基于STM32+UCOS的智能車載終端系統總結

@TOC

一、賽題

1. 設計目標

設計制作一款可以人機交互、具備移動互聯功能的智能車載終端系統。

2. 基本要求

車載娛樂播放

（1）讀取儲存在SD卡中的音樂文件，并通過揚聲器播放出來。

（2）以TFT彩屏作為顯示終端，顯示當前的音樂文件信息，歌曲名、進度條、音量、碼率等。

（3）實現歌曲播放控制，具有"上一首"、“下一首”、"暫停"等基本操作功能。

車載儀表顯示

（4）以TFT彩屏作為顯示終端，顯示照明燈的狀態（開/關）、繼電器的狀態（開/閉）；顯示水溫（單位攝氏度）、油位（無單位，數值一般為占滿量程的比例）、車速（單位千米/小時）信息。

（5）水溫來自于溫度傳感器、油位來自于滑動變阻器、車速來自于旋轉的步進電機測速；水溫數據、油位數據、車速數據每隔2秒動態刷新；采用合理方式調整水溫、油位信號變化，以產生可見動態變化效果。

（6）設計按鍵模擬油門給出"加速"、“減速”、"停車"等輸入指令，控制步進電機做相應動作，并將車速及運行狀態"加速/減速/停車"顯示于TFT屏。

3. 擴展要求

（1）可以實現音頻文件的錄制功能，不通過第三方的導入功能，直接錄制并存儲音頻。

（2）實現歌曲播放控制的更多操作，例如生成播放列表、設置循環模式（單曲、順序、隨機）等。

（3）模擬實現汽車"黑匣子"功能：當某一按鍵按下時，系統記錄當前時刻的儀表信息（如水溫、油位、車速及運轉狀態、照明燈與繼電器狀態等），并存儲于EEPROM硬件中；關機后重新開機能夠復現前次的各類信息。

4. 發揮要求

移動互聯功能

（1）通過以太網或WIFI網絡方式，與移動互聯模塊（手機或平板）之間進行車內儀表數據的上傳。

（2）編制安卓或蘋果APP，實現與車內儀表類似的界面顯示。

智能語音控制

（3）通過語音識別實現對硬件設備的控制，例如說出"打開照明燈"、"關閉繼電器"等，可直接轉換為對應的輸出設備動作。

二、分析

在拿到題目的時候，首先瀏覽了一遍題目，第一感覺：

這什么鬼、題目量也太大了吧，裸機手擼死翹翹好吧，所以果斷選擇uCos來作為調度系統，進行多任務管理。雖然任務量很大，但對處理器的要求并不是很高，只是邏輯布置很麻煩，所以我計劃使用STM32F103ZET6來做這個。

然后開始逐步分解題目內容，從基本要求開始做，一點一點增加任務，完成項目，下面開始講解基本任務：

1. 基本要求-車載娛樂播放

第一點要求讀取SD卡音樂文件，并且播放，這里的技術要點主要是建立一個FAFT文件系統，掛載SD卡，讀取我們指定的音樂目錄下的音樂文件，然后通過解碼播放，這里選擇VS1053模塊來做解碼，接一個揚聲器播放。

TFT顯示信息直接使用LCD就行，使用極其方便，初始化一下，直接調用API就行，這里我一開始想使用EMWIN來做界面，但考慮到直接使用這些不是熟練，故放棄使用EMWIN做界面。關于顯示歌曲的信息，因為直接使用的VS1053，可以直接通過寄存器發送讀取對應信息的指令，之后讀取對應返回值進行處理就行，這部分代碼在正點原子戰艦的例程里面有給出，代碼封裝的風格很好，讀一遍基本可以理解，然后就能調用。關于音樂切換其實就是在mp3初始化時，把所有音樂的文件路徑存儲到一個字符串鏈表里面，播放不同音樂就是根據鏈表重新選擇一下文件路徑，然后再進入死循環播放就行了，音樂暫停，在UCOS里面直接使用掛起任務就可以完成，需要繼續播放則使用任務恢復API就可以完成恢復。

2. 基本要求-車載儀表顯示

儀表顯示因為沒有使用emwin界面工具，用單純的純手畫圖方式設計一個好看界面太占據內存，并且效率不高，實現意義不大，故直接使用最傳統的方式----顯示文字法，節省內存，提高效率（就是丑了點~）

溫度采集使用DS18B20來采集溫度信息，單總線結合GPIO模擬協議進行寫入和讀取，電機速率采集則使用紅外對管測速，通過外部中斷配合定時測量一段時間內轉動碼盤上經過的孔的數量，從而計算出速率，加速減速通過改變步進電機脈沖之間的時間。

