STM32开发实战：LabVIEW卷

作为学习LabVIEW与32位微处理器STM32的入门级教材，本书从LabVIEWforARM嵌入式软件架构入手，在分析STM32芯片内部每个功能模块的基础上，着重介绍使用LabVIEW对其进行编程的工作原理和开发过程，让读者知其所以然。同时，本书还配套了40个实验例程和经典案例，帮助读者快速理解和掌握图形化ARM嵌入式系统开发。通过基本原理、实验例程、案例分析，这种循序渐进、由浅入深的方式引导读者完成由STM32初学者过渡到ARM嵌入式开发工程师的转变。

前言
致谢
第1章软件篇1
1.1LabVIEWARM嵌入式模块介绍1
1.2KeilRealViewMDK软件介绍4
1.3KeilRTX实时操作系统介绍5
1.4LabVIEWARMModule软件架构7
1.5LabVIEWARMModule、RealViewMDK、实验平台驱动软件安装8
1.6STM32实验范例程序查找与USBJLink-OB驱动加载14
第2章硬件篇19
2.1ARMCortex-M3内核简介19
2.2实验平台介绍20
2.2.1My_ARM_Starter_Board学习板介绍22
2.2.2My_ARM_Core_Board核心板介绍25
2.2.3My_ARM_DAQ_Board数据采集板介绍27
2.3实验平台资源说明28
2.3.1My_ARM_Starter_Board平台资源简介28
2.3.2My_ARM_Core_Board平台资源简介34
2.3.3My_ARM_DAQ_Board平台资源简介35
2.3.4My_ARM实验平台总结37
第3章基础模块篇38
3.1GPIO38
3.1.1GPIO介绍38
3.1.2GPIO工作方式39
3.1.3GPIO驱动VI45
3.1.4两种驱动实现方式比较55
3.1.5GPIO总结56
3.2ADC/DAC56
3.2.1ADC介绍57
3.2.2ADC驱动实现58
3.2.3DAC介绍62
3.2.4DAC驱动实现63
3.3中断66
3.3.1外部中断67
3.3.2外部中断驱动实现69
3.3.3内部中断76
3.3.4定时器中断驱动实现78
3.4PWM生成91
3.4.1PWM原理及应用92
3.4.2PWM驱动实现92
3.4.3PWM参数设置技巧97
3.5看门狗97
3.5.1独立看门狗介绍98
3.5.2独立看门狗驱动实现99
3.5.3窗口看门狗介绍100
3.5.4窗口看门狗驱动实现101
3.6TFTLCD显示、触摸屏及OLED显示103
3.6.1TFTLCD显示原理104
3.6.2TFTLCD显示驱动实现105
3.6.3触摸屏工作原理109
3.6.4触摸屏驱动VI110
3.6.5OLED工作原理112
3.6.6OLED驱动实现113
3.7RTC时钟/待机与唤醒114
3.7.1RTC时钟介绍114
3.7.2RTC时钟驱动实现115
3.7.3待机与唤醒118
3.7.4待机与唤醒驱动实现119
3.8IIC/SPI总线120
3.8.1IIC协议介绍120
3.8.2IIC协议驱动实现122
3.8.3EEPROM驱动实现125
3.8.4SPI协议介绍129
3.8.5SPI协议驱动实现131
3.8.6Flash驱动实现132
3.9RS232/RS485/CAN总线136
3.9.1RS232协议介绍136
3.9.2RS232驱动实现137
3.9.3RS485协议介绍139
3.9.4RS485驱动实现139
3.9.5CAN协议介绍140
3.9.6CAN驱动实现145
3.10红外遥控148
3.10.1红外遥控工作原理149
3.10.2红外遥控驱动实现150
3.11三轴加速度传感器153
3.11.1三轴加速度传感器工作原理154
3.11.2三轴加速度传感器的驱动实现155
第4章高级模块篇157
4.1SRAM157
4.1.1SRAM读写与管理158
4.1.2SRAM管理的驱动实现158
4.2SD卡161
