基于STM32微處理器的嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

劉 清　郭津津　楊秀萍　王收軍　郭悅虹　孫艷芳

天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　天津　300384

基于STM32微處理器的嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

劉 清郭津津楊秀萍王收軍郭悅虹孫艷芳

天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300384

針對(duì)嵌入式控制技術(shù)課程的本科教學(xué)，設(shè)計(jì)并制作了一款基于STM32微處理器的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以STM32為控制核心，并擴(kuò)展了無線通信模塊、攝像頭模塊、紅外遙控模塊、溫度/濕度檢測(cè)模塊等豐富的外圍資源，具有入門快速、操作簡(jiǎn)單、功能豐富的特點(diǎn)，非常適合本科生嵌入式教學(xué)。基于嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)了3個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)由淺入深、循序漸進(jìn)，能夠有效培養(yǎng)動(dòng)手能力強(qiáng)、具有創(chuàng)新思維的嵌入式開發(fā)人才。嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)、參加各種電子競(jìng)賽、找工作或進(jìn)一步深造等提供必備的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

嵌入式系統(tǒng)；STM32；教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

隨著嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制、消費(fèi)電子、醫(yī)療儀器、航天航空、汽車電子等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，社會(huì)對(duì)于嵌入式開發(fā)人才的需求不斷增加，加強(qiáng)這方面的人才培養(yǎng)尤為重要［1，2］。嵌入式控制技術(shù)是一門跨學(xué)科、工程實(shí)踐性很強(qiáng)的現(xiàn)代技術(shù)課程，需要學(xué)生掌握電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及應(yīng)用領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的各種理論知識(shí)以及實(shí)踐技能，這給嵌入式教學(xué)造成很大的挑戰(zhàn)［3，4］。為了更好地進(jìn)行本科創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，迫切需要設(shè)計(jì)開發(fā)一款合理適用的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［5，6］。

本文選擇ARM公司全新推出的Cortex-M系列微處理器STM32［7］作為主控芯片，設(shè)計(jì)并制作了一款嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有入門快速、簡(jiǎn)單易學(xué)、功能豐富的特點(diǎn)，非常適合本科生嵌入式教學(xué)。基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開發(fā)了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、選作實(shí)驗(yàn)以及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)這3個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，體現(xiàn)出簡(jiǎn)單易用、前后連貫的總體設(shè)計(jì)思路，將有效支持學(xué)生進(jìn)行嵌入式學(xué)習(xí)。

1　嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1處理器選擇

進(jìn)行嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要考慮的問題是選擇哪一款A(yù)RM處理器作為控制系統(tǒng)核心。Cortex-M系列微處理器是ARM公司全新推出的嵌入式微處理器，目前已經(jīng)成為行業(yè)的主流選擇［8，9］。為了更好地跟隨市場(chǎng)變化，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇具有Cortex-M3架構(gòu)的STM32微處理器芯片，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)。

1.2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體設(shè)計(jì)

本文基于STM32微處理器芯片設(shè)計(jì)嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并擴(kuò)展了豐富的外圍資源，包括無線通信模塊、攝像頭模塊、紅外遙控模塊、溫度/濕度檢測(cè)模塊等，體現(xiàn)出簡(jiǎn)單易用、前后連貫的總體設(shè)計(jì)思路。設(shè)計(jì)完成的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要功能模塊原理圖如圖1所示。

圖1　嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要功能模塊原理圖

1.3主要功能模塊

嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括最小系統(tǒng)模塊以及10個(gè)主要的外圍功能模塊。

（1）最小系統(tǒng)模塊：主要包括STM32系列微處理器芯片STM32F103VCT6、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。

（2）GPIO實(shí)驗(yàn)?zāi)K：通過GPIO引腳進(jìn)行發(fā)光二極管、蜂鳴器以及按鍵的控制。

（3）UART實(shí)驗(yàn)?zāi)K：通過串行通信接口將嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與PC機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收功能。

（4）外部中斷實(shí)驗(yàn)?zāi)K：將GPIO口作為外部中斷輸入引腳并與按鍵相連，通過按鍵觸發(fā)外部中斷。

（5）定時(shí)器中斷實(shí)驗(yàn)?zāi)K：使用STM32F1的通用定時(shí)器觸發(fā)定時(shí)器中斷。

（6）ADC實(shí)驗(yàn)?zāi)K：利用STM32F1的ADC通道采樣外部電壓值，實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換并進(jìn)行顯示。

（7）DAC實(shí)驗(yàn)?zāi)K：利用按鍵控制STM32內(nèi)部DAC模塊輸出電壓，并使用示波器觀察輸出信號(hào)波形。

（8）紅外遙控模塊：使用通用紅外接收芯片HS0038接收紅外遙控器的信號(hào)，在此基礎(chǔ)上使用紅外遙控器控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

