一、項目概述與開發背景
本系統是一款基于STM32微控制器的智能刷卡消費終端，集成RFID識別、OLED顯示、Flash存儲、藍牙通信等核心模塊。項目采用uC/OS-III實時操作系統實現多任務并發處理，適用于校園一卡通、企業食堂等小額支付場景。系統支持定額扣款、按次消費、時段消費等多種模式，并通過W25Qxx Flash芯片實現交易記錄的持久化存儲。
核心功能：
- RFID卡識別與用戶信息管理
- 多模式消費扣款邏輯
- OLED交互界面顯示
- 藍牙遠程指令控制
- 交易數據Flash存儲
- 獨立看門狗系統監控
二、系統架構設計
2.1 硬件架構
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關鍵硬件組成：
- 主控芯片：STM32F4系列（Cortex-M4內核）
- RFID模塊：MFRC522非接觸式讀卡器
- 存儲模塊：W25Q128FV SPI Flash（16MB）
- 顯示模塊：0.96寸OLED（SSD1306驅動）
- 輸入設備：4x4矩陣鍵盤
- 通信模塊：HC-05藍牙模塊
- 輔助模塊：蜂鳴器、LED狀態燈、RTC時鐘
2.2 軟件架構
plaintext
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應用層
├── 用戶界面任務
├── RFID處理任務
├── 藍牙通信任務
├── 鍵盤輸入任務
└── 數據存儲任務系統層
├── uC/OS-III實時內核
├── 硬件抽象層(HAL)
│ ├── SPI
│ ├── I2C
│ ├── GPIO
│ └── USART
└── 驅動程序├── OLED顯示├── W25Qxx存儲└── MFRC522驅動
三、開發環境搭建
3.1 工具準備
- IDE：Keil MDK-ARM V5
- 調試工具：J-Link/J-Trace
- 源碼管理：Git + VS Code
- 串口工具：SecureCRT
3.2 工程配置要點
-
配置系統時鐘樹（主頻168MHz）
-
啟用FPU浮點運算單元
-
設置正確的Flash下載算法
-
配置uC/OS-III內核參數：
c
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#define OS_CFG_PRIO_MAX 32u #define OS_CFG_TICK_RATE_HZ 1000u -
優化編譯選項：
- 啟用-O2優化等級
- 勾選"Use MicroLIB"
四、關鍵模塊實現解析
4.1 uC/OS-III任務設計
任務創建模板：
c
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void Task_Function(void *p_arg)
{OS_ERR err;while(1) {// 任務主體代碼OSTimeDlyHMSM(0, 0, 0, 100, OS_OPT_TIME_HMSM_STRICT, &err);}
}// 任務控制塊定義
OS_TCB Task_TCB;
CPU_STK Task_STK[512];// 任務創建
OSTaskCreate(&Task_TCB,"Task_Name",Task_Function,0,6, // 優先級Task_STK,512/10,512,0,0,0,OS_OPT_TASK_STK_CHK | OS_OPT_TASK_STK_CLR,&err);
典型任務劃分：
- 主控任務（優先級6）：系統初始化、資源創建
- RFID掃描任務（優先級7）：實時檢測卡片
- 藍牙處理任務（優先級8）：處理AT指令
- 顯示刷新任務（優先級9）：OLED界面更新
4.2 RFID模塊驅動
MFRC522工作流程：
Image
Code
MFRC522MCUMFRC522MCU發送尋卡指令(0x26)返回卡類型防沖突指令(0x93)返回卡UID選擇卡片(0x70)認證指令(0x60)讀寫數據塊
關鍵代碼片段：
c
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uint8_t MFRC522_Auth(uint8_t authMode, uint8_t blockAddr, uint8_t *sectorKey, uint8_t *serNum)
{uint8_t buff[12];buff[0] = authMode;buff[1] = blockAddr;memcpy(&buff[2], sectorKey, 6);memcpy(&buff[8], serNum, 4);return MFRC522_ToCard(PCD_AUTHENT, buff, 12, buff, &recvBits);
}
4.3 Flash存儲設計
存儲結構規劃：
c
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#define W25QXX_MSG_SIZE 64 // 每條記錄64字節