4.2.1SD卡的应用161
4.2.2SD卡驱动实现162
4.3FATFS文件系统164
4.3.1FATFS文件系统介绍164
4.3.2FATFS文件系统驱动实现165
4.4中文显示170
4.4.1中文显示原理171
4.4.2中文显示的驱动实现174
4.5图片显示175
4.5.1图片显示原理176
4.5.2图片显示的驱动实现177
4.6音乐播放178
4.6.1音频播放原理179
4.6.2音频解码与播放的驱动实现179
4.7录音机182
4.7.1录音机工作原理182
4.7.2录音机的驱动实现182
4.8FM收发184
4.8.1FM收发设置184
4.8.2FM的驱动实现185
4.9摄像头188
4.9.1摄像头工作流程190
4.9.2摄像头的驱动实现190
4.10USB通信194
4.10.1USB设备开发流程196
4.10.2USB通信的驱动实现202
4.112.4G无线通信204
4.11.1无线通信模块介绍205
4.11.2无线通信的驱动实现206
4.12TCP/IP网络传输209
4.12.1TCP/IP网络传输介绍210
4.12.2TCP/IP传输协议的驱动实现213
4.13Web网页服务216
4.13.1Web服务开发流程216
4.13.2Web服务的驱动实现219
第5章基础实验篇220
5.1入门实验220
5.1.1循环实验220
5.1.2软件仿真226
5.1.3硬件调试229
5.1.4程序优化230
5.1.5程序发布235
5.1.6程序架构236
5.1.7实验总结239
5.2GPIO实验240
5.2.1流水灯实验240
5.2.2蜂鸣器实验245
5.2.3按键捕捉实验248
5.2.4实验总结251
5.3ADC/DAC实验251
5.3.1ADC温度采集报警实验252
5.3.2DAC正弦波生成实验257
5.3.3实验总结263
5.4中断实验263
5.4.1外部I/O中断实验263
5.4.2定时器更新中断实验277
5.4.3脉冲测量实验286
5.4.4编码器测量实验295
5.4.5实验总结305
5.5PWM实验306
5.5.1PWM驱动舵机实验306
5.5.2实验总结313
5.6看门狗实验313
5.6.1独立看门狗实验313
5.6.2窗口看门狗实验316
5.6.3实验总结322
5.7TFTLCD显示/触摸屏/OLED实验322
5.7.1TFTLCD显示实验322
5.7.2触摸屏实验326
5.7.3OLED显示实验330
5.7.4实验总结334
5.8RTC时钟/闹钟与待机唤醒实验334
5.8.1RTC时钟实验334
5.8.2RTC闹钟实验342
5.8.3STM32待机与唤醒实验348
5.8.4实验总结355
5.9IIC/SPI实验355
5.9.1EEPROM（IIC）读写实验355
5.9.2Flash（SPI）读写实验359
5.9.3实验总结364
5.10RS232/RS485/CAN实验364
5.10.1RS232通信实验364
5.10.2RS485通信实验370
5.10.3CAN通信实验374
5.10.4实验总结378
5.11红外遥控实验378
5.11.1软件架构设计379
5.11.2红外接收头硬件连接原理图381
5.11.3编写主VI程序381
5.11.4编写定时器4的中断服务子VI程序382
5.11.5程序编译、下载、调试384
5.11.6实际运行结果387
5.12三轴加速度传感器实验387
5.12.1软件架构设计388
5.12.23D加速度传感器接口原理图388
5.12.3编写主VI程序390
5.12.4程序编译、下载、调试391
5.12.5实际运行结果391
第6章高级实验篇393
6.1内存SRAM管理实验393
6.1.1软件架构设计393
6.1.2外部SRAM接口连接原理图394
6.1.3编写主VI程序395
6.1.4程序编译、下载、调试395
6.1.5实际运行结果397
