开源 | 嵌入式物联网项目开发 - ARM中控扩展模块

为了让ARM-Linux开发板具有2.4GHz和433MHz无线通信功能，微联智控工作室设计了一款通用的ARM中控扩展模块，该模块的实物图片，如下图所示。

这款ARM中控扩展模块，主要使用了USB-TTL芯片和STM32单片机进行通信，再通过SPI接口外接si4432模块和nRF24L01+PA+LAN模块。使用这种方式，就可以避免移植si4432和nRF24L01的驱动到ARM-Linux开发板，大大降低了开发工作量和开发难度。

在ARM-Linux开发板或者在PC电脑上使用这款模块，只需要简单地在开发板移植或在PC机上安装CH340G的芯片驱动，就可以把这款模块当做串口使用。

 

ARM-Linux中控扩展模块具有以下功能：

1、USB转串口功能，使用CH340G芯片，可以方便对接电脑和嵌入式Linux开发板。

2、引出CH340G的TTL接口，可以用作一个普通的USB转串口模块（去掉R2和R4电阻）。

3、引出单片机的UART2串口，TTL电平，方便用户扩展（提供源码）。

4、板载433MHz无线通信模块，与单片机通过SPI接口进行通信，用户可编程。

5、引出SPI接口，对接市面上大部分SPI接口的2.4GHz通信模块，用户可编程。

6、模块尺寸（不含USB接口）：70mm * 25mm

 

硬件设计篇

ARM中控扩展模块使用USB接口进行5V供电，模块自带稳压芯片，5V电源通过LDO稳压电路，为单片机及其他模块提供3.3V电源，模块还自带有红色的电源指示灯用来表示模块的通电情况，如下图所示。

 

USB转串口电路使用沁恒科技的CH340G作为转换芯片，该芯片可以通过3.3V或5V电源供电，对外引出芯片的TTL接口（使用时需要去掉R2和R4电阻），方便开发者扩展，USB转串口电路如下图所示。

 

ARM中控扩展模块采用STM32F030C8T6作为主控芯片，这款MCU芯片是Cortex-M0内核，主频48MHz，芯片自带64KB可编程Flash和8KB RAM，很适合物联网终端设备的控制器开发。模块的MCU控制电路如下图所示。

 

ARM中控扩展模块使用SPI1和SPI2接口跟无线模块进行通信，其中，SPI1接口连接SI4432这款433MHz无线模块，SI4432模块使用焊接方式固定在中控扩展模块上。SPI2接口通过提供接口的方式外引出来，可以用来对接nRF24L01这款2.4GHz无线模块，如下图所示。

以上就是ARM中控扩展模块的原理图描述，各个模块的原理比较简单，具体原理图和PCB的硬件工程可以到GitHub或Gitee上下载。

 

软件设计篇

ARM中控扩展模块的软件框架，是基于任务和事件的OSAL调度器来进行开发，有关OSAL调度器的介绍，可以查看以下文章。

开源 | 嵌入式物联网项目开发 - 基于任务和事件的OSAL调度器

 

ARM中控扩展模块，具有串口通信功能，2.4G和433无线通信功能，看门狗系统监测功能，LED指示灯功能。因此，在软件设计上，把这些功能划分为6个任务，在osal.h中定义好各个任务的ID，并创建各个任务的源代码文件，如下图所示。

在main.c主函数里面，进行OSAL调度器和各个任务事件的初始化，由于有些设备不一定用到所有串口，因此，通过USART1_ON和USART2_ON这两个宏定义作为串口模块的开关，主函数的内容如下图所示。

先来看看串口任务处理，ARM中控扩展模块主要用到了串口1以及DMA通信。所以，需要在工程的宏定义那里定义USART1_ON宏和USART_DMA宏，以使能串口1的DMA通信方式。在源文件usart1_task.c中，对串口任务进行了注册和串口外设初始化，并且同时初始化了两个队列数组，用来缓冲串口的发送数据和接收数据，如下图所示。

在头文件usart1_task.h中，定义串口1任务相关的事件，主要有串口1数据收发和处理，串口任务启动事件，如下图所示。

然后在源文件usart1_task.c的usart1_task()函数中，处理各种串口任务事件，OSAL调度器在收到串口的各种事件后，都会在这个函数里面处理各种事件，如下图所示。

（限于篇幅，这里只列出部分源码）

对于SI4432和nRF24L01这两款无线模块的任务处理，其任务事件的处理框架都是大同小异的，这里以SI4432为例进行说明。

先来看看源文件si4432_task.c里面的任务初始化函数，如下图所示。

在初始化函数si4432_task_init()中，先对si4432芯片的连接引脚和芯片寄存器进行初始化，然后再初始化si4432的数据发送和接收队列，然后再根据系统设置的参数，进行无线通信信道设置。

在头文件si4432_task.h中，定义了各种任务事件，主要有数据发送和接收，超时处理，以及中断事件，如下图所示。

各种任务事件是在si4432_task()这个函数中进行处理的，对于SI4432无线模块接收到的数据，目前都是通过串口透传出去，交给上位机进行处理，各个任务事件的函数内容，如下图所示。

（限于篇幅，这里只列出部分源码）

由硬件原理图可知，不管是SI4432或nRF24L01模块，一旦接收到无线数据，都是通过引脚中断的方式来通知STM32进行处理的，因此，需要在STM32的外部中断引脚处理函数中，取出无线模块接收到的数据，如下图所示。

看门狗任务是用来监测整个系统的运行情况的，一旦发现系统运行异常，看门狗由于喂狗不及时，系统就会进行超时重启。因此，看门狗任务比较简单，主要是初始化STM32的看门狗外设，并设置一个定时喂狗任务，定时进行看门狗计数器复位操作，防止系统复位。与此同时，也可以利用看门狗超时的特性，来定义一个复位任务，方便一些系统重启操作，如下图所示。

指示灯任务是用来指示系统无线网络状态的，当无线网络处于连接成功/连接断开/数据广播等不同状态的时候，指示灯会以不同的频率进行闪烁。网络状态指示灯的任务处理，如下图所示。

为了方便开发者对ARM中控扩展模块进行设置，模块还支持AT指令扩展，开发者可以通过AT指令对模块进行波特率参数，信道，恢复出厂设置，查询软硬件版本信息等操作，也可以根据实际需要，修改源码扩展自己的AT指令集，目前模块支持的AT指令如下图所示。

以上就是ARM中控模块的软件开发内容，编译源码并下载到模块中运行，可以使用串口工具测试模块的AT指令是否工作正常，如下图所示。

 

使用两个ARM中控扩展模块，并同时接到PC电脑上，用串口调试工具可以在这两个模块直接互相透传数据，如下图所示。

 

项目的开源地址：

https://github.com/embediot/Embedded-IoT-Project

https://gitee.com/embediot/Embedded-IoT-Project