基于STM32H743设计UI界面心得（还没写完）

原料

硬件：STM32H743最小系统板，显示屏（7寸，型号7016），SW下载器，PC，

软件：CUBEMX4.26.0 (软件包1.3.2), MDK5 (软件包版本2.3.1)

 ①环境配置

　　1-时钟配置

　　时钟来源是外部25MHZ的晶振，系统配置后，CPU运行主频400MHZ，其余各个外设的时钟如配置图所示

2-外设配置

根据我们需要用到的硬件设备，配置相应的外设。我们工程中需要用到的硬件设备有：超声波探针-输出模拟信号；7inch RGB显示屏(1024*600)-LTDC接口；wifi模块-UART；开发板自拓展的W9825G6KH(SDRAM)。因此需要用到的外设有：一个ADC，一个串口，FMC(扩展SDRAM)，LTDC，其他一些IO口-用于指示灯之类的。OK，了解目标以后，我们的配置就明确多了：

　　　　（1）配置SDRAM：

首先在Pinout界面进行如下的配置

  　　再进入configuration界面后，对FMC进行一定的配置（具体为什么这么配置参考FMC使用手册），IO映射没有问题，无需改动。点击Connectivity-FMC

 这是CUBEMX帮我配置的驱动，但是对于具体的硬件使用，这是不够的，我们还要对工程添加自己的驱动，再工程中添加以下一些文件，SDRAM部分主要是发送初始化序列。

之后我们打开工程验证一下。我们定义一个1024*1024的u8类型数组（大小为1MB），地址分配在0XC00000000（SDRAM地址起始位置），并在main中对其使用（赋值即可），可以发现，如果不使用外扩的内存，仅仅依靠芯片本身的1056MB（其中包含仅CPU和DMA访问的内存，并且地址不连续）的SRAM，系统是无法运行的，因为运行内存不够，但是经过我们外扩SDRAM后，内存扩展了32MB，此时可以满足运行条件，系统正常工作。

 至此，我们的SDRAM已经配置完成，可以将其用于液晶显示屏的显存运行内存。

　　　　（2）配置LTDC：

用CUBEMX帮我们配置的外设IO引脚和我们实际接口有出入（重映射），需要我们手动更改引脚配置以满足实际需求。我们对比正点原子写的驱动配置和CUBEMX的驱动配置：

  　　　　　　发现主要需要改动的引脚有：

　　把所有的IO速度都配置为GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH，最后再添加PB5用于控制显示屏的背光，直接配置为OUTPUT即可

其实到这一步，我们的配置是不完整的，我们再添加正点原子官方写的驱动，稍作修改，即完成配置（这里解释一下既然用的是别人的驱动，为什么上面还要这么复杂的配置：是因为CUBEMX生成工程文件后，我们的初始化中用到HAL_LTDC_MspInit函数存在重复定义，因此我们舍弃原子哥写的函数，不然每次都要再fmc.c中添加__weak，太麻烦了，所以我们对上面的IO配置后，相当于让软件配置的HAL_LTDC_MspInit代替原子哥的函数）。

至此，我们完成了LTDC接口的全部配置，在atk_ltdc.c中，我们声明了一个长度为1024*600的u16类型的二维数组（2*600*1024B=1200KB=1.2MB），用于RGB显示屏的运行显存，这也就体现了为什么使用RGB显示屏一定要先拓展内存的理由。

（3）QSPI

QSPI是一种高速SPI，一共有6个线（4根信号线，1根时钟线，1根片选线），我们用该方式实现与FLASH的通讯。先在CUBEMX面板进行配置

同样，需要更改一下默认的配置，包括参数配置和IO配置，具体如下：

  IO修改如下：

1：QUADSPI_BK1_NCS　　PB10　　->　　PB6

2：QUADSPI_BK1_IO2　　PE2　　->　　PF7

 （4）USB_OTG_FS

这个外设服务于上层软件USB_DEVICE使用的，这里只需简单配置即可，在CUBEMX的界面打开他的配置：

 一切都按系统给我们默认配置即可，无需更改。改外设对应的IO为：

PA12: USB_OTG_FS_DP

PA11: USB_OTG_FS_DM

（5）Timer, RNG (太简单，不介绍)

    　　3-软件

（1）嵌入式操作系统

在一个复杂的嵌入式应用中，操作系统的使用可以极大提高系统运行的鲁棒性和效率，整个系统各任务的执行可以不用再拘泥于中断，事件等。本次实验是为了以后研发产品做基础，因此，操作系统的嵌入式是非常有必要的。小型嵌入式操作系统种类有很多，比如FREERTOS,UCOSII,UCOSIII,RTThread等，CUBEMX软件可以帮我们搭建FREERTOS的框架，只需要在图形配置界面简单操作，即可省区繁琐的系统驱动移植过程。下面就介绍如何在CUBEMX中配置我们的嵌入式操作系统。