#define W25QXX_MSG_ADDR (W25QXX_Block(0)+W25QXX_Sector(1))typedef struct {uint8_t cardUID[8]; // 卡號float balance; // 余額uint32_t timestamp; // RTC時間戳uint8_t type; // 消費類型
} TransactionRecord;
寫入流程：
- 獲取寫信號量
- 擦除目標扇區
- 按頁寫入數據
- 校驗寫入結果
- 釋放信號量
c
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void Write_Transaction(TransactionRecord *record)
{OS_ERR err;OSSemPend(&Flash_Sem, 0, OS_OPT_PEND_BLOCKING, 0, &err);uint8_t buffer[W25QXX_MSG_SIZE];memset(buffer, 0, sizeof(buffer));memcpy(buffer, record, sizeof(TransactionRecord));W25Qxx_Erase_Sector(W25QXX_MSG_ADDR);W25Qxx_Page_Write(buffer, W25QXX_MSG_ADDR, W25QXX_MSG_SIZE);OSSemPost(&Flash_Sem, OS_OPT_POST_1, &err);
}
五、系統資源管理策略
5.1 同步機制設計
-
互斥鎖應用場景：
mutex_oled：保證OLED刷新原子性mutex_rc522：防止多任務同時訪問RFID模塊
-
信號量使用：
RC522_ONLINE_SEM：卡檢測事件通知w25qxx_print_sem：Flash操作完成信號
-
消息隊列示例：
c
Copy
OS_Q keyboard_q; // 鍵盤輸入隊列 void Key_Scan_Task(void) {char key = Key_GetNum();OSQPost(&keyboard_q, &key, sizeof(char), OS_OPT_POST_FIFO, &err); }
5.2 內存管理優化
- 使用uC/OS-III內置內存池
- 關鍵數據結構靜態分配
- 避免在中斷服務程序中動態分配內存
c
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OS_MEM *MemPool;
uint8_t MemBuff[10][64]; // 預分配內存池void Mem_Init(void)
{OSMemCreate(MemPool, "Memory Pool", MemBuff, 10, 64, &err);
}
六、開發調試技巧
6.1 調試手段
-
LED狀態指示：關鍵流程添加LED閃爍
c
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LED1_ON(); // 關鍵操作 LED1_OFF(); -
串口調試日志：
c
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#define DEBUG_LOG(fmt, ...) \printf("[%s] "fmt"\r\n", __func__, ##__VA_ARGS__) -
uC/OS-III性能監控：
c
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CPU_SR_ALLOC(); OS_CPU_SysTickInit(SystemCoreClock / OSCfg_TickRate_Hz);
6.2 常見問題解決
問題1：OLED顯示亂碼
- 檢查I2C地址是否正確（0x78/0x7A）
- 驗證字庫編碼格式（GB2312/Unicode）
- 測量電源電壓是否穩定（3.3V±5%）
問題2：Flash寫入失敗
- 確認寫保護引腳狀態
- 增加寫操作超時檢測
- 添加CRC校驗機制
問題3：多任務優先級反轉
-
使用互斥鎖的優先級繼承策略
c
Copy
OSMutexCreate(&mutex, "Mutex", OS_OPT_PRIO_INHERIT, &err);
七、項目擴展方向
- 安全增強：
- 添加AES-128數據加密
- 實現雙向認證流程
- 加入防拆機檢測電路
- 功能擴展：
- 支持NFC手機支付
- 添加熱敏小票打印
- 集成4G聯網功能
- 性能優化：
- 啟用DMA加速SPI傳輸
- 實現Flash磨損均衡算法
- 采用RT-Thread等更輕量級OS
結語
通過本項目的開發實踐，讀者可以掌握基于實時操作系統的嵌入式開發全流程。重點理解多任務間的資源協調、底層驅動的封裝優化、以及系統級調試方法。建議在完成基礎功能后，逐步嘗試擴展模塊的開發，以全面提升嵌入式系統設計能力。
![[人機交互]以用戶為中心的交互設計](http://pic.xiahunao.cn/[人機交互]以用戶為中心的交互設計)
 (上 前置知識介紹))
: 通過 jsdelivr 實現動態加載與批注功能的思考)
