想要录入商品信息，可以执行“登陆”→输入“管理员”密码→“录入商品信息”，然后就可以出现录入商品信息界面略——编者注。此时，可以按中英文输入切换键和大小写切换键分别切换输入的语言和英文大小写。 结语 使用STM32F107VC 作为便携式POS 机的硬件平台，能够较大幅度地降低成本，操作更加便利，同时POS机的基本功能并没有因此而减弱。而POS 机功能在STM32F107VC 上的开发还可以更加充分，比如利用USB接口把更多的重要资料存储在上位机中等。

本人之前在STM32F107上做过UCOS+LWIP，参照网络上一些资源修改了sys_arch.c/sys_arch.h，对tcpip_thread 的优先级、以及与之对应的lwip_timeouts、static struct sys_timeouts lwip_timeouts 的LWIP_TIMEOUT_AMOUNT理解不到位，另外网上流传的sys_mbox_t sys_mbox_new(int size)实现方法好像也是不是很好，我修改如下： //*------------------------------------------------------------------------------------------------ //* 函数名称 : sys_mbox_new //* 功能描述 : 建立一个空的邮箱 //* 入口参数 : 无 //* 出口参数 : - != SYS_MBOX_NULL : 邮箱申请成功，返回一个指向被申请邮箱的指针 //*          : - = SYS_MBOX_NULL  : 邮箱没有申请成功 //*------------------------------------------------------------------------------------------------ sys_mbox_t sys_mbox_new(int size) {     u8_t       ucErr;     sys_mbox_t pQDesc;         pQDesc = OSMemGet( pQueueMem, ucErr );     if( ucErr == OS_NO_ERR ) {                 //移植说明中有“邮箱用于消息传递，用户即可以将其实现为一个队列，允许多条消息投递到这个邮箱，                 //也可以每次只允许投递一个消息，这两种方式lwip都可以正常运行。不过，前者更有效。”                 //TCPIP_MBOX_SIZE，                 //DEFAULT_RAW_RECVMBOX_SIZE,                 //DEFAULT_UDP_RECVMBOX_SIZE,                 //DEFAULT_TCP_RECVMBOX_SIZE                 //DEFAULT_ACCEPTMBOX_SIZE 在opt.h 定义为0                 //可以 lwipopts.h 可以对上述宏重新定义，而在opt.h中有                 //* The queue size value itself is platform-dependent, but is passed to         //* sys_mbox_new() when xxxxxxx is called.                 //因此把 size 固定 MAX_MSG_QUEUES         //pQDesc-pQ_Mbox = OSQCreate( (pQDesc-pvQ_msgQueue ), size );   //                 pQDesc-pQ_Mbox = OSQCreate( (pQDesc-pvQ_msgQueue ), MAX_MSG_QUEUES );        //            if( pQDesc-pQ_Mbox != ((OS_EVENT *)0 ) ) {             return pQDesc;         }     }     return SYS_MBOX_NULL; } 对struct sys_timeouts *sys_arch_timeouts(void)的实现，网上流传很多版本 我也请教过bernard，他这样回复： / //lwip的移植是这样的： //通常lwip那边的线程需要使用sys_thread_new来创建，然后和网络相关的定时器都统一的放在一个列表上（基本上原来netconn、socket的API都仅能够应用于sys_thread_new创建的线程上） // //为了解除这个限制，所以和定时器相关的都仅应用于lwip自己的线程，而其他则不采用这种方式。当使用sys_thread_new创建线程时，会把定时器链表放到thread-user_data域上面。所以这也就是这个返回NULL的来由： //仅有使用sys_thread_new创建的线程才能够获得这个定时器，在其他线程中调用sys_arch_timeouts()函数只能够返回NULL。 // 下列是我的修改的： struct sys_timeouts *sys_arch_timeouts(void) {         OS_TCB curr_task_pcb;         u8_t curr_prio;         s16_t offset;         //        null_timeouts.next = NULL;                 OSTaskQuery(OS_PRIO_SELF,curr_task_pcb);                 /* 获取当前线程的优先级 */         curr_prio = curr_task_pcb.OSTCBPrio;                 offset = curr_prio - LWIP_START_PRIO;                 if(offset 0 || offset = LWIP_TIMEOUT_AMOUNT)      /*如果不是LwIP的线程，那么返回timeouts-NULL*/         {                 //return null_timeouts;                 return NULL;         }                 return lwip_timeouts ; } 修改下来，测试效果还好，不过本人能力有限，对这些修改、理解，心里也是没有底。 刚好st官网上有STM32F2X7+FreeRTOS+Lwip的例程，所以就有参照STM32F2x7_ETH_LwIP_V1.1.0做修改的冲动，以适用STM32F107芯片。 附件是STM32F107+FreeRTOS+Lwip的源码以及一个socket client的例程源码。 