wandering1/DTU-LCD

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2026-01-25 15:49:39 +08:00

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DTU LED 项目

基于 STM32F103ZE 的数据传输单元（DTU）项目，集成了 LCD 显示、按键控制、RS485 Modbus 通信等功能。

📋 项目简介

本项目是一个完整的 DTU 设备固件，实现了屏幕显示、按键交互、远程通信等核心功能。设备通过 RS485 接口与上位机进行 Modbus RTU 协议通信，支持图片传输、按键上报、状态监控等功能。

🎯 主要功能

LCD 显示：160×160 像素黑白 LCD，UC1698U 控制器，支持图形和文本显示
按键控制：基于 MultiButton 库的按键检测，支持多种按键事件
RS485 通信：Modbus RTU 协议，DMA 接收模式，波特率 700000
LED 指示：系统运行状态指示灯
看门狗保护：独立看门狗（IWDG）防止系统死机
Flash 存储：支持 BMP 图片数据存储到 Flash（扇区 126，地址 0x0803F000）
定时器管理：5ms 周期定时器，用于系统任务调度

🔧 硬件平台

MCU：STM32F103ZE（Cortex-M3，512KB Flash，64KB RAM）
系统时钟：72MHz（PLL 倍频）
LCD：160×160 像素，UC1698U 控制器
通信接口：RS485（USART2，TX=PA2，RX=PA3，DE=PA1）
按键：支持多按键输入（具体引脚见 Drivers/BSP/KEY/key.c）
LED：系统运行指示灯

📁 项目结构

LED/
├── Drivers/                    # 驱动层
│   ├── BSP/                   # 板级支持包
│   │   ├── 160160D/          # LCD 显示驱动
│   │   ├── KEY/              # 按键驱动（MultiButton）
│   │   ├── LED/              # LED 驱动
│   │   ├── RS485/            # RS485 通信驱动
│   │   ├── WDOG/             # 看门狗驱动
│   │   └── TIM/              # 定时器驱动
│   ├── CMSIS/                # CMSIS 核心文件
│   ├── STM32F1xx_HAL_Driver/ # STM32 HAL 库
│   └── SYSTEM/               # 系统核心驱动
│       ├── sys/              # 系统配置（时钟、中断等）
│       ├── delay/            # 延时函数
│       └── usart/            # 串口驱动（调试用）
├── Middlewares/              # 中间件层
│   └── Modbus/               # Modbus RTU 协议实现
│       ├── MODBUS.c/h       # Modbus 主处理
│       └── CRC16.c/h        # CRC16 校验
├── Users/                     # 用户应用层
│   ├── main.c               # 主程序入口
│   ├── File_Handle.c        # Flash 文件处理
│   └── config.h             # 配置文件
├── Projects/                 # 工程文件
│   └── MDK-ARM/             # Keil MDK-ARM 工程
├── Output/                   # 编译输出（仅保留 .hex）
└── readme.md                 # 本文件

🚀 快速开始

开发环境要求

IDE：Keil MDK-ARM V5.06 或更高版本
编译器：ARM Compiler 5/6
调试器：ST-Link、J-Link 等
Pack：Keil.STM32F1xx_DFP.2.4.1 或更高版本

编译步骤

打开 Projects/MDK-ARM/atk_f103.uvprojx 工程文件
选择目标设备：STM32F103ZE
编译工程（F7 或 Project → Build Target）
编译成功后，Output/ 目录下会生成 DTU.hex 文件

烧录程序

连接 ST-Link 或其他调试器到目标板
在 Keil 中点击 Download（F8）或使用外部烧录工具
烧录 Output/DTU.hex 文件到 MCU

📡 通信协议

Modbus RTU 配置

协议：Modbus RTU
主站地址：0x01
波特率：700000
数据位：8
停止位：1
校验位：无
接收模式：DMA ReceiveToIdle（不定长帧接收）