6.2SD卡读写实验398
6.2.1软件架构设计398
6.2.2SD卡插槽连接原理图399
6.2.3编写主VI程序399
6.2.4程序编译、下载、调试400
6.2.5实际运行结果400
6.3FATFS文件系统实验401
6.3.1软件架构设计402
6.3.2FATFS文件系统硬件原理图402
6.3.3编写主VI程序403
6.3.4程序编译、下载、调试403
6.3.5实际运行结果404
6.4中文显示实验405
6.4.1软件架构设计405
6.4.2中文显示硬件原理图406
6.4.3编写主VI程序406
6.4.4程序编译、下载、调试407
6.4.5实际运行结果408
6.5图片显示实验409
6.5.1软件架构设计409
6.5.2图片显示硬件原理图410
6.5.3编写主VI程序410
6.5.4程序编译、下载、调试411
6.5.5实际运行结果412
6.6音乐播放实验412
6.6.1软件架构设计413
6.6.2MP3模块硬件原理图413
6.6.3编写主VI程序415
6.6.4程序编译、下载、调试415
6.6.5实际运行结果416
6.7录音机实验417
6.7.1软件架构设计418
6.7.2录音机硬件原理图418
6.7.3编写主VI程序420
6.7.4程序编译、下载、调试421
6.7.5实际运行结果421
6.8FM收发实验422
6.8.1软件架构设计423
6.8.2FM模块硬件原理图423
6.8.3编写主VI程序425
6.8.4程序编译、下载、调试425
6.8.5实际运行结果426
6.9摄像头视频拍照实验427
6.9.1软件架构设计428
6.9.2摄像头模块与STM32之间的硬件连接430
6.9.3编写主VI程序430
6.9.4编写外部I/O的中断服务VI程序431
6.9.5程序编译、下载、调试432
6.9.6实际运行结果434
6.10USB通信实验434
6.10.1USB通信架构开发流程434
6.10.2USB固件程序框架设计（STM32）435
6.10.3USB设备硬件原理图（STM32）436
6.10.4USB固件程序编写（STM32）437
6.10.5USB固件程序编译、下载、调试437
6.10.6USB设备驱动文件生成（主机PC）438
6.10.7USB应用程序开发（主机PC）445
6.10.8实际运行结果448
6.112.4G无线通信实验449
6.11.12.4G无线通信程序开发流程450
6.11.2NRF24L01发送方程序编写（STM32）450
6.11.3NRF24L01接收方程序编写（STM32）451
6.11.4NRF24L01无线模块接口硬件原理图452
6.11.5无线通信程序编译、下载、调试452
6.11.6实际运行结果454
6.12TCP网络传输实验456
6.12.1TCP网络传输开发流程456
6.12.2TCP服务器端程序编写（下位机STM32）456
6.12.3TCP客户端程序编写（上位机PC）457
6.12.4ENC28J60网络传输模块硬件原理图459
6.12.5TCP网络传输程序编译、下载、调试459
6.12.6实际运行结果460
6.13Web网页服务实验462
6.13.1Web服务器端程序编写（下位机STM32）463
6.13.2ENC28J60网络传输模块硬件原理图464
6.13.3Web服务器程序编译、下载、调试466
6.13.4实际运行结果466
第7章综合实验篇469
7.13D游戏手柄实验470
7.1.1软件架构设计（标准状态机）471
7.1.2My_ARM学习板接口连接原理图472
7.1.3My_ARM学习板接口实物图473
7.1.4编写主VI程序473
7.1.5编写I/O中断服务VI程序476
7.1.6程序编译、下载、调试476
7.1.7USB驱动生成安装479
7.1.8上位机应用程序APP482
7.1.9实际运行结果483
7.2电机闭环控制实验484
7.2.1软件架构设计（标准状态机）485
