使用STM32搭建蓝牙图片显示终端和温湿度计

最近正在入门stm32开发，进行一个简单的蓝牙图片显示终端和温湿度计搭建，在这期间碰到了不少有意思的事情，遂分享之。（进入大学之后，可支配的时间比高中多了不少，我也有更多的精力可以放在自己的爱好上了。）

1 软硬件概况

  • 主控：STM32f103c8t6, 72MHz, ARM-Cortex M3内核，使用一块32.768的晶振作为HSE
  • 片上系统：FreeRTOS v11
  • 液晶显示屏：128 * 128 TFT屏，由st7735s驱动，走SPI协议
  • 温湿度传感器：AHT20，走I2C协议
  • 蓝牙模块：DX-BT24，UART串口
  • 开发环境：HAL库，Keil v5，cmsis接口

2 湿度传感器模块原理和代码

AHT20通过探测聚合物的水合程度来测量相对湿度（即绝对湿度与当前环境温度下水蒸气达到饱和的绝对湿度之比）。

传感器总线I2C通信协议时序：

ATH20的主机与从机通讯命令格式：

响应数据的第7字节为CRC校验数据，在不追求数据准确性的情况下可以直接忽略。Data0到Data2为湿度数据，Data2到Data4为温度数据，解析出来的数据值均为uint32_t。注意Data2的高4位为湿度数据的最低4位，Data2的低4位为湿度数据的最高4位，中间进行截断，这一点在AHT20的产品规格书上没有明确指出。

还需注意的是，传感器操作需要发出I2C指令并等待从设备应答，指令的发出和响应必须严格对应，因此这类操作并不是线程安全的，应该加锁。

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#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "i2c.h"
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include "gyconsole.h"
#include "cmsis_os.h"
#include "AHT20.h"

#define AHT20_I2C_PORT hi2c1
#define AHT20_ADDRESS 0x71

static osSemaphoreId_t SemaphoreHandle = NULL;

/*
 * 初始化模块
 */
void AHT20_Init()
{
    osDelay(50); // 等待初始化和校准

    uint8_t initCmdBuf[1] = {0x71};
    uint8_t initResponseBuf[1];
    // i2c发送初始化指令，获取状态字，确认状态
    HAL_I2C_Master_Transmit(&AHT20_I2C_PORT, AHT20_ADDRESS, initCmdBuf, 1, HAL_MAX_DELAY);
    osDelay(50);
    HAL_I2C_Master_Receive(&AHT20_I2C_PORT, AHT20_ADDRESS, initResponseBuf, 1, HAL_MAX_DELAY);

    // 初始化失败
    if ((initResponseBuf[0] & 0x18) != 0x18)
    {
        gylog("init failed %x", initResponseBuf[0]);
    }

    // 初始化信号量，确保API的互斥访问
    const osSemaphoreAttr_t SemaphoreAttr = {
        .name = "AHT20",
        .cb_mem = NULL,
        .cb_size = 0,
    };
    SemaphoreHandle = osSemaphoreNew(1, 1, &SemaphoreAttr);

    osDelay(10);
}

/*
 * 测量温湿度数据
 */
void AHT20_MeasureData(float *temperature, float *humidity)
{
    // 等待信号量释放
    osSemaphoreAcquire(SemaphoreHandle, osWaitForever);

    uint8_t measureCmdBuf[3] = {0xac, 0x33, 0x00};
    uint8_t measureResBuf[8] = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};

    HAL_I2C_Master_Transmit(&AHT20_I2C_PORT, AHT20_ADDRESS, measureCmdBuf, 3, HAL_MAX_DELAY);
    osDelay(80);
    HAL_I2C_Master_Receive(&AHT20_I2C_PORT, AHT20_ADDRESS, measureResBuf, 8, HAL_MAX_DELAY);
    // 状态字最低位为0，则读取完成
    while (measureResBuf[0] & 0x01 == 0x01)
    {
        osDelay(10);
        HAL_I2C_Master_Receive(&AHT20_I2C_PORT, AHT20_ADDRESS, measureResBuf, 8, HAL_MAX_DELAY);
    }

    // 读取buffer的5字节数据，单个有效长度20字节
    // 第三个字节通过按位与进行截断
    // 最后一个字节用于CRC校验
    uint32_t humidity_raw = 0;
    humidity_raw |= (uint32_t)measureResBuf[1] << 12;
    humidity_raw |= (uint32_t)measureResBuf[2] << 4;
    humidity_raw |= (uint32_t)((measureResBuf[3] & 0xf0) >> 4);
    uint32_t temperature_raw = 0;
    temperature_raw |= ((uint32_t)(measureResBuf[3] & 0x0f) << 16);
    temperature_raw |= (uint32_t)measureResBuf[4] << 8;
    temperature_raw |= (uint32_t)measureResBuf[5];

