面向高校教學需求的STM32實驗箱設計

楊帆+胡又農

摘 要 實驗箱整體為箱體結構，易于管理和收納。實驗箱設有實驗板和底板，采用層級積木式拼接方式，可拼接組成較為復雜的系統。實驗板有“核心板”“顯示按鍵板”，底板有“連接板”和“功能底板”。實驗系統有可擴展性，使用者可自主設計“實驗板”或“功能底板”。STM32實驗箱的設計符合教師教學、學生學習、實驗管理人員的要求，可為STM32教學的教育裝備設計提供思路借鑒。

關鍵詞 教育裝備；單片機；實驗箱；STM32

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）16-0038-03

Abstract The experimental box is a box structure as a whole， whichis easy to manage and store. The experimental box contains experi-mental board and base board and it adopts Hierarchical building block tosplice more complicated system. The experimental boardcontains core board， display and button board. Meanwhile， the baseboard consists of wiring board and function board. The experimentalsystem has expandability， which means users can design experi-mental board or baseboard by themselves. The design of STM32 experimental box accords with the needs of teaching， learning and experimental management and also inspires the design of STM32 educational equipment in teaching practice.

Key words educational equipment； single chip； experiment box； STM32

1 前言

STM32自意法半導體于2007年推出第一顆芯片以來，得到廣大使用者的青睞。很多高校也緊跟技術發展潮流，對單片機教學內容實施改革，將教授了近30年的51系列單片機逐漸轉換為資源更為豐富的STM32系列。市場上的商品開發板具有功能齊全、價格低廉、采購便捷的特點，成為高校支持教與學的首選教育裝備。

開發板具有豐富的接口和模塊，可進行多種外設的實驗和開發，可滿足大數據存儲和眾多應用的需求。開發板提供的功能不僅涵蓋了高校教學所涉及的內容，還有大量單片機基礎教學中涉及不多的內容，如游戲手柄接口、攝像頭模塊、OLED模塊、立體聲音頻輸出和錄音輸入接口、音頻編解碼芯片、485接口、以太網接口、USB-HID接口、SD卡接口等。

雖然開發板外設豐富、資源充足，可以滿足多種應用的需要，但是開發板上豐富的外設不可能在教學中全部涉及。對于高校而言，這帶來的是設備成本增加和學生使用難度增大。開發板將板內資源最大限度地展現出來，目的是為產品研發人員檢驗硬件電路和相關軟件是否正確提供方便。由于其設計思想的原因，開發板在提供豐富外設的同時，某個外設模塊的功能卻未必全面。此外，開發板一般是專業用戶單獨使用，而在高校教學中，要面對大量初學者交替使用的要求，其便暴露出諸多不適應的情況。因此，設計一款適合學生學習特點、設計得當、在規定時間內可完成規定實驗內容、成本低的實驗設備就顯得尤為重要。

2 教育活動參與者對STM32實驗箱的要求

教師教學對實驗箱的要求 在整個教學過程中，教師需要對課程的內容和課時、教學方法、目標和進度做合理設計和安排，為此對實驗箱提出以下幾點要求。

1）符合教學要求，實驗內容與教學內容密切配合。實驗內容和教學內容必須密切配合，教育裝備的設計必須根據教學內容進行。高校中傳統的單片機教學課程內容涉及開發環境和系統搭建、流水燈、LED數碼管、掃描鍵盤、時鐘系統、GPIO邏輯端口、定時器、中斷、串口通信、A/D、D/A、SPI等。因此，實驗箱必須能夠支持上述實驗。

2）技術水平應符合當今情況。高校是為社會輸送人才的基地，高校教育教學水平應當符合當今技術水平。相比傳統的8位機資源少、模塊和接口技術過時等缺點，STM32實驗箱的設計需支持部分新型硬件，如點陣LCD及觸摸屏、加速度傳感器等。對于某些老式的接口，如8255、8253、8259、串口轉并口、PS2等，可以予以精簡。

3）實驗工作量要符合課時的要求。目前單片機教學學時多為32或48學時，因此，不可能給實驗課安排較充裕的課時。這就要求實驗箱的外設種類不必很多，符合教學內容即可。但是要求每次實驗必須在規定的時間內完成，即每次實驗不能過于復雜或過于簡單，實驗工作量要符合課時要求。比如開發板上的LED燈和按鍵數量如果過少，便會造成實驗過于簡單，實驗課時利用不充分的情況。為此可以增加LED燈的數量和按鍵的數量，把簡單的LED燈亮滅實驗改成跑馬燈實驗，把簡單按鍵實驗變成掃描按鍵實驗。

4）可進行擴展性設計。在教學活動中，教師間、學校間、教學班級間會有各自教學特色和側重點，若實驗箱沒有支持特色教學所需的硬件，就會給教學工作帶來諸多不便。為了適應不同教學需求，就要求實驗箱有擴展能力，允許教師設計自己的個性化實驗板。

學生學習對實驗箱的要求 學生是學習的主體，在教學中要以學生為中心。無論是教學活動的安排還是教育裝備的設計，都要從學生的認知能力、動手能力和興趣出發，具體來說有以下幾點。endprint

1）容易觀察電信號。初學者在進行STM32的程序設計和開發時很難保證一次成功，實驗的過程經常伴隨出錯和檢查，通常要經過多次的調試和查錯來修正自己的實驗。當沒有出現既定的實驗現象時，需要檢查是硬件連接問題，還是程序編寫有誤。使用軟