我们在MiddleWares中Enable一下FREERTOS

将一个定时器配置为操作系统的滴答时钟，比如下面的配置中我们用的是TIM6，因为这个定时器功能最少，少一个也没什么影响

  进入configuration界面，点开freertos，进入配置界面，配置如下：

  红色框中的参数建议修改一下，这些分别是：单个任务配置的stack空间大小，任务名最大长度，是否使能计数信号量，操作系统总内存。其他参数按照默认的就行了，然后我们就可以开心的添加任务了，再配合信号量，计时器，互斥量等工具，就可以顺利地让操作系统运行起来了。

比如在我地另一个嵌入式应用中，我一共创建了十几个任务，通过共享一些信号量，可以保证整个进程有条不紊地运行，关于操作系统的工作原理，建议百度简单了解一下。

另外，我们还可以看到FreeRTOS中内存的分配情况，提醒一下，有些任务可能需要的运行内存较大，比如你在里面定义了一个长数组，如果分配的内存不足的话，系统运行会出现问题。

好了，现在我们添加两个任务，简单控制一下两个LED的Blink：

最后再生成工程文件，打开进入freertos.c中，再任务函数中简单加入控制LED的代码

可以看到整个框架已经帮我们搭好了，加深的代码就是我们添加的控制代码。

至此，我们的嵌入式操作系统已经配置完了。

（2）FATFS文件系统

文件系统可以让我们数据规范化的保存和传递，对于一般的小型嵌入式应用，如果需要实现数据可视化，一个好的文件系统可以提供极大的帮助。举个例子，比如我们做了一个记录空气温度，湿度的设备，数据记录后上传给服务器，再在后台处理，传递的方式一种是直接通过一些通讯方式，比如USART,SPI,IIC等，但是这些都会涉及到通讯协议，还有一种方式是直接将存有数据的文件，比如CSV,TXT文件，传递给后台。显然，传递文件的形式肯定更受欢迎，相应的API也方便调用，这就是使用文件系统的必要性。

说起文件系统，就必须要谈到内存的问题了，这个内存不是我们之前说的运行内存（RAM），因为这些内存掉电以后数据就消失了，而是硬盘内存。然而，STM32H743自带的FLASH只有2M，还要考虑到程序和常量的存放问题，所以我们一般是需要外部扩展内存的。这里需要用到QSPI接口拓展一个32MB的FLASH（NAND FLASH和SD卡也是不错的选择，这里选择SPI FLASH的原因是我们的最小系统板已经帮我们扩展好了这样一块内存，就直接拿来用了，当然你再买一块SD卡插在SD卡槽里也是没有问题的，外设需要再相应的配置一下）

在CUBEMX的帮助下，我们配置FATFS文件管理系统的效率将会大大提升：

首先，在主界面，将FTAFS配置为User-define，这样一来，我们就可以自定义接口操作了。

然后进入configuration界面，对FATFS进行详细配置：

这当然还没结束，我们现在仅仅是把这个框架搭了起来，打开工程文件后，我们还要在user-diskio.c里面配置我们的读写API接口，显然，这里我们要将文件管理系统和SPI FLASH联系起来，因此，具体操作如下：

这时我们的文件管理系统才算配置完成，但是如果想要运行，还需要对这个磁盘格式化，也就是说，让我们操作的最小扇区大小和磁盘格式化的单元大小一致（512B），我们通过将SPI FALSH以USB的方式连接到PC上，再在PC上对其格式化。

（3）USB DEVICE

USB_DEVICE属于中间层的软件，基于底层的外设USB_OTG_FS或者USB_OTG_HS，由于后者需要额外配置高速的物理层，在本应用中我们使用前者，该软件可以配置为多种应用，本应用中我们配置为大容量存储设备MSC（最后一个），这样配合文件管理系统可以方便的管理我们设备中的数据和文件。

 在configuration界面也无需对其进行更改，按照默认的参数即可。但是运行USB_DEVICE软件必须用较大的堆内存（heap）支持，否则会运行失败，因此在生成文件的设置中，我们将heap的内存由512B 增大为8KB.

生成软件后，我们还需要配置对应的接口，将USB与SPI FLASH联系起来，具体接口在usbd_storage_if.c文件里，主要是读写接口的配置，另外最好在使用之前使能USB电压检测。

在usb_device.c中使能电压检测：

最后测试后我们获得：

  可以看到，我们的上层应用USB DEVICE和FATFS都运行正常，windows系统下查看其目录：

这两个文件就是我们刚才在STM32中创建的。

（4）触摸屏驱动

我们的显示屏与MCU是通过40-pin软排线连接起来的，这40根线中，除了控制显示屏必须的LTDC接口线外，还有IIC线，用于完成触摸屏的位置读取功能。显示屏的型号是7016，这种显示屏的触摸驱动芯片是GT911，对此，我们需要编写专门的驱动软件，好在已经有人写过相关的控制例程，我们只需要把里面的驱动软件拷贝过来即可。