    *humidity = (float)humidity_raw / (1 << 20);
    *temperature = (float)temperature_raw / (1 << 20) * 200.0f - 50.0f;

    // 释放信号量
    osSemaphoreRelease(SemaphoreHandle);
}


3 遇到的问题

3.1 可变参数函数sprintf的二次封装

我的这个项目包含了一个128*128的液晶屏作为console（日志系统的一部分），对外输出可供阅读的调试信息。我希望对sprintf进行二次封装，将st7735s的LCD驱动逻辑放入封装内，来实现在液晶屏幕上显示格式化之后的字符串。但是sprintf与常规函数有很大不同， 它的形参数量是可变的，无法使用常规的函数定义方式实现。目前能够使用的解决方案有如下两种：

一种方案是采用C99中的预定义宏##__VA_ARGS__，来在预处理阶段实现参数列表的可变。这里的##是连接符，用来处理参数个数为零的边界情况，当参数个数为零的时候删除其前面一个逗号（即token为空时，不进行连接），确保最终文本符合C语法。

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#define gylog(format, ...) fprintf(stdout, format, ##__VA_ARGS__)
// 或者
#define gylog(format, args...) fprintf (stdout, format, args)

第二种方案用到了stdarg库中的va_list，va_list本质上是一个指针，va_start会把指针指向参数栈顶部。这种方案下要使用vsprintf代替sprintf来接收va_list。

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void gylog(const char *format, ...)
{
    osSemaphoreAcquire(SemaphoreHandle, osWaitForever);
    char result[18];
    
    // 可变参数的处理逻辑，这里使用vaList实现
    va_list vaList;
    va_start(vaList, format);
    vsprintf(result, format, vaList);
    va_end(vaList);

    ST7735_WriteString(logCurrentX, logCurrentY, result, Font_7x10, rgbToInt(0, 0, 0), rgbToInt(255, 172, 7));
    // ...
    // ...
    osSemaphoreRelease(SemaphoreHandle);
}

3.2 vTaskList显示问题

FreeRTOS附带了一个vTaskList()函数来方便开发者查看当前所有任务（线程）的状态，提供的信息包括任务优先级、栈剩余（历史最低值）等。这个函数的输出字符串中包含ASCII制表符，但是我的日志系统不支持使用制表符进行排版，于是出现下图所示的乱码，影响美观：

解决方法很简单，把相应制表符替换成空格即可，此处省略不表。


3.3 链接期间出错问题

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Playground\Playground.axf:
Error: L6200E: Symbol SysTick_Handler multiply defined (by port.o and cmsis_os2.o).

经过仔细排查，应该是STM32CubeMX的bug，只好修改其生成的freertos文件，删除重定义，苟一下。


3.4 莫名其妙的汇编语言错误

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..\Middlewares\Third_Party\FreeRTOS\Source\portable\RVDS\ARM_CM3\port.c(392):
error: A1586E: Bad operand types (UnDefOT, Constant) for operator (

定位到出错的地方后，发现这个函数来头不小，它负责PendSV中断服务，管理同级task之间的上下文切换。PendSV可被优先级更高的ISR打断，确保系统的实时性，由#configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY指定。

对mov r0, #configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY（代表4U）稍作修改：

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__asm void xPortPendSVHandler( void )
{
    extern uxCriticalNesting;
    extern pxCurrentTCB;
    extern vTaskSwitchContext;

    PRESERVE8

    mrs r0, psp
    isb

    ldr    r3, =pxCurrentTCB        /* Get the location of the current TCB. */
    ldr    r2, [r3]

    stmdb r0!, {r4-r11}            /* Save the remaining registers. */
    str r0, [r2]                /* Save the new top of stack into the first member of the TCB. */

    stmdb sp!, {r3, r14}
    mov r0, #4
    msr basepri, r0
    dsb
    isb
    bl vTaskSwitchContext
    mov r0, #0
    msr basepri, r0
    ldmia sp!, {r3, r14}

    ldr r1, [r3]
    ldr r0, [r1]                /* The first item in pxCurrentTCB is the task top of stack. */
    ldmia r0!, {r4-r11}            /* Pop the registers and the critical nesting count. */
    msr psp, r0
    isb
    bx r14
    nop
}