7.2.2My_ARM学习板接口连接原理图487
7.2.3My_ARM学习板接口实物图488
7.2.4编写主VI程序488
7.2.5编写定时器中断服务VI程序494
7.2.6程序编译、下载、调试495
7.2.7PID参数整定方法498
7.2.8上位机应用程序APP502
7.2.9实际运行结果504
7.3音频信号在线监测实验505
7.3.1软件架构设计（标准状态机）508
7.3.2My_ARM学习板接口连接原理图510
7.3.3My_ARM学习板接口实物图511
7.3.4编写主VI程序511
7.3.5程序编译、下载、调试518
7.3.6上位机应用程序APP520
7.3.7实际运行结果520
附录522

想要深入了解美国国家仪器公司（NI）在嵌入式系统领域今后重点投入和发展的用户，可以参考Dr.T（NI公司创始人兼CEO）撰写的《2012年嵌入式系统展望》和《2013年嵌入式系统展望》两篇文章（https://lumen.ni.com/nicif/zhs/infoembdsystrends/content.xhtml）。在2012年的文章里面，Dr.T回顾了传统的嵌入式开发，介绍了NI公司现在的嵌入式开发架构，以及将来完美的解决方案。下面让我们先通过下表来看看NI公司都支持哪些具体的嵌入式硬件开发及其特点与优势。
表NI嵌入式硬件支持概况嵌入式硬件主流芯片优点缺点NI软件工具包微控制器8051、MSP430单片机低成本、体积小、易于编程在高性能的应用中会力不从心CGeneratorToolkit微处理器ARM7、ARM9、M3、M4、M7高时钟频率，可以完成高性能的应用，易于编程高功耗、顺序处理结构EmbeddedforARMToolkit数字信号处理专用器件DSP（ADI、TI）支持硬件浮点计算，处理速度快固有的顺序处理机制EmbeddedforDSPToolkit通用计算处理器CPU（Intel、AMD）支持多核并行处理器机制，处理速度极快高功耗、系统中必须有CPUReal-timeModule现场可编程门阵列FPGA（Xilinx、Altera）可以通过软件定义的高灵活性硬件，可重复编程的电路–固有的并行处理架构成本高、功耗高FPGAModule从上表中可以看出，NI公司支持的硬件非常广泛，基本上涵盖了所有种类（除ASIC外）的嵌入式通用芯片。其中对ARM、FPGA和CPU的支持持续更新；而单片机和DSP的更新则较慢，也很少在国内推广，仅限于高校使用；FPGA的势头最猛，也是NI现在以及未来重点支持的五大方向之一；由于ARM内核的芯片近些年在移动市场占据了越来越多的份额，NI公司也开始顺应潮流，开发出相应的工具包；DSP这两年有被FPGA逐步取代的趋势，今后，NI公司对DSP的支持度会逐年降低；CPU在主频和多核领域有着无可替代的优势，因此，NI公司不会放弃它，产品具体体现在PXI平台和cDAQ机箱；而单片机性能相对较弱，NI公司官方不会再支持。
图1显示的是NI公司的LabVIEW图形化软件所能支持的处理器和嵌入式操作系统的全部家族成员。
图1LabVIEW支持的处理器和嵌入式操作系统家族成员在国内，ARM7/ARM9同样受到很多工程师的欢迎，这类MCU非常适合于WindowsCE系统，因此，经作者对国内市场的分析，并结合NI的战略，计划推出3本有关LabVIEW嵌入式开发的书，本书就是其中之一。
本书重点介绍嵌入式家族中的ARMCortex-M3成员，即如何利用LabVIEW图形化软件，帮助用户快速实现一个小型ARM嵌入式系统原型开发。
首先从LabVIEW这个闻名全球的图形化软件说起。提到LabVIEW，相信很多工程师都不陌生，即使没有使用LabVIEW做过项目开发，或多或少也听说过LabVIEW的强大功能。对于想系统学习或者提高LabVIEW编程能力的学生和工程师，作者向大家推荐两本经典教材，分别是阮奇桢编著的《我和LabVIEW》和陈树学编著的《LabVIEW宝典》。
下面为大家简单介绍一下LabVIEW。
