浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息傳媒與自動(dòng)化學(xué)院 鄭定超

基于STM32的嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息傳媒與自動(dòng)化學(xué)院 鄭定超

針對(duì)嵌入式系統(tǒng)在教學(xué)中存在的困難,為了方便學(xué)生理解和掌握嵌入式知識(shí),設(shè)計(jì)了一款基于STM32的嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案。平臺(tái)不僅提供單片機(jī)最小系統(tǒng),還提供所有I/O口資源和部分外設(shè),方便學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)性操作和擴(kuò)展設(shè)計(jì);同時(shí)介紹了基于本平臺(tái)的部分實(shí)驗(yàn)。從實(shí)訓(xùn)課程的使用效果來看,學(xué)生對(duì)嵌入式知識(shí)的掌握有了顯著的理解和提高。

嵌入式系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)教學(xué);STM32

0 引言

嵌入式系統(tǒng)(Embedded System),是以用戶需求為中心、計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),能進(jìn)行軟硬件裁剪,適用于對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等要求具有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[1]。目前,隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和其他相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到社會(huì)生活的各個(gè)方面,成為當(dāng)前最熱門的研究領(lǐng)域之一。

由于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及到許多方面的知識(shí),包括硬件設(shè)計(jì)開發(fā)部分、軟件設(shè)計(jì)開發(fā)部分,以及綜合調(diào)試部分;因此嵌入式系統(tǒng)不能成為一個(gè)單獨(dú)的學(xué)科,它與許多的學(xué)科知識(shí)都有交叉。無論是在我國(guó)的高職院校還是本科院校中,"單片機(jī)技術(shù)"這門課程在電氣、電子、機(jī)電、自動(dòng)化等專業(yè)中都有著十分重要的地位,與電路、計(jì)算機(jī)、程序開發(fā)等課程都有著緊密聯(lián)系,互相依托,互相交融。為了使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)開發(fā)嵌入式系統(tǒng),理解掌握嵌入式技術(shù)重難點(diǎn),總結(jié)過去的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)了一款基于STM32的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。通過此平臺(tái),旨在促進(jìn)學(xué)生的工程實(shí)踐能力,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí);此平臺(tái)還可以適用于課程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、設(shè)計(jì),畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)。

當(dāng)前,大部分學(xué)校的單片機(jī)課程教學(xué)還是以51單片機(jī)為主,51單片機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。但是,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及項(xiàng)目要求的不斷提高,傳統(tǒng)的51單片機(jī)已經(jīng)不能滿足用戶的需求。因此,設(shè)計(jì)一款基本功能完善、性能良好、容易學(xué)習(xí)的嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)就很有意義。

STM32系列基于為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核,相比較51單片機(jī)性價(jià)比高很多,因此設(shè)計(jì)一款基于STM32的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)就很有必要。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

STM32F103系列芯片是意法半導(dǎo)體(ST)公司推出的一款32位ARM微控制器,其內(nèi)核是Cortex-M3.Cortex-M3作為ARM7的后繼者,采用了全新的設(shè)計(jì)架構(gòu),從而顯著地簡(jiǎn)化了編程和調(diào)試的復(fù)雜度,處理能力也大大增強(qiáng)。Cortex-M3采用哈佛結(jié)構(gòu),使程序指令和數(shù)據(jù)分開進(jìn)行存儲(chǔ),內(nèi)核中集成了中斷控制器方便用戶進(jìn)行中斷管理[2]。

圖1所示是Cortex-M3處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

圖1 Cortex-M3處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

STM32系列單片機(jī)具有豐富的外設(shè)資源,功能強(qiáng)大,此次設(shè)計(jì)以STM32F103RCT6作為MCU,根據(jù)芯片手冊(cè)設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng),同時(shí)增加相應(yīng)的外設(shè)構(gòu)成一個(gè)完整的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。此平臺(tái)包括輸入模塊、單片機(jī)最小控制系統(tǒng)以及輸出模塊。

圖2所示是此次教學(xué)平臺(tái)的總體方案框圖。

圖2 系統(tǒng)總體方案框圖

圖3 MCU模塊電路原理圖

本系統(tǒng)主要有USB一鍵下載/供電電路和JTAG下載調(diào)試電路,方便用戶取電、下載調(diào)試程序;同時(shí)引出STM32單片機(jī)的所有I/O口資源,方便用戶擴(kuò)展和測(cè)試。此外開發(fā)平臺(tái)包括按鍵電路、溫濕度電路、顯示電路、LED電路,以及還有無線模塊等其他擴(kuò)展電路,可以方便學(xué)生根據(jù)自身的需求進(jìn)行不同的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)電路功能,整個(gè)系統(tǒng)分輸入模塊,MCU控制模塊和輸出模塊,學(xué)生可以分模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)也可以設(shè)計(jì)整個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。

1.2 MCU控制模塊

教學(xué)平臺(tái)采用STM32F103RCT6作為控制芯片,根據(jù)芯片手冊(cè)設(shè)計(jì)電源電路、時(shí)鐘電路、時(shí)鐘電路構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)。同時(shí)設(shè)計(jì)了BOOT啟動(dòng)電路,引出了芯片的I/O口資源,方便學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新擴(kuò)展。