4.蓝牙图传

4.1 效果图

蓝牙图传的核心实现由两台设备构成：发送端和接收端。这里的发送端是PC，接收端是STM32。


4.2 浏览器端的实现

在了解到浏览器端也有蓝牙api之后，决定上位机使用h5开发。用户选择一张图片，系统通过canvas对图片进行采样，得到128*128的RGBA矩阵，之后进行色彩空间转换，将32位的RGBA制式转换为RGB565制式。随后通过Bluetooth API发送到STM32。

下面代码展示了蓝牙初始化、连接设备、建立GATT、监听characteristic等过程。需要注意requestDevice必须由用户操作触发。

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const initBluetooth = function () {
        let type = {
            service: 0xffe0,
            writeCharacteristic: 0xffe1,
            notifyCharacteristic: 0xffe1,
        }
        let isBleSupported = navigator && "bluetooth" in navigator
        if (isBleSupported) {
            navigator.bluetooth.getAvailability().then(async () => {
                // 显示蓝牙列表
                const device = await navigator.bluetooth.requestDevice({
                    filters: [{ services: [type.service] }],
                });
                if (device) {
                    // 开始连接设备
                    const server = await device.gatt.connect();
                    // 监听characteristic
                    const service = await server.getPrimaryService(type.service);
                    const characteristic = await service.getCharacteristic(
                        type.notifyCharacteristic
                    );
                    await characteristic.startNotifications();
                    writeCharacteristic = await service.getCharacteristic(
                        type.writeCharacteristic
                    );
                } else {
                    alert("连接到设备失败")
                }
            })
        } else {
            alert("设备或浏览器不支持蓝牙")
        }
    }

下面代码展示了图片的发送过程。一张以RGB565格式编码的128*128位图，一共占用32KB的存储空间，由于BT-24模块的MTU只有253字节，所以我对图片采取了分块发送的策略，把单个数据包的大小控制在了160字节以内。发送出去的数据遵循一个简单且固定的数据包格式。0x23是一个初始化指令，单片机收到该指令后会停止所有绘制任务，等待接收0xf1绘制指令。0xf1指令有两个参数，分别是图块左上角的x坐标和y坐标。

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const sendImg = async function () {
        await utils.sendHex(Uint8Array.from([0x23, 0]))

        for (let rowNum = 0; rowNum < config.LCD_HEIGHT; rowNum++) {
            let bufferSemi1 = [];
            let bufferSemi2 = [];
            for (let i = rowNum * config.LCD_WIDTH; i < rowNum * config.LCD_WIDTH + config.LCD_WIDTH; i++) {
                let uint16Data = utils.rgbToInt(global.rgbList[i][0], global.rgbList[i][1], global.rgbList[i][2])
                if (i < rowNum * config.LCD_WIDTH + config.LCD_WIDTH / 2) {
                    bufferSemi1 = [...bufferSemi1, uint16Data >> 8, uint16Data & 0xff]
                } else {
                    bufferSemi2 = [...bufferSemi2, uint16Data >> 8, uint16Data & 0xff]
                }
            }
            await utils.sendHex(Uint8Array.from([0xf1, 0, 0, rowNum, ...bufferSemi1]))
            await utils.sendHex(Uint8Array.from([0xf1, 0, config.LCD_WIDTH / 2, rowNum, ...bufferSemi2]))
            await utils.sleep(config.sleepMs)
        }
    }

兼容性问题：Web Bluetooth API目前并不是W3C标准，目前只有Chromium系的浏览器支持得较好，Firefox和Safari更是全线不支持。


4.3 接收端的实现

借助freertos的消息队列API，在系统上电并完成初始化后，初始化一个128*4的消息队列。在接收到串口数据后，往消息队列中插入数据（ISR中完成）。使用osMessageQueuePut实现外设中断与操作系统的沟通。

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// 注册回调函数
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
{
    if (huart == &BT24_UART_PORT)
    {
        // 如果参数超时设置为0，则可以从ISR调用
        osMessageQueuePut(BT24MsgQueueHandle, receiveDataBuf, NULL, 0);
        // 开启串口不定长数据接收
        HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&BT24_UART_PORT, receiveDataBuf, BT24_SINGLE_MSG_SIZE);
        // 关闭指定中断
        __HAL_DMA_DISABLE_IT(&BT24_DMA_RX, DMA_IT_HT);
    }
}