LabVIEW全称是LaboratoryVirtualInstrumentationEngineeringWorkbench，是由美国国家仪器公司（NI）于1986年发明的，最新的版本是2015，以后的版本号均按年份命名，于每年的8月发布。NI公司的LabVIEW之父JeffKodosky已经申请并获批68项LabVIEW专利。尽管LabVIEW还没有像C语言那样被ISO组织接受并认证，但它已经成为工业自动化和测试测量行业事实上的标准。
以LabVIEW为核心，配合不同行业的专用工具包，结合NI强大的硬件平台所构成的这种“图形化设计”理念，已经快速渗透到各行各业，形成了一个完整的生态系统。尤其是在嵌入式应用、FPGA设计、运动控制、图像处理、半导体测试、射频等领域，它将占据越来越多的市场份额。
图2显示的是LabVIEW针对各行各业的软件模块。
图2LabVIEW所有软件模块图2的上半部分展示上位机纯软件开发模块，具体说明如下：针对C语言编写的代码可以使用库函数节点来调用；针对MATLAB编写的算法可以使用MathScript节点来调用；针对LabVIEW自身则直接使用数据流思想进行编程；针对Simulink或者HIL（硬件在环）可以使用Simulation模块来调用；针对工业自动化控制可以使用Statecharts（状态图）模块来编程。
图2的下半部分展示下位机嵌入式软件开发模块，主要说明如下：针对DSP/ARM固件驱动开发可以使用LabVIEW嵌入式模块实现；针对XilinxFPGA可以使用NIFPGA工具包进行开发；针对多核处理器可以使用LabVIEWReal-Time模块进行开发。
本书向大家介绍的正是LabVIEW在嵌入式领域中的应用。下面来了解一下LabVIEW在这个领域的嵌入式硬件产品。
图3显示的是NI公司针对嵌入式领域研发的一系列硬件设备，例如，LabVIEWDesktop可以运行在PC、笔记本电脑、工控机、PXI控制器或者cDAQ机箱上；LabVIEWReal-Time和FPGA模块可以用来开发PXI系统、cRIO、sbRIO，以及MyRIO等硬件设备；LabVIEW嵌入式模块可以用来开发用户自定义功能的DSP、ARM，或者可编程数据采集卡等硬件设备。
图3LabVIEW可编程硬件设备截至目前，LabVIEW能够直接开发的嵌入式处理器包括：
ADI公司的Blackfin处理器。
TI公司的DSP处理器。
ARM公司的ARMCortex-M3、ARM7、ARM9处理器。
Xilinx公司的FPGA处理器。
当然，除了以上这些种类的芯片外，LabVIEW还支持任意一款32位MCU处理器，但是需要开发者具备非常丰富的软硬件知识和经验才能移植成功，工作量比较大。
LabVIEW生成的EXE可以直接运行的嵌入式系统包括：
Keil公司的RTX实时操作系统。
Lineo公司的uClinux实时操作系统。
RedHat公司的eCos实时操作系统。
WindRiverSystem公司的VxWorks实时操作系统。
当然，除了以上4类嵌入式操作系统外，LabVIEW还可以运行于Windows、Pharlap、UNIX、Linux等操作系统。
本书重点向大家介绍如何利用LabVIEW快速、高效地开发可以运行于ARMCortex-M3处理器上的应用程序。最近两年，ARM内核的处理器在国内占据了越来越多的市场份额，这是因为这类微处理器在传统的中低端嵌入式领域有着非常高的性价比。目前应用最广的ARMCortex-M3处理器又以意法半导体（ST）公司的STM32F10x和流明诺瑞公司（已被TI公司收购）的LM3S8962最为知名。因此，本书配套的实验平台选用的就是以STM32芯片为核心而设计制作的学习板。
下面简单对比一下利用传统文本语言开发和利用LabVIEW图形化开发之间的差别,如图4所示。
图4汇编语言、C/C++语言与第四代图形化编程语言之间的区别从图4中读者或许感觉不到LabVIEW的优势所在，那么再来看看图5所显示内容，即如何在处理器和操作系统的基础上实现多线程编程。