圖3所示是該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的MCU控制模塊電路。

1.3 輸入模塊

一個(gè)完整的單片機(jī)控制系統(tǒng)都有輸入部分用以信息的采集,就像一臺(tái)完整的電腦就一定有鍵盤鼠標(biāo)一樣。本平臺(tái)的輸入模塊只要有按鍵電路和溫濕度接口電路,其中按鍵電路提供了多種接法。學(xué)生既可以根據(jù)現(xiàn)有的電路進(jìn)行操作驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),也可以自行設(shè)計(jì)。

圖4所示是該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的輸入模塊電路原理圖。

1.4 輸出模塊

圖4 輸入模塊電路原理圖

本平臺(tái)提供的輸出方式主要有兩種,LED發(fā)光二極管和LCD液晶顯示屏顯示。因此該設(shè)計(jì)包括LED顯示電路和LCD液晶接口電路。學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際需求選擇不同的顯示方式,或者自行對(duì)I/O口擴(kuò)展設(shè)置輸出方式。

圖5所示是平臺(tái)的輸出模塊電路原理圖。

1.5 其他模塊

圖5 輸出模塊電路原理圖

除了輸入、控制和輸出模塊,本平臺(tái)還設(shè)計(jì)提供了無線模塊接口電路、USB一鍵下載/供電電路和JTAG下載調(diào)試電路[3],方便學(xué)生進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)的操作,有利于掌握STM32的相關(guān)知識(shí)。

圖6所示是該部分的電路原理圖。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)除了提供基于STM32的最小開發(fā)系統(tǒng)外,還提供了部分外設(shè)功能,適合學(xué)生由淺到深地了解單片機(jī)的原理。學(xué)生不僅可以進(jìn)行基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)操作,還可以根據(jù)需求自己進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果,配合課程教學(xué),在理論學(xué)習(xí)的同時(shí)能進(jìn)行動(dòng)手操作實(shí)踐,本平臺(tái)設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)方便學(xué)生學(xué)習(xí)操作;此外系統(tǒng)引出了STM32芯片的所有I/O口資源,學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)和創(chuàng)新。

表1所示是本平臺(tái)提供的部分實(shí)驗(yàn)列表。

圖6 其他模塊電路原理圖

表1 學(xué)生選擇喜歡的新課導(dǎo)入方式的比例(%)

2.1 基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)

為了讓學(xué)生熟悉嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和電路原理,對(duì)嵌入式控制系統(tǒng)有一個(gè)初步的了解和認(rèn)識(shí),本平臺(tái)提供基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn),幫助學(xué)生理解和掌握STM32芯片的GPIO引腳、系統(tǒng)時(shí)鐘、中斷系統(tǒng)等相關(guān)知識(shí)。

以跑馬燈實(shí)驗(yàn)為例,這個(gè)實(shí)驗(yàn)是最基礎(chǔ)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,主要涉及到STM32芯片的GPIO引腳的知識(shí)。通過此實(shí)驗(yàn),學(xué)生能掌握GPIO口的工作原理及相關(guān)操作。GPIO口初始化的部分代碼如下:

RCC->APB2ENR|=1<<2;//使能PORTA時(shí)鐘

GPIOA->CRH&=0XFFFFFFF0;

GPIOA->CRH|=0X00000003;//PA8推挽輸出

GPIOA->ODR|=1<<8;//PA8輸出高

2.2 設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)

為了培養(yǎng)學(xué)生熟練運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析解決問題的能力,本平臺(tái)提供了部分外設(shè)用以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),將多個(gè)知識(shí)點(diǎn)結(jié)合在一起,讓學(xué)生可以設(shè)計(jì)出一個(gè)完整的單片機(jī)控制系統(tǒng),幫助學(xué)生掌握嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

圖7 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

一個(gè)完整的嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)包含輸入、控制和輸出三大部分。以溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例,由溫度傳感器采集溫度信號(hào),經(jīng)過單片機(jī)處理后經(jīng)顯示屏顯示,可以清楚直觀地讀取溫度信息。

溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

3 分析與總結(jié)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及,嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)課程已成為當(dāng)前各大高校最普遍開設(shè)的課程之一。由于嵌入式系統(tǒng)自身的特點(diǎn)決定了學(xué)習(xí)的困難性,本平臺(tái)提供了單片機(jī)最小系統(tǒng),引出了所有I/O口資源,方便學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí);此外提供了部分外設(shè),從輸入、控制到輸出構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì),為學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了思路。此外本平臺(tái)提供了USB一鍵下載電路、JTAG調(diào)試電路,方便學(xué)生進(jìn)行平臺(tái)操作;下一步我們將分析學(xué)生的實(shí)訓(xùn)課程效果,進(jìn)一步對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)和完善,增加實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和外圍擴(kuò)展。

[1]劉科征,黃俊,漆晶。基于STM32的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]。數(shù)字通信,2013,06:85-87+92.

[2]王鵬舉,鄭麗姣。STM32嵌入式處理器模塊化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]。軟件導(dǎo)刊,2016,05:90-91.

[3]劉敏?；谇度胧较到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]。軟件,2014,02: 41-42+45.

[4]姚文詳,宋巖。ARM Cortex-M3權(quán)威指南[M]。北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

鄭定超(1991-),浙江溫州人,碩士研究生,現(xiàn)工作于浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院,主要研究方向:嵌入式控制與計(jì)算機(jī)軟件控制。