通信功能

实时数据上报：定时上报系统状态
按键事件上报：按键按下时上报按键值
图片传输：接收并显示远程发送的 BMP 图片数据
屏幕刷新：支持远程刷新屏幕显示内容

🔄 工作流程

本项目核心功能是按键检测上报和图像接收显示，主要逻辑在 MODBUS.c 文件中实现。

系统整体架构

┌─────────────┐         ┌──────────────┐         ┌─────────────┐
│   定时器    │ 5ms中断  │   按键驱动    │ 检测按键 │   主循环    │
│  (5ms周期)  │────────>│ (MultiButton)│────────>│  (main.c)   │
└─────────────┘         └──────────────┘         └──────┬──────┘
                                 │──────────────────────│
                                 │ RS485_Process
                                 ▼
┌─────────────┐         ┌──────────────┐         ┌─────────────┐
│   RS485     │ DMA接收 │  MODBUS.c    │ 处理数据 │   LCD显示     │
│  (USART2)   │────────>│  (主处理)    │────────>│  (160160D)   │
└─────────────┘         └──────┬───────┘         └─────────────┘
                               │
                 ┌─────────────┼─────────────┐
                 │ 发送命令    │             │ 解析数据控制
                 ▼             │             ▼
          ┌─────────────┐      │      ┌─────────────┐
          │   上位机    │      │      │    LED      │
          │  (138端)    │      │      │  (状态指示) │
          └─────────────┘      │      └─────────────┘
                               │

说明：MODBUS.c 接收 RS485 数据后解析；普通图片帧中的 info[0..3] 为 LED 状态，经 LED_Printf() 更新灯状态；LOGO 图片不含 LED 控制。

按键检测与上报流程

1. 按键检测流程

定时器中断 (5ms)
    │
    ├─> Button_Ticks()          // MultiButton 库扫描按键
    │
    └─> 检测到按键按下
            │
            ├─> Key_ProcessCallback()  // 按键回调函数
            │       │
            │       ├─> BackLight_ON()      // 打开背光
            │       ├─> KeyRun_Disp(1)      // 显示按键指示
            │       └─> keyStatus = key_type // 更新按键状态
            │
            └─> 主循环检测 keyStatus
                    │
                    └─> RS485_Process(keyStatus, ConnectFlg)

2. 按键上报流程

RS485_Process() 函数
    │
    ├─> 检测到按键 (key != KEY_NONE)
    │       │
    │       └─> 保存到 key_bk（静态变量，保持状态）
    │
    ├─> 检查发送条件
    │       │
    │       ├─> CMD_ACK == SET        // 上次命令已应答
    │       └─> ACK_OverTime == SET   // 或应答超时
    │
    └─> 满足条件时发送按键命令
            │
            ├─> RefreshScreen(KEY_CMD, key_bk)
            │       │
            │       ├─> RS485_RefreshScreenCMD(0x03, KEY_CMD, key)
            │       │       │
            │       │       ├─> 构建命令帧（6字节）：
            │       │       │   [0] = 0x01 (从站地址)
            │       │       │   [1] = 0x03 (功能码)
            │       │       │   [2] = 0x00 (KEY_CMD)
            │       │       │   [3] = key  (按键值)
            │       │       │   [4-5] = CRC16校验
            │       │       │
            │       │       └─> RS485_SendBuff() 发送
            │       │
            │       └─> 重置轮询状态
            │
            └─> key_bk = KEY_NONE  // 清除按键备份

按键命令帧格式（6字节）：

┌──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┐
│ 0x01 │ 0x03 │ 0x00 │ key  │ CRC  │ CRC  │
│地址  │功能码 │按键  │按键值 │ 高   │ 低   │
└──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┘

图像接收与显示流程

1. 数据接收流程

RS485 DMA 接收 (ReceiveToIdle)
    │
    ├─> 接收到一帧数据（3208字节）
    │       │
    │       └─> HAL_UARTEx_RxEventCallback()
    │               │
    │               ├─> RS485REG.NewMessageFlag = SET
    │               └─> 重新启动 DMA 接收
    │
    └─> 主循环检测 NewMessageFlag
            │
            └─> RS485_Process() 处理新消息