我们将这几个文件复制到工程目录下，atk是指开发作者为正点原子团队，ctiic是IO驱动，里面包含了IIC控制总线的驱动程序，gt911是触摸驱动芯片GT911的驱动软件，主要是配置芯片的初始化程序以及信号IO配置等，touch是较上层的驱动软件了，也是我们开发时主要需要参考的文件。

文件加入工程后，我们在程序中运行触摸屏的初始化代码（先要初始化显示屏），再运行触摸屏的测试程序：

 ②硬件

我们再复习一下上面提到的各种硬件设备，并附图：

1-显示屏

我们用的显示屏类型为RGB显示屏，色彩配置为RGB565（如果是ARGB8888，那需要的运行内存就要大一倍，小的嵌入式应用没有这个必要，565色彩已经很丰富了），大小为7inch，型号为7016（像素1024*600），通过LTDC接口与CPU交流，接线中通过40-pin的软排线连接

 2-内存

（1）SDRAM

该内存主要用于申请显示屏的运行内存，也是我们的最小系统板帮我们拓展好的（贴心），大小32MB（实际只用到1.2MB左右），内存地址0XC0000000，通过FMC接口与CPU交流

下图我们程序的运行内存，可以看到，运行内存差不多也就1.2MB多一点，和我们的理论值差不多

（2）SPI FLASH

这部分的内存是给我们的文件系统的，或者存放中文字库也可以，可以用SD Card或者其他内存盘代替。所用硬件为W25Q256，通讯方式为SPI，大小32MB

（3）SD Card

等我什么时候买了SD卡再更新吧

3-USB

由于该最小系统板只集成了最基础的USB硬件，没有集成高速物理芯片，因此我们只能使用USB_OTG_FS功能。

 4-传感器

③数据处理

本设计中用到了DSP，先简单介绍一下DSP：DSP全称Digital Signal Process，数字信号方法，我们在获取一段数字信号后，经常会对这段信号进行一些处理，比如滤波，提取特征，时频域转换等，这些操作当然也可以通过自己编写代码的方式实现，但是DSP芯片的出现就大大加速了中间的计算速度，这都要归功于DSP芯片对于数据处理方式，比如一般我们处理两个32位数的相乘可能需要几个机器周期，但是，在DSP指令集的帮助下，只需一个周期即可完成该运算。

DSP芯片指的是包含了DSP指令集的微处理器，STM32F1,F3系列的芯片是Cortex-M1和Cortex-M3架构，不包含DSP指令集，我们用的芯片是STM32H743，是Cortex-M7架构的，包含了FPU运算单元（一种加快浮点数运算的物理单元）和DSP指令集，另外，已有现成的DSP库可供我们使用，这些库中包含了很多方便的信号处理算法：

我们重点需要用到最后一个库，TransformFunctions。包括复数 FFT（CFFT）/复数 FFT逆运算（ CIFFT）、实数 ）、实数 FFT（RFFT）/实数 FFT逆运算（ RIFFT）、和 ）、和 DCT（离散余弦变换）和配套的初始化函数。 

使用相关的库需要我们手动将库文件添加进工程中，并且添加全局宏定义ARM_MATH_CM7,__CC_ARM,ARM_MATH_MATRIX_CHECK,ARM_MATH_ROUNDING：

配置完后，我们就可以调用其中的函数对我们的数据处理了。这里我们自己利用三角函数创建一个波形

即：A(t) = 10sin(w1*t)+30*sin(w2*t)+5*cos(w3*t)，然后利用STM32的硬件随机数添加噪声，产生的时域波形在显示屏上表现为：

图中，上面的是波形图，下面的是频谱图，可以看到，在频率等于2，5，10三个位置，频谱的能量远大于其他频率的能量值。通过仿真器我们可以进一步读出频率段的能量值：

在仿真器中，我们可以看到傅里叶变换结果中，频率为0，2，5，10的能量值尤为突出，但0频率值我们一般不予考虑（多由于环境因素造成），而且这三个能量的比值为5108:15392:2607，和我们在时域上定义的值10：30：5刚好对应，证明了DSP库函数的科学性。在这里，我们还可以用定时器统计进行一次傅里叶转换所需要的时间：

配置一个通用定时器（工作频率200MHZ），分频系数设置为199(每1us计数一次)，通过读取CNT寄存器的数值，可以计算代码运行时间：

我们可以得到，计算一次傅里叶转换+波形显示所需要的时间大约为8ms，因而在我们的嵌入式实时操作系统中，可以设置较低的刷新频率（10HZ左右），以实现实时计算频谱。

④GUI界面设计

相信到这一步，基本工作已经做完了，后面的工作就比较有趣了，主要是在FreeRTOS框架下编写GUI库，设计界面。