DS18B20：

測速模塊：

3. 擴展要求-音頻錄制

音頻的錄制和mp3播放使用的同一個模塊，故在使用音頻播放時需要創重新初始化vs1053同時需要重新配置mp3播放的功能，錄音的使用和mp3其實差不了多少，正點原子關于這個模塊有較詳細的敘述，后面我也簡單的寫一下。

4. 擴展要求-歌曲列表

歌曲列表的顯示其實就是輪詢SD卡音樂文件夾下各個音樂的信息，然后將音樂名稱打印出來，每次切換音樂都重新打印，可以刷新列表，關于切換音樂，順序播放切換音樂就是對鏈表切花時位移一個，單曲位移為0，使播放原地踏步，隨機播放呢，我使用的UCOS內部產生32位隨機數的API然后除以最大音樂數目取余數，相當于在所有音樂之中隨機播放音樂。

5. 擴展要求-汽車黑匣子

黑匣子這個難度不是很大，IIC連接EEPROM存儲信息就行了，但是跑著uCos上可能會出一些問題，尤其在使用正點原子的ucos延時時會出現這個問題，正點原子ucos代碼us級延時誤差挺大，我文中會給出解決方法。

EEPROM模塊：

6. 發揮要求-移動互聯功能

移動互聯網功能就是一個上云功能，at指令配好，了解一下MQTT協議就能完成，然后就可以傳輸數據上云了（公網云），我們這使用的是阿里云平臺，因為他有個快速制作app界面的功能，所以使用起來很方便，也能做出題目要求的界面效果，所以使用阿里云。

ESP8266模塊：

7. 發揮要求-智能語音控制

語音識別直接配置完整的模塊，寫入識別信息，模塊自帶匹配功能，識別之后執行對應的指令，配置過程很簡單，直接使用源碼沒有問題！

LD3320語音識別模塊：

三、制作

分析完理論知識和需要的模塊的之后，開始正式進入code環節，下面繼續按照上面的步驟進行調試代碼。

1. 實現原理：

項目首先構建硬件連接關系圖，連接硬件，通過MDK對STM32F103ZET6進行軟件編程，使用uCos實時系統，調度STM32F103ZET6內部串口、定時器、中斷、硬件SPI、IIC等資源，配置外部模塊，使STM32F103ZET6可以對外圍模塊進行控制及數據采集，進一步進行處理與邏輯控制，使stm32可以達到用戶所需要的目的。

2. 硬件框圖：

STM32F103ZET6與外圍電路的連接框圖如下，通過IO口連接步進電機、矩陣鍵盤、燈、繼電器，通過SPI連接語音識別模塊ASR、1053_MP3模塊，通過串口連接ESP32WIFI模塊，通過FSMC輸出信息給TFT液晶屏，通過ADC模塊轉化電位器位值，通過外部中斷檢測紅外對管電平，通過SDIO協議讀取SD卡數據信息，通過單總線協議讀取DS18B20的溫度信息；

3. 軟件流程：

項目使用STM32基于UCOS實現所有功能，在代碼編寫上，共計建立了9個任務進行調度，調度流程如下，調度過程中，CPU使用率基本上穩定在50%以下，同時任務運行穩定，長時間運行不崩潰，切任務實時性高，處理事件反應快，達到較好的用戶交互效果。

四、結果

作品展示

1.1 項目連接的整體視角：

1.2 TFT初始化后的UI界面：

1.3 手機端APP界面：

1.4 矩陣鍵盤按鍵功能圖：

2. 功能實現

2.1 基本要求的實現

讀取了SD卡的音樂文件并播放，《音樂播放器》板塊顯示了歌曲名、進度條、音量、碼率等，并可通過按鍵1、2、3實現切歌、暫停。

在采集信息板塊，LIGHT為照明燈狀態，RELAY為繼電器狀態，Temp為水溫，OIL_H為油位，SPEED為車速信息，并每隔2s刷新。通過按鍵9、10、11實現步進電機相應動作，并將車速顯示在擋位上，運行狀態顯示在電機狀態上。

2.2 擴展要求的實現

錄音狀態顯示在《WAV錄音機》板塊，通過按鍵16實現音頻錄制功能，錄制完成后按下按鍵14存儲音頻。歌曲的更多操作顯示在《音樂播放器》板塊，按鍵7切換播放模式，將模式顯示在播放后，按鍵4和按鍵8實現音量增減并顯示音量VOL。汽車黑匣子顯示在復現信息板塊，由按鍵5和按鍵6實現，按鍵6寫入當前狀態數據，按鍵5讀取之前狀態。

2.3 發揮要求的實現

數據通過WIFI模塊上傳至云平臺后，云服務器顯示已連接，上圖為手機接收到的儀表數據，顯示在APP上。按下按鍵3后暫停MP3并使用語音識別，在說出“關閉照明燈”及“打開繼電器”均能實現相應數據更新動作。

五、源碼

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gitee:鏈接

數據結構 語音通話

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