对于socket编程，大多例程都是： 1、建立socket 2、连续socket 3、发送数据 4、关闭socket 这样做进行简单的测试是没有问题的。在一些数据采集设备，一般设备做为“客户”端，也是一直连接到主站服务器端，一是为定时上传数据，而是供主站服务器端随时召唤数据。这样的例程就不能满足了。 例程里“客户端”就是长连接，一直等到接收数据，本例程只是简单把接收的数据回送到服务器端。在实际使用中，可根据需要处理数据。 当然在建立另一个任务中，专门来处理发送数据。特别注意的是需要加互斥量做保护。 例程使用了lwip_select函数，网上找关于select说明感觉不错，摘录如下： Select在Socket编程中还是比较重要的，可是对于初学Socket的人来说都不太爱用Select写程序，他们只是习惯写诸如 connect、accept、recv或recvfrom这样的阻塞程序（所谓阻塞方式block，顾名思义，就是进程或是线程执行到这些函数时必须等待某个事件的发生，如果事件没有发生，进程或线程就被阻塞，函数不能立即返回）。可是使用Select就可以完成非阻塞（所谓非阻塞方式non- block，就是进程或线程执行此函数时不必非要等待事件的发生，一旦执行肯定返回，以返回值的不同来反映函数的执行情况，如果事件发生则与阻塞方式相同，若事件没有发生则返回一个代码来告知事件未发生，而进程或线程继续执行，所以效率较高）方式工作的程序，它能够监视我们需要监视的文件描述符的变化情况——读写或是异常。下面详细介绍一下！ Select的函数格式(我所说的是Unix系统下的伯克利socket编程，和windows下的有区别，一会儿说明)： int select(int maxfdp,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set *errorfds,struct tim *timeout); 先说明两个结构体： 第一，struct fd_set可以理解为一个集合，这个集合中存放的是文件描述符(file descriptor)，即文件句柄，这可以是我们所说的普通意义的文件，当然Unix下任何设备、管道、FIFO等都是文件形式，全部包括在内，所以毫无疑问一个socket就是一个文件，socket句柄就是一个文件描述符。fd_set集合可以通过一些宏由人为来操作，比如清空集合FD_ZERO (fd_set *)，将一个给定的文件描述符加入集合之中FD_SET(int ,fd_set *)，将一个给定的文件描述符从集合中删除FD_CLR(int ,fd_set*)，检查集合中指定的文件描述符是否可以读写FD_ISSET(int ,fd_set* )。一会儿举例说明。 第二，struct tim是一个大家常用的结构，用来代表时间值，有两个成员，一个是秒数，另一个是毫秒数。 具体解释select的参数： int maxfdp是一个整数值，是指集合中所有文件描述符的范围，即所有文件描述符的最大值加1，不能错！在Windows中这个参数的值无所谓，可以设置不正确。 fd_set *readfds是指向fd_set结构的指针，这个集合中应该包括文件描述符，我们是要监视这些文件描述符的读变化的，即我们关心是否可以从这些文件中读取数据了，如果这个集合中有一个文件可读，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可读，如果没有可读的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值。可以传入NULL值，表示不关心任何文件的读变化。 fd_set *writefds是指向fd_set结构的指针，这个集合中应该包括文件描述符，我们是要监视这些文件描述符的写变化的，即我们关心是否可以向这些文件中写入数据了，如果这个集合中有一个文件可写，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可写，如果没有可写的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值。可以传入NULL值，表示不关心任何文件的写变化。 fd_set *errorfds同上面两个参数的意图，用来监视文件错误异常。 struct tim* timeout是select的超时时间，这个参数至关重要，它可以使select处于三种状态，第一，若将NULL以形参传入，即不传入时间结构，就是将select置于阻塞状态，一定等到监视文件描述符集合中某个文件描述符发生变化为止；第二，若将时间值设为0秒0毫秒，就变成一个纯粹的非阻塞函数，不管文件描述符是否有变化，都立刻返回继续执行，文件无变化返回0，有变化返回一个正值；第三，timeout的值大于0，这就是等待的超时时间，即 select在timeout时间内阻塞，超时时间之内有事件到来就返回了，否则在超时后不管怎样一定返回，返回值同上述。 返回值： 负值：select错误 正值：某些文件可读写或出错 0：等待超时，没有可读写或错误的文件 在有了select后可以写出像样的网络程序来！举个简单的例子，就是从网络上接受数据写入一个文件中。 例子： main() {     int sock;     FILE *fp;     struct fd_set fds;     struct tim timeout={3,0}; //select等待3秒，3秒轮询，要非阻塞就置0     char buffer ={0}; //256字节的接收缓冲区       while(1)    {         FD_ZERO(fds); //每次循环都要清空集合，否则不能检测描述符变化         FD_SET(sock,fds); //添加描述符         FD_SET(fp,fds); //同上         maxfdp=sockfp?sock+1:fp+1;    //描述符最大值加1            switch(select(maxfdp,fds,fds,NULL,timeout))   //select使用         {             case -1: exit(-1);break; //select错误，退出程序         case 0:break;  //再次轮询         default:                   if(FD_ISSET(sock,fds)) //测试sock是否可读，即是否网络上有数据             {                         recvfrom(sock,buffer,256,.....);//接受网络数据                         if(FD_ISSET(fp,fds)) //测试文件是否可写                             fwrite(fp,buffer...);//写入文件buffer清空;                    }// end if break;           }// end switch      }//end while }//end main