2. 数据解析与显示流程

RS485_Process() 检测到新消息
    │
    ├─> NewMessageFlag == SET
    │       │
    │       ├─> ConnectFlg = 1  // 设置连接标志
    │       │
    │       ├─> CRC 校验
    │       │       │
    │       │       ├─> 校验通过
    │       │       │       │
    │       │       │       ├─> 提取数据：
    │       │       │       │   Picture[3200] = DR[0:3199]    // 图片数据
    │       │       │       │   info[8] = DR[3200:3207]        // 命令信息
    │       │       │       │
    │       │       │       ├─> 解析 info： 
    │       │       │       │   
    │       │       │       │   info[4-5] = 图片类型标识
    │       │       │       │
    │       │       │       └─> 判断图片类型
    │       │       │               │
    │       │       │               ├─> LOGO 图片 (info[4]==0x89 && info[5]==0x45)
    │       │       │               │       │─>info[0-1] = 图片宽度 (16位)
    │       │       │               │       │─>info[2-3] = 图片高度 (16位)
    │       │       │               │       ├─> 复制到 logo 结构体
    │       │       │               │       ├─> BMP_SAVE2False()  // 保存到 Flash
    │       │       │               │       ├─> ClearScreen()     // 清屏
    │       │       │               │       ├─> LOGO_Printf()     // 显示 LOGO
    │       │       │               │       └─> delay_ms(2000)    // 延时 2 秒
    │       │       │               │
    │       │       │               └─> 普通图片
    │       │       │                       │─>info[0-3] = LED 状态 
    │       │       │                       ├─> LED_Printf(LED_BUFF)  // 更新 LED 状态
    │       │       │                       └─> ScreenPrintf(Picture) // 显示图片
    │       │       │
    │       │       └─> 校验失败
    │       │               │
    │       │               ├─> CRC_ERR_COUNT++
    │       │               └─> 连续 3 次错误 → RS485_DMA_init() 重新初始化
    │       │
    │       └─> 清除标志并设置 CMD_ACK = SET
    │
    └─> 继续处理其他任务

接收数据帧格式（3208字节）：

┌─────────────────────┬──────────────────┐
│   Picture[3200]     │    info[8]       │
│   图片点阵数据       │    命令信息       │
└─────────────────────┴──────────────────┘
         │                      │
         │                      ├─> info[0-1]: 宽度
         │                      ├─> info[2-3]: 高度
         │                      ├─> info[4-5]: 类型标识
         │                      └─> info[6-7]: LED状态(普通图片)
         │
         └─> 3200 字节 BMP 点阵数据

实时数据轮询流程

定时器中断 (5ms)
    │
    └─> Process_Count()
            │
            ├─> RT_count++              // 实时轮询计数递增
            └─> ACK_count++ (如果 ACK_COUNT_ABLE == SET)
                    │
                    └─> 主循环检查
                            │
                            ├─> RT_count > 55 (约 275ms)
                            │       │
                            │       └─> RefreshScreen(RT_CMD, 0)  // 发送实时刷新命令
                            │
                            └─> ACK_count > 40 (约 200ms)
                                    │
                                    └─> ACK_OverTime = SET  // 应答超时
                                            │
                                            └─> 连续 5 次超时 → 重新初始化 RS485

完整工作流程图

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    系统初始化                                │
│  - HAL_Init()                                               │
│  - RS485_DMA_init()  // 启动 DMA 接收                        │
│  - Process_Init()   // 初始化轮询状态                        │
│  - NL_LOGO_Printf() // 显示 Flash 中的 LOGO                  │
└──────────────────────┬──────────────────────────────────────┘
                       │
                       ▼
        ┌──────────────────────────────┐
        │      主循环 (while(1))        │
        └──────────────┬───────────────┘
                       │
        ┌──────────────┴───────────────┐
        │                              │
        ▼                              ▼
┌───────────────┐            ┌───────────────┐
│  定时器中断    │            │  RS485_Process│
│   (5ms周期)   │            │   (主处理)     │
└───────┬───────┘            └───────┬───────┘
        │                            │
        ├─> Button_Ticks()           ├─> 检查新消息
        ├─> Process_Count()          │   (NewMessageFlag)
        └─> 其他任务                 │
                                    ├─> CRC 校验
                                    │
                                    ├─> 解析数据
                                    │   ├─> LOGO 图片 → 保存 Flash + 显示
                                    │   └─> 普通图片 → 显示图片 + LED
                                    │
                                    ├─> 检查按键上报
                                    │   └─> 发送按键命令 (KEY_CMD)
                                    │
                                    └─> 检查定时刷新
                                        └─> 发送实时命令 (RT_CMD)

