CN102541568A - 基于Cortex-M3系列微处理器的图形化编程开发方法 - Google Patents

Abstract

一种基于Cortex-M3系列微处理器的图形化编程开发方法，主要用于ARM芯片学习和编程开发。本发明包括图形化编程PC机(1)、USB程序下载器(2)和ARM实验板(3)；图形化编程PC机(1)通过图形编程模块(7)来获得程序信息(10)，通过程序指令生成模块(8)生成程序执行文件，通过USB程序下载器(2)将程序指令(11)下载到ARM处理器的内核，ARM内核通过自我编程协议(12)解码程序指令(11)完成各项功能模块(6)的开发，C程序生成模块(9)根据接收的程序信息(10)会自动生成相应的C程序代码。该实验平台集成了图形编程环境、程序下载器和ARM实验板，形成一套完整的学习平台，降低了ARM学习者的入学门槛，减小了编程人员的劳动强度，操作简单、实用性强。

Description

基于Cortex-M3系列微处理器的图形化编程开发方法

技术领域

本发明涉及一种基于Cortex-M3系列微处理器的图形化编程开发方法，主要用于电子信息产品与智能仪器设备等设计应用领域。

背景技术

在智能设备高速发展的今天，人们对控制芯片综合性能的需求也日益增强。ARM作为一种低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统高端核心芯片，在无线通信、便携式产品、网络、数字消费产品等应用领域占据了领先地位。从应用的角度，在选择ARM芯片时，根据其内核、接口、拓展以及外设等性能的不同，而选择不同的芯片。由于Cortex-M3整合了多种技术，减少内存需求量，并在RISC内核上提供低功耗和高性能，可实现由以往的代码向32位微控制器的快速移植，因此，Cortex-M3系列微处理器已成为实际电子信息产品与智能仪器设备等项目设计开发人员首选的ARM处理器。

随着ARM的飞速发展，在一些大学及科研院所涌起一股学习ARM的热潮，因此市场对ARM开发平台的要求也越来越高。目前，市场上销售的ARM开发板一般主要由三部分组成：ARM芯片的最小系统、外设应用模块和下载调试模块，其组成框图如图1所示。

现有ARM系统的软件开发，一般采用MDK或IAR等编辑环境通过C源码的编辑、调试和下载来完成软件开发。然而，该方法存在一定的不足之处：(1)对学习者知识储备和编程能力要求较高。ARM编程软件的学习一般是从库函数的学习和应用开始的，这对C语言水平不是很高的学习者来说是一个很大的障碍；(2)对学习者关于ARM内核方面的了解程度要求较高。ARM主要是以其精简内核而闻名的，因此ARM的学习者必须阅读繁琐的寄存器功能，以便了解ARM内核的结构，这要求学习者要具有较高的模电和数电方面的专业知识。

但是，由于目前一些生产商提供的库函数太过生涩难懂；学习者对ARM内核结构的学习十分困难，真正能够快速有效的掌握ARM应用技术的学习者少之又少。

综上所述，市场和学习者都急需一套实用、简洁、新颖、易于学习和操作的ARM编程开发方法和实验平台。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于Cortex-M3系列微处理器的图形化编程开发方法，实现嵌入式系统高端核心ARM芯片的图形化编程操作。设计者无需进行代码的编辑，以图形化的方式进行编程，即可完成对Cortex-M3系列微处理器的设置，且编程开发平台可自动生成与之相对应的C语言代码，从而简化设计者的编程过程，缩短软件开发时间，进而提高信息技术应用领域中电子信息产品与智能仪器设备的设计开发效率和水平。

本发明的技术方案如图2所示，编程开发平台包括图形化编程PC机、USB程序下载器和ARM实验板。其中，图形化编程PC机包括：图形编程模块、程序指令生成模块和C程序生成模块(软件)；USB程序下载器包括：USB转换电路和RS232串口电路；ARM实验板包括：ARM处理器、电源模块、光敏电阻模块、蜂鸣器模块、红外传感阵列模块、触摸屏、电机控制模块、速度采集模块、可调电阻模块、温度采集模块、按键和LED跑马灯模块，以及ARM处理器和触摸屏外围电路(