从图5中应该可以明显地看出二者的优劣。对于使用LabVIEW的用户来说，在开发一个多线程多任务的程序时，只需要关注LabVIEW环境下的while循环结构和case条件结构，就能实现其所有的需求，并且LabVIEW支持前面板在线实时调试，无须再像传统开发方式那样通过串口打印、IDE等工具来调试。这一切只要LabVIEW一个图形化软件就能轻松完成。
最后，设计嵌入式系统时选用LabVIEW的十大理由如下：
借助LabVIEW图形化设计环境，实现快速编程与部署。
重复使用传统嵌入式代码、C语言库和官方汇编库。
借助内嵌实时操作系统，灵活应对严格实时需求。
借助内置调试、仿真和用户界面功能，实现快速原型开发。
集成数百种信号处理、数学分析、ARM硬件驱动VI。
不需要严格的计算机C语言训练，即可快速上手编程。
拥有丰富的实验例程和标准的范例模板程序。
确保软件投资收益，轻松部署硬件平台。
借助LabVIEW平台的通用性，灵活调用附加功能模块。
LabVIEW近30年的发展与改进，帮助全球工程师协作共进。
图5LabVIEW与C*两种语言的多线程编程本书的配套资料中包含开发实验平台（STM32学习板）所有相关的原理图以及完整的LabVIEW程序源代码，每个驱动VI都有详细的帮助文档，所有范例程序框图都添加了详细的注释。读者只需要点击VI运行按钮，就可以直接将LabVIEW程序框图下载到STM32芯片中进行图形化在线调试，而无须通过串口等调试工具，因此，可以极大地简化开发过程，缩短调试周期，提高项目开发效率。
关于软件的说明如下：
1）本书涉及的所有开发软件、学习资料和视频教程均可以通过百度云盘免费下载和使用。云盘中的文件夹列表说明和具体的下载地址，请参考本书附录。
2）对于没有网络或者网速较慢的用户，可以购买本书配套的U盘（16GB），里面包含了本书配套的开发软件、学习资料和视频教程。需要购买的用户可以通过邮箱dlw30@126.com与作者联系，也可以直接在淘宝（https://shop123596343.taobao.com/?spm:2013.1.100126.2.zifk17）进行选购。
作者是一名NI资深软件架构工程师（CLA），对于写作并不擅长，书中错漏之处还望大家指正。同时作者也是一名LabVIEW爱好者，作为全球LabVIEW爱好者大家庭中的一员，最大的愿望就是，希望大家通过对本书的学习，按照基本原理、实验例程、案例分析这种循序渐进的学习方式，由STM32初学者成长为一名ARM嵌入式开发工程师，并将LabVIEW技术运用在自己的实际工作中。
读者对本书有任何意见或建议欢迎与作者联系，作者邮箱：dlw30@126.com。
王电令2016年4月于美国国家仪器，中国总部致谢感谢我亲爱的同事，写书虽然是个人行为，但他们还是给予了我最大限度的支持和帮助。
感谢院校和技术市场部的李甫成和贾青超先生，他们主动为我联系了出版社、公司市场、法律等部门的人员。还要感谢AES经理沈晨先生和同事李治野、吴湛、王陈浩、黄晶、杜非凡、刘璐、孙平山和AE同事张超一、俞宝清、杨堃、张凯，他们帮助我审阅了部分书稿，并提出了宝贵的意见。
感谢市场部的贾青超、徐剑杰、周臻、崔鹏、李晓锦等同事，他们为本书做了大量的宣传工作。
感谢VIHOME社区的版主“虚拟小强”于海军先生，他为我提供了展示自己研究成果的平台。社区链接如下：
https://www.vihome.com.cn/bbs/forum.php?mod=forumdisplay&fid=690感谢所有通过论坛、博客、Email等渠道与我探讨LabVIEW嵌入式开发技术的网友，在写书以及产品研发的过程中，我的很多思路和灵感都源自广大网友的智慧激发。
感谢机械工业出版社的策划编辑张国强先生为我提供了这次出书的机会。
最后，还要特别感谢我的妻子，她是本书的第一位读者，帮助我修正了初稿中的一些语法错误。她在生活中体贴入微，对我写书的工作全力支持。正是由于妻子的鼓励和支持，我才得以克服重重阻力和困难，完成此书。
谨以此书献给所有爱好LabVIEW嵌入式系统开发的学生、老师和工程师们！