关键数据结构

RS485_POLL_TYPE（轮询状态）

typedef struct {
    volatile uint8_t  RT_count;        // 实时命令计数（0-55，约275ms）
    volatile uint16_t CMD_ACK;          // 命令应答标志（SET=可发送）
    volatile uint8_t  ACK_COUNT_ABLE;   // 应答计时使能
    volatile uint8_t  ACK_count;        // 应答等待计数（0-40，约200ms）
    volatile uint8_t  ACK_OverTime;     // 本次应答超时标志
    volatile uint8_t  ACK_OverTimeCnt;  // 连续超时次数（0-5）
} RS485_POLL_TYPE;

logo_type（LOGO 图片数据）

typedef struct {
    uint8_t  bmpdata[3200];  // BMP 点阵数据
    uint32_t biWidth;        // 图片宽度（像素）
    uint32_t biHeight;       // 图片高度（像素）
} logo_type;

关键时间参数

参数	值	说明
定时器周期	5ms	系统基础时钟周期
实时轮询周期	55×5ms = 275ms	定时发送实时刷新命令
应答超时时间	40×5ms = 200ms	等待应答的最大时间
连续超时上限	5 次	超过则重新初始化 RS485
CRC 错误上限	3 次	连续错误则重新初始化 RS485
LOGO 显示时间	2000ms	LOGO 图片显示持续时间

错误处理机制

CRC 校验失败：
- 累计错误计数 CRC_ERR_COUNT
- 连续 3 次错误 → 重新初始化 RS485 DMA 接收
应答超时：
- 发送命令后启动应答计时（ACK_COUNT_ABLE = SET）
- 200ms 内未收到应答 → 设置超时标志
- 连续 5 次超时 → 清除连接标志，重新初始化 RS485
通信恢复：
- 重新初始化后，CMD_ACK = SET，允许重新发送命令
- 系统自动恢复通信流程

🔌 引脚分配

以下引脚定义与 led.c、key.c、rs485.c、160160D.C 中的配置一致。

LED 灯（共 20 个）

所有 LED 均为低电平有效（输出低电平点亮，高电平熄灭）。推挽输出，上拉，高速。

LED ID	宏/用途	端口	引脚	说明
0	`LED_POW`	PC	PC8	电源指示灯
1	`LED_RUN`	PC	PC9	运行指示灯
2	—	PA	PA9	通用 LED
3	—	PA	PA11	通用 LED
4	—	PA	PA15	通用 LED
5	—	PC	PC11	通用 LED
6	—	PD	PD0	通用 LED
7	—	PD	PD2	通用 LED
8	—	PD	PD4	通用 LED
9	—	PD	PD6	通用 LED
10	—	PC	PC7	通用 LED
11	—	PA	PA8	通用 LED
12	—	PA	PA10	通用 LED
13	—	PA	PA12	通用 LED
14	—	PC	PC10	通用 LED
15	—	PC	PC12	通用 LED
16	—	PD	PD1	通用 LED
17	—	PD	PD3	通用 LED
18	—	PD	PD5	通用 LED
19	—	PD	PD7	通用 LED

代码位置：Drivers/BSP/LED/led.c 中 led_config[] 数组。
API：LED_On(id) / LED_Off(id) / LED_Toggle(id)；电源灯 LED_POW(x)，运行灯 LED_Toggle(LED_RUN)。

