基于STM32+UCOS的智能车载终端系统总结

一、赛题

1. 设计目标

设计制作一款可以人机交互、具备移动互联功能的智能车载终端系统。

2. 基本要求

1. 车载娱乐播放
   （1）读取储存在SD卡中的音乐文件，并通过扬声器播放出来。
   （2）以TFT彩屏作为显示终端，显示当前的音乐文件信息，歌曲名、进度条、音量、码率等。
   （3）实现歌曲播放控制，具有"上一首"、“下一首”、"暂停"等基本操作功能。
2. 车载仪表显示
   （4）以TFT彩屏作为显示终端，显示照明灯的状态（开/关）、继电器的状态（开/闭）；显示水温（单位摄氏度）、油位（无单位，数值一般为占满量程的比例）、车速（单位千米/小时）信息。
   （5）水温来自于温度传感器、油位来自于滑动变阻器、车速来自于旋转的步进电机测速；水温数据、油位数据、车速数据每隔2秒动态刷新；采用合理方式调整水温、油位信号变化，以产生可见动态变化效果。
   （6）设计按键模拟油门给出"加速"、“减速”、"停车"等输入指令，控制步进电机做相应动作，并将车速及运行状态"加速/减速/停车"显示于TFT屏。

3. 扩展要求

（1）可以实现音频文件的录制功能，不通过第三方的导入功能，直接录制并存储音频。
（2）实现歌曲播放控制的更多操作，例如生成播放列表、设置循环模式（单曲、顺序、随机）等。
（3）模拟实现汽车"黑匣子"功能：当某一按键按下时，系统记录当前时刻的仪表信息（如水温、油位、车速及运转状态、照明灯与继电器状态等），并存储于EEPROM硬件中；关机后重新开机能够复现前次的各类信息。

4. 发挥要求

1. 移动互联功能
   （1）通过以太网或WIFI网络方式，与移动互联模块（手机或平板）之间进行车内仪表数据的上传。
   （2）编制安卓或苹果APP，实现与车内仪表类似的界面显示。
2. 智能语音控制
   （3）通过语音识别实现对硬件设备的控制，例如说出"打开照明灯"、"关闭继电器"等，可直接转换为对应的输出设备动作。

二、分析

在拿到题目的时候，首先浏览了一遍题目，第一感觉：

这什么鬼、题目量也太大了吧，裸机手撸死翘翘好吧，所以果断选择uCos来作为调度系统，进行多任务管理。虽然任务量很大，但对处理器的要求并不是很高，只是逻辑布置很麻烦，所以我计划使用STM32F103ZET6来做这个。
然后开始逐步分解题目内容，从基本要求开始做，一点一点增加任务，完成项目，下面开始讲解基本任务：

1. 基本要求-车载娱乐播放

第一点要求读取SD卡音乐文件，并且播放，这里的技术要点主要是建立一个FAFT文件系统，挂载SD卡，读取我们指定的音乐目录下的音乐文件，然后通过解码播放，这里选择VS1053模块来做解码，接一个扬声器播放。
TFT显示信息直接使用LCD就行，使用极其方便，初始化一下，直接调用API就行，这里我一开始想使用EMWIN来做界面，但考虑到直接使用这些不是熟练，故放弃使用EMWIN做界面。关于显示歌曲的信息，因为直接使用的VS1053，可以直接通过寄存器发送读取对应信息的指令，之后读取对应返回值进行处理就行，这部分代码在正点原子战舰的例程里面有给出，代码封装的风格很好，读一遍基本可以理解，然后就能调用。关于音乐切换其实就是在mp3初始化时，把所有音乐的文件路径存储到一个字符串链表里面，播放不同音乐就是根据链表重新选择一下文件路径，然后再进入死循环播放就行了，音乐暂停，在UCOS里面直接使用挂起任务就可以完成，需要继续播放则使用任务恢复API就可以完成恢复。

2. 基本要求-车载仪表显示

仪表显示因为没有使用emwin界面工具，用单纯的纯手画图方式设计一个好看界面太占据内存，并且效率不高，实现意义不大，故直接使用最传统的方式----显示文字法，节省内存，提高效率（就是丑了点~）
温度采集使用DS18B20来采集温度信息，单总线结合GPIO模拟协议进行写入和读取，电机速率采集则使用红外对管测速，通过外部中断配合定时测量一段时间内转动码盘上经过的孔的数量，从而计算出速率，加速减速通过改变步进电机脉冲之间的时间。
DS18B20：