在申请号为201120174061.1一种基于Cortex-M3系列微处理器的图形化软件开发实验平台，申请日为2011-5-27的专利申请中已详述)，如图3所示；所述的ARM实验板中ARM处理器用来管理整个实验平台，为其它外设电路提供驱动支持；所述红外传感阵列模块、触摸屏、电机控制模块、速度采集模块、可调电阻模块、温度采集模块、按键和LED跑马灯模块为实验模块，该类实验模块主要完成实验平台上的各项功能的开发；触摸屏既是该平台的输入设备，也是显示设备，使用者通过点击触摸屏对该实验平台进行操作，同时触摸屏还可以实时显示出该实验平台的内核工作状态；所述的ARM处理器外围电路包括时钟电路、复位电路、仿真电路、外部接口电路、电源转换电路。时钟电路为ARM处理器提供工作时钟；复位电路提供复位信号，当按下复位按键时仪器复位；仿真电路与ARM处理器相连，用于仪器程序的下载和调试；所述图形化编程PC机是利用图形化编程开发方法，通过图形编程模块来获得实验各项参数设置，通过程序指令生成模块来编辑ARM处理器的内核，从而完成各项实验，C程序生成模块会根据图形编程模块传输的编程信息，自动生成相应的C程序代码；所述USB程序下载器通过USB口与PC机连接，通过RS232串口和ARM处理器相连接，当图形化编程PC机的程序指令生成模块需要进行程序指令下载时，USB程序下载器把PC机的USB通讯协议转化为串行通讯协议进行数据的下载。

一种基于Cortex-M3系列微处理器的图形化编程开发方法，基于以下硬件平台，该硬件平台包括有图形化编程PC机1、USB程序下载器2、ARM实验板3，ARM实验板3包括ARM处理器5和功能模块；USB程序下载器2与图形化编程PC机连接，USB程序下载器2与ARM处理器5相连接；

其特征在于：所述图形化编程PC机1包括图形编程模块7和程序指令生成模块8；图形编程模块7负责各个实验模块的图形化编程和编程信息10的生成；程序指令生成模块8负责对编程信息进行编译，生成程序指令11，并通过USB程序下载器2下载到ARM处理器5中完成各种功能模块6的应用程序的开发；

图形编程模块7至少包括如时钟模块、IO模块、中断模块、串口模块、定时器模块、逻辑设置和实验设置模块；

所述程序指令11的帧格式为方向帧+功能指令帧+操作数据帧+设置验证帧+结束帧；

自我编程协议12固化在ARM实验板3，ARM处理器5通过自我编程协议12来解码程序指令11中的编程信息，具体如下：

当由方向帧确定了IO功能模块，那么功能帧来确定IO将要执行的是读功能或写功能或复用功能，操作数据帧来确定IO读写的数据，验证帧在此时为无效，当自我编程协议解码到结束帧时，自我编程程序停止；

当由方向帧确定了中断模块，那么功能帧来确定中断管脚及触发方式，操作数据帧来确定中断的优先级，

当由方向帧确定了定时器模块，那么功能帧来确定定时器名称和计数方式，操作数据帧来确定定时器的装载值和预分频数，验证帧在此时为无效，当自我编程协议解码到结束帧时，自我编程程序停止。

本发明的创新点和难点在于提出了微处理器中的自我编程协议和程序指令，下面对自我编程协议和程序指令加以解释说明。如图4、5所示，图形化编程PC机通过图形化编程模块可以获得ARM内核及外设的各项功能设置，这种设置的程序信息通过程序指令生成模块生成了程序指令，程序指令由USB程序下载器下载到ARM内核中。程序指令是由方向帧、功能帧、数据帧、验证帧和结束帧组成的。其中方向帧由至少4个位的二进制数组成，用来表示此条程序指令需要设置的具体功能模块，至少包括时钟模块、IO模块、终端模块、串口模块、定时器模块等内核模块，因为内核的功能模块数量庞大，所以至少由4位的二进制数来表示；功能帧由至少4个位的二进制数组成，在由方向帧确定了具体设置的功能模块后，再由功能真来设置模块的功能，如由方向帧确定了IO功能模块，那么功能帧来确定IO将要执行的是读功能或写功能或复用功能等，因为有些模块的功能比较多，因此功能帧至少由4个位的二进制数组成；数据帧由至少1个字节的二进制数组成，数据帧主要用来存储在功能设置中可能需要的数据，比如当对定时器进行设置时需要设置定时器的时钟频率和装载值，而这些数据就是由数据帧来传输的，由于有些模块需要很多的设置数据，所以数据帧至少为一个字节；验证帧由至少4位二进制数组成，验证帧用在一些需要返回值的功能设置模块中，在串口的数据传输模块中，当数据发送完成时，会有一个返回值，该返回值与验证帧中的数值相对比，如果相等的话则认为功能设置完成；当自我编程协议解码到结束帧时，自我编程程序停止，内核会根据自我编程程序解码出来的程序信息运行。