按键（共 8 个）

按键为输入，无上拉/下拉（由外部电路决定）。按下为低电平，释放为高电平。

按键类型	端口	引脚	说明
`KEY_ENTER`	PD	PD12	确认键
`KEY_UP`	PD	PD11	上键
`KEY_DOWN`	PD	PD10	下键
`KEY_LEFT`	PD	PD13	左键
`KEY_RIGHT`	PD	PD8	右键
`KEY_ESC`	PB	PB15	取消键
`KEY_ADD`	PB	PB3	加键（需禁用 JTAG，见下）
`KEY_RESET`	PD	PD15	复位键

代码位置：Drivers/BSP/KEY/key.c 中 key_configs[] 数组。
JTAG 说明：使用 PB3 时，Key_Init() 中会调用 __HAL_AFIO_REMAP_SWJ_NOJTAG() 禁用 JTAG、保留 SWD，以释放 PA15、PB3、PB4 作 GPIO。调试请使用 SWD（PA13/PA14）。

RS485 通信

信号	端口	引脚	说明
TX	PA	PA2	USART2_TX
RX	PA	PA3	USART2_RX
DE	PA	PA1	收发使能，低电平发送、高电平接收

LCD 显示（160160D / UC1698U）

信号	端口	引脚	说明
背光	PB	PB0	背光控制
RST	PB	PB10	复位
CS	PB	PB11	片选
RD	PB	PB12	读使能
WR	PB	PB13	写使能
CD	PB	PB14	命令/数据选择
D0～D7	PE	PE8～PE15	8 位并行数据总线

⚙️ 系统配置

时钟配置

系统时钟：72MHz
AHB 时钟：72MHz
APB1 时钟：36MHz
APB2 时钟：72MHz

定时器配置

定时器周期：5ms
中断优先级：组 2，抢占优先级 1，子优先级 0

看门狗配置

类型：独立看门狗（IWDG）
喂狗周期：5ms（在定时器中断中喂狗）

系统保护

自动复位：系统运行时间超过 5000 秒（约 83 分钟）自动复位，防止长时间运行异常

📝 代码规范

本项目遵循以下代码规范：

注释风格：Doxygen 风格注释（@file、@brief、@param、@retval 等）
命名规范：驼峰命名法（函数、变量），宏定义全大写
文件组织：按功能模块划分，驱动层、中间件层、应用层分离

🔍 主要模块说明

LCD 显示模块（160160D）

驱动 UC1698U 控制器
支持 4K 色（RGB444）和 64K 色（RGB565）
提供字符显示、图形显示、LOGO 显示等功能

按键模块（KEY）

基于 MultiButton 库
支持单击、长按、双击等事件
按键事件通过回调函数处理

RS485 通信模块

DMA 接收模式（主工作模式）
中断接收模式（错误恢复）
支持不定长帧接收（ReceiveToIdle）

Modbus 模块

Modbus RTU 协议实现
支持实时数据上报、按键上报
支持图片数据传输和屏幕刷新

Flash 存储模块

BMP 图片数据存储（地址：0x0803F000）
扇区大小：2KB
支持读取和写入操作

🐛 调试说明

调试接口

SWD 接口：SWDIO、SWCLK（标准 STM32 SWD 接口）
串口调试：可通过 USART1 进行调试输出（如需要）

常见问题

编译错误：检查 Pack 是否安装正确，设备型号是否为 STM32F103ZE
烧录失败：检查调试器连接，确认目标板供电正常
通信异常：检查 RS485 接线，确认波特率配置正确
显示异常：检查 LCD 接线，确认背光控制正常

📄 许可证

本项目由阜阳师范大学物电学院开发。

👥 作者

开发单位：阜阳师范大学物电学院
版本：V0.1
日期：2026.1.19

📚 参考资料

STM32F103 参考手册

🔄 版本历史

V0.1（2026.1.19）
- 初始版本
- 实现 LCD 显示、按键控制、RS485 Modbus 通信等基础功能
- 添加看门狗保护和系统自动复位功能

注意：本项目仅供学习和研究使用。使用前请仔细阅读代码注释，确保硬件连接正确。

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