（9）溫度/濕度檢測(cè)模塊：使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20以及數(shù)字濕度傳感器DHT11分別檢測(cè)溫度及濕度信息，并進(jìn)行顯示。

（10）無線通信模塊：選擇NRF24L01無線模塊實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與其他設(shè)備的無線數(shù)據(jù)傳輸。

（11）攝像頭模塊：采用OV7670圖像傳感器實(shí)現(xiàn)單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。

此外，為了提高實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的靈活性和可擴(kuò)展性，課題組使用排針引出了除晶振占用的IO口外的所有IO口。學(xué)生使用跳線就可以擴(kuò)展更多的功能模塊，極大地方便了學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開發(fā)。

2　層次化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2是課題組自行設(shè)計(jì)制作的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合我校嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)大綱的要求，開發(fā)了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、選作實(shí)驗(yàn)以及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)由淺入深、循序漸進(jìn)，將有效支持學(xué)生進(jìn)行嵌入式學(xué)習(xí)。

圖2　嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

2.1基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容，是課程教學(xué)大綱規(guī)定的必做實(shí)驗(yàn)，主要培養(yǎng)學(xué)生嵌入式開發(fā)的基本技能。本文開發(fā)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)包括跑馬燈及蜂鳴器實(shí)驗(yàn)、串行通信實(shí)驗(yàn)、按鍵中斷實(shí)驗(yàn)等。

2.2選作實(shí)驗(yàn)

選作實(shí)驗(yàn)一般和專業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)結(jié)合，重在培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，要求學(xué)生完成規(guī)定的系統(tǒng)級(jí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而扎實(shí)掌握軟硬件開發(fā)知識(shí)以及調(diào)試、測(cè)試等技能。本文開發(fā)的選作實(shí)驗(yàn)包括電子時(shí)鐘、電子日歷、溫度濕度檢測(cè)等綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2.3創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)一般和畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)結(jié)合，要求學(xué)生完成一個(gè)新的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)或者系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生從系統(tǒng)總體架構(gòu)和創(chuàng)新應(yīng)用角度設(shè)計(jì)完整嵌入式系統(tǒng)的能力。本文開發(fā)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)包括智能環(huán)境監(jiān)測(cè)、無線通信、四驅(qū)越野小車等綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

圖3是指導(dǎo)學(xué)生開發(fā)的基于STM32的四驅(qū)越野小車，將小車應(yīng)用于本科生專業(yè)設(shè)計(jì)中，有助于學(xué)生實(shí)際了解STM32軟硬件開發(fā)過程，并有效鍛煉學(xué)生對(duì)直流電機(jī)控制、紅外循跡、超聲測(cè)距等較復(fù)雜功能模塊的掌握，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性。

圖3　四驅(qū)越野小車

3　結(jié)束語

本文開發(fā)了一款基于STM32微處理器的嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并設(shè)計(jì)了3個(gè)不同層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，體現(xiàn)出簡(jiǎn)單易用、前后連貫的總體設(shè)計(jì)思路。將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用于本科生教學(xué)改革的實(shí)踐中，能夠有效培養(yǎng)動(dòng)手能力強(qiáng)、具有創(chuàng)新思維的嵌入式開發(fā)人才。嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)、參加各種電子競(jìng)賽、找工作或進(jìn)一步深造等提供必備的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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Design of the STM32 Embedded Teaching Experiment Platform

Liu Qing， Guo Jinjin， Yang Xiuping， Wang Shoujun， Guo Yuehong， Sun Yanfang
Tianjin Key Laboratory of Advanced Electromechanical System Design and Intelligent Control， Tianjin， 300384， China

An experimental teaching system based on STM32 was designed for the undergraduate teaching. The embedded experiment platform is designed based on STM32， and there are plenty of function modules in the system， such as the wireless communication module，the camera module， the infrared remote control module， the temperature/ humidity detection module and so on. Three levels of experiment items was designed based on the experimental teaching system， including the basic one， the selected one and the innovative one. Appling the embedded experiment platform in the course experiment， the specialized design and the graduation project of the machine-electronic engineering speciality， and there is a signifcant increasment in the study interest and the practical ability of the students.

embedded system； STM32； teaching experiment platform

2016-02-04

劉清，博士，講師。通訊作者：王收軍，碩士，教授。

天津市教改研究重點(diǎn)項(xiàng)目“工程應(yīng)用型本科汽車電子特色人才培養(yǎng)模式的研究及實(shí)踐”；天津理工大學(xué)教改項(xiàng)目（編號(hào)：YB13-32）；天津理工大學(xué)教改項(xiàng)目（編號(hào)：YB12-06）。