本发明存储在ARM内核中的自我编程协议是用来解码程序指令并自我配置内核功能模块。当图形化编程PC机将生成的程序指令下载到ARM内核中之后，自我编程协议会按照上述的帧格式进行自我编程，具体自我编程的过程会在具体实施方式中进行详解。

本发明的供电系统由5V直流变压器供电。输入电压经过电源转换电路转换后，为整个系统供电。ARM实验板通过USB程序下载器与图形化编程PC机连接，当对图形化编程PC机中的微处理器的功能模块和实验模块进行图形化编程之后，程序指令生成模块会将图形编程模块输入的编程信息编辑成程序指令，通过USB程序下载器将其下载到ARM处理器，完成各种功能模块的应用程序的开发；操作者还可以通过图形化编程PC机中C程序生成模块，将图形编程模块输入的编程信息自动编辑成C语言的源文件供操作者分析和使用，再对自动生成的C文件进行编译之后生成执行文件，下载到ARM处理器的内部程序存储器中，来验证自动生成的C程序是否正确。该发明通过上述简单的操作，以图形化编程的方式完成ARM实验板各种功能模块的应用程序开发，使学习者的入门门槛大大降低，可节省嵌入式系统开发的人力、缩短开发周期。

附图说明

图1现有的ARM实验平台的组成示意框图；

图2本发明的图形化编程实验平台的方案框图；

图3本发明的ARM实验板的方案框图；

图4本发明的图形化编程PC机的各模块框图；

图5本发明的图形化编程的工作过程流程图；

图6本发明的程序指令示意图；

图7本发明的ARM内核编程示意图；

图8本发明的USB程序传输器原理图；

图形化编程PC机

1、USB程序下载器

2、ARM实验板

3、实验模块

4、ARM处理器

5、功能模块

6、图形编辑模块

7、程序指令生成模块

8、C程序生成模块

9、程序信息

10、程序指令

11、自我编程协议

具体实施方式

现结合图2-图7对本发明做进一步的说明：一种基于Cortex-M3系列微处理器的图形化编程开发方法，主要包括图形化编程PC机、USB程序下载器和ARM实验板；其中图形化编程PC机包括：图形编程模块、程序指令生成模块和C程序生成模块；USB程序下载器将USB通讯转换成RS232串口进行程序下载；其中ARM实验板包括由各项实验模块和ARM处理器外围电路组成；实验模块与ARM控制器之间都采用插线式连接，实验时即插即用。

参照图4，本实验平台的图形化编程PC机主要由图形编程模块、程序指令生成模块和C程序生成模块这三部分组成，其中的图形编程模块是核心模块，主要负责人机界面编辑、内核和各个实验模块的图形化编程和编程信息的生成；程序指令生成模块是对ARM实验板进行编程的主要模块，主要负责对图形编程模块读取的编程信息进行编译，生成程序指令，并通过USB程序下载器下载到ARM处理器中完成各种功能模块的应用程序的开发；C程序生成模块主要负责对图形编程模块读取到的编程信息进行编译，以LM3S811的库函数为资源，自动生成相应设置的C语言程序，以供使用者学习和应用。在该图形化编程方法中，图形化编程模块以直观图形的方式，把ARM内核中的各个功能模块和ARM实验板上的各个实验模块显示在人机界面上，而编程者要对实验的某个功能进行设置时，只需对各个模块右键(或双击)进行设置，配置参数即可。程序指令生成模块可对图形化编程模块采集到的编程信息进行分析处理。

参照图5，图形化编程的工作过程，当对图形化编程中的内核和实验模块进行设置之后，程序指令生成模块会将图形编程模块输入的编程信息编辑成程序指令，通过USB程序下载器将其下载到ARM处理器，完成各种功能模块的应用程序的开发；还可以通过图形化编程编程中C程序生成模块，将图形编程模块输入的编程信息自动编辑成C语言的源文件供操作者分析和使用，其中生成的C语言中的部分函数是来自于ARM微处理器厂家的标准库函数，再对自动生成的C文件进行编译之后生成执行文件，下载到ARM处理器的内部程序存储器中，来验证自动生成的C程序是否正确。

在图形化编程PC机生成程序指令后，ARM微处理器内核需要对程序指令进行译码翻译，再对其自身进行配置。自我编程协议即是通过程序指令中的数据对ARM微处理器的内核和外设进行编程配置的一种协议。