测速模块：

3. 扩展要求-音频录制

音频的录制和mp3播放使用的同一个模块，故在使用音频播放时需要创重新初始化vs1053同时需要重新配置mp3播放的功能，录音的使用和mp3其实差不了多少，正点原子关于这个模块有较详细的叙述，后面我也简单的写一下。

4. 扩展要求-歌曲列表

歌曲列表的显示其实就是轮询SD卡音乐文件夹下各个音乐的信息，然后将音乐名称打印出来，每次切换音乐都重新打印，可以刷新列表，关于切换音乐，顺序播放切换音乐就是对链表切花时位移一个，单曲位移为0，使播放原地踏步，随机播放呢，我使用的UCOS内部产生32位随机数的API然后除以最大音乐数目取余数，相当于在所有音乐之中随机播放音乐。

5. 扩展要求-汽车黑匣子

黑匣子这个难度不是很大，IIC连接EEPROM存储信息就行了，但是跑着uCos上可能会出一些问题，尤其在使用正点原子的ucos延时时会出现这个问题，正点原子ucos代码us级延时误差挺大，我文中会给出解决方法。
EEPROM模块：

6. 发挥要求-移动互联功能

移动互联网功能就是一个上云功能，at指令配好，了解一下MQTT协议就能完成，然后就可以传输数据上云了（公网云），我们这使用的是阿里云平台，因为他有个快速制作app界面的功能，所以使用起来很方便，也能做出题目要求的界面效果，所以使用阿里云。
ESP8266模块：

7. 发挥要求-智能语音控制

语音识别直接配置完整的模块，写入识别信息，模块自带匹配功能，识别之后执行对应的指令，配置过程很简单，直接使用源码没有问题！
LD3320语音识别模块：

三、制作

分析完理论知识和需要的模块的之后，开始正式进入code环节，下面继续按照上面的步骤进行调试代码。
1. 实现原理：
项目首先构建硬件连接关系图，连接硬件，通过MDK对STM32F103ZET6进行软件编程，使用uCos实时系统，调度STM32F103ZET6内部串口、定时器、中断、硬件SPI、IIC等资源，配置外部模块，使STM32F103ZET6可以对外围模块进行控制及数据采集，进一步进行处理与逻辑控制，使stm32可以达到用户所需要的目的。
2. 硬件框图：
STM32F103ZET6与外围电路的连接框图如下，通过IO口连接步进电机、矩阵键盘、灯、继电器，通过SPI连接语音识别模块ASR、1053_MP3模块，通过串口连接ESP32WIFI模块，通过FSMC输出信息给TFT液晶屏，通过ADC模块转化电位器位值，通过外部中断检测红外对管电平，通过SDIO协议读取SD卡数据信息，通过单总线协议读取DS18B20的温度信息；

3. 软件流程：
项目使用STM32基于UCOS实现所有功能，在代码编写上，共计建立了9个任务进行调度，调度流程如下，调度过程中，CPU使用率基本上稳定在50%以下，同时任务运行稳定，长时间运行不崩溃，切任务实时性高，处理事件反应快，达到较好的用户交互效果。

四、结果

作品展示
1.1 项目连接的整体视角：

1.2 TFT初始化后的UI界面：

1.3 手机端APP界面：

1.4 矩阵键盘按键功能图：

2. 功能实现
2.1 基本要求的实现
读取了SD卡的音乐文件并播放，《音乐播放器》板块显示了歌曲名、进度条、音量、码率等，并可通过按键1、2、3实现切歌、暂停。
在采集信息板块，LIGHT为照明灯状态，RELAY为继电器状态，Temp为水温，OIL_H为油位，SPEED为车速信息，并每隔2s刷新。通过按键9、10、11实现步进电机相应动作，并将车速显示在挡位上，运行状态显示在电机状态上。
2.2 扩展要求的实现
录音状态显示在《WAV录音机》板块，通过按键16实现音频录制功能，录制完成后按下按键14存储音频。歌曲的更多操作显示在《音乐播放器》板块，按键7切换播放模式，将模式显示在播放后，按键4和按键8实现音量增减并显示音量VOL。汽车黑匣子显示在复现信息板块，由按键5和按键6实现，按键6写入当前状态数据，按键5读取之前状态。
2.3 发挥要求的实现
数据通过WIFI模块上传至云平台后，云服务器显示已连接，上图为手机接收到的仪表数据，显示在APP上。按下按键3后暂停MP3并使用语音识别，在说出“关闭照明灯”及“打开继电器”均能实现相应数据更新动作。

五、源码

github:链接
gitee:链接