参考图6，程序指令其主要包括：方向帧+功能指令帧+操作数据帧+设置验证帧+结束帧。通过方向帧来判断程序指令的配置方向；功能指令帧加载着对内核具体操作的信息；操作数据帧中包含着对某功能设置时需要的数据；设置验证帧用来与内核设置时的返回值进行对比从而验证设置是否成功，结束帧用来表征程序指令是否结束。

参考图7，当上位机通过USB下载器下载到ARM微处理器中一组程序指令的数据包后，ARM内核读取其中有效数据对其进行自我编程，每种数据包有相应的自我编程程序对其进行译码翻译，然后再通过再由下一级相应的自我编程协议进行分析处理。

方向帧：自我变成协议通过方向帧部分把其程序指令归类为：IO指令，中断指令，计数器指令，实验功能模块指令，等相关部分。继而确定了程序要完成功能的类别，再进行下一步操作。

功能指令帧：通过功能指令帧可以分析出相对应的自我编程操作的具体内容，比如读写IO口，终端触发方式等等。比如数据的帧头部分为00100001，通过自我编程协议分析出该数据包是IO指令的帧头，那么程序指令数据包中接下来的数据由IO自我编程程序来译码编译，再通过功能指令帧可以分析出相对应的自我编程操作内容，即如：功能指令帧为0110 1111即是对IO的写的操作，IO指令的自我编程协议就会调用IO的写操作函数进行操作

操作数据帧：该帧的数据是各项功能操作时需要的操作数，如上例中，对IO的写的操作的操作数即是操作数据帧中的数据。

设置验证帧：在对一些有返回值的功能进行设置时，会在操作数据帧后面加上设置验证帧，设置功能帧存储的即是操作成功时会返回的数值，在自我编程操作完成后，自我编程程序会将返回值与设置验证帧进行比较，如果数值一致，则操作成功，进行下一程序指令数据包的编译，如果两者数据不一致则将程序指令数据包重新解码编译。即如：在操作串口发送时，如果操作成功会返回TRUE，如果返回值与设置验证帧进行对比不匹配，则重新进行自我编程，如果匹配则继续下一级解码。

结束帧：当自我编程协议解码到结束帧时，自我编程程序停止，内核会根据自我编程程序解码出来的程序信息运行。

举例说明自我编程协议对程序指令的分析和对内核的自我编程，当ARM芯片接收到程序指令后，进入最高级的中断，进行对内核的自我编程。下例中的编码数值只是假设，如实际应用不同，为做讲解演示。

例如IO配置：先对方向帧进行解码，若方向帧为0001，指向IO功能模块(假设IO功能模块的方向帧为0001)，那么自我编程协议即对IO功能模块进行初始化，即将运行如下程序：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure；

该程序即定义了一个GPIO的结构体，之后对功能帧进行解码，若功能帧为000101010010其中我们可以根据对第一个4位的二进制数解码，其代表的含义为对GPIOA口进行设置；第二个4位二进制数解码，其代表的含义为对PIN_5进行设置；第三个4位二进制数解码，其代表的含义为设置为上来输入，即解码到这里将运行如下程序：

这里是对GPIOA中的PIN_10设置为上拉输入，不需要设置数据，因此数据帧中是无效数据，自我编程协议不需要解码，验证帧同理也不需要解码，最后自我变成协议解码读取结束帧0101 0101(规定的结束帧数据)时自我编程协议完成了该部分的设置，等待下一次程序指令的传输，并内核开始运行。如上所述，即为自我编程协议的一个简单的对内核的自我编程。

例如定时器配置：先对方向帧进行解码，若方向帧为0002，指向定时器功能模块(假设定时器功能模块的方向帧为0002)，那么自我编程协议即对定时器功能模块进行初始化，即将运行如下程序：

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure；

TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure；

该程序即定义了一个TIM的结构体，之后对功能帧进行解码，若功能帧为0001 0011 0010。其中解码第一个4位的二进制数为定时器名称，其0001代表的含义为对定时器1进行设置；第二个4位二进制数定时器编号，其0011代表的含义为对定时3进行设置；第三个4位二进制数为计数方式，其0010代表的含义为向上计数方式。

对操作帧进行解码，若操作帧为0001 1111 0100 0000 0001 1100 00100000。解码前16位二进制数为定时器的计数值，其0001 1111 0100 0000代表的含义为定时器1的装载值为8000；后16位二进制数为定时器的预分频的除数，其0001 1100 0010 0000代表的含义为预分频7200。改设置不需要验证帧，其结束帧仍为0101 0101。解码到该处，将运行如下程序：

例如中断配置：先对方向帧进行解码，若方向帧为0003，指向中断功能模块(假设中断功能模块的方向帧为0002)，那么自我编程协议即对中断功能模块进行初始化，即将运行如下程序：

该程序即定义了一个EXTI的结构体，之后对功能帧进行解码，若功能帧为001010100010。其中解码第一个4位的二进制数为中断映射的管脚名称，其0010代表的含义为GPIOB为中断IO；第二个4位二进制数为使能中断管脚，其1010代表的含义为设置GPIOB的PIN9管脚为中断管脚；第三个4位二进制数为中断触发方式，其0010代表的含义上升沿触发。

对操作帧进行解码，若操作帧为0010。其代表的含义为该中断的优先级为2。改设置不需要验证帧，其结束帧仍为01010101。解码到该处，将运行如下程序：

如上所示为自我变成的具体操作过程。

参照图8，本实验平台的USB程序下载器的采用USB总线的转接芯片CH341T为核心芯片，USB接口的2脚(D-)、3脚(D+)连接芯片的8脚(UD+)、7脚(UD-)；CH341芯片需要外部向XI引脚提供12MHz的时钟信号，晶体X5、电容C21和C22用于时钟振荡电路，X5的频率是12MHz，C21和C22是容量为15pF和30pF的高频瓷片电容。C23和C24是高频瓷片电容，C23容量为4700pF，用于CH341内部电源节点退耦，C24容量为0.1μF，用于外部电源退耦；CH341T芯片的RXD和TXD输出标准的RS232串行总线与MAX232芯片连接，芯片MAX232的R1IN和T1OUT连接到USB的T型口中的2、3脚，以供与ARM处理器进行数据下载。

本实验平台在使用时，操作人员只需将USB程序下载器与ARM实验板相连接，然后打开图形化编程PC机，连接实验平台，即可完成图形化编程、将执行文件下载和生成相应的C语言程序等功能，且在显示屏上有内核配置信息的实时显示。该实验平台降低了ARM学习者的入学门槛，减小了编程人员的劳动强度，缩短软件开发时间。本发明简单、方便、创新性和实用性强。

Claims (3)

1.一种基于Cortex-M3系列微处理器的图形化编程开发方法，基于以下硬件平台，该硬件平台包括有图形化编程PC机(1)、USB程序下载器(2)、ARM实验板(3)，ARM实验板(3)包括ARM处理器(5)和功能模块；USB程序下载器(2)与图形化编程PC机连接，USB程序下载器(2)与ARM处理器(5)相连接；

其特征在于：所述图形化编程PC机(1)包括图形编程模块(7)和程序指令生成模块(8)；图形编程模块(7)负责各个实验模块的图形化编程和编程信息(10)的生成；程序指令生成模块(8)负责对编程信息进行编译，生成程序指令(11)，并通过USB程序下载器(2)下载到ARM处理器(5)中完成各种功能模块(6)的应用程序的开发；

图形编程模块(7)至少包括如时钟模块、IO模块、中断模块、串口模块、定时器模块、逻辑设置和实验设置模块；

所述程序指令(11)的帧格式为方向帧+功能指令帧+操作数据帧+设置验证帧+结束帧；

自我编程协议(12)固化在ARM实验板(3)，ARM处理器(5)通过自我编程协议(12)来解码程序指令(11)中的编程信息，具体如下：

当由方向帧确定了IO功能模块，那么功能帧来确定IO将要执行的是读功能或写功能或复用功能，操作数据帧来确定IO读写的数据，验证帧在此时为无效，当自我编程协议解码到结束帧时，自我编程程序停止；

当由方向帧确定了中断模块，那么功能帧来确定中断管脚及触发方式，操作数据帧来确定中断的优先级，

当由方向帧确定了定时器模块，那么功能帧来确定定时器名称和计数方式，操作数据帧来确定定时器的装载值和预分频数，验证帧在此时为无效，当自我编程协议解码到结束帧时，自我编程程序停止。

2.根据权利要求1所述的一种基于Cortex-M3系列微处理器的图形化编程开发方法，其特征在于：

方向帧由至少4个位的二进制数组成，功能帧由至少4个位的二进制数组成，数据帧由至少1个字节的二进制数组成，验证帧由至少4位二进制数组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于Cortex-M3系列微处理器的图形化编程开发方法，其特征在于：

所述图形化编程PC机(1)还包括C程序生成模块，C程序生成模块将图形编程模块输入的编程信息自动编辑成C语言的源文件供操作者分析和使用，再对自动生成的C文件进行编译之后生成执行文件，下载到ARM处理器中，来验证自动生成的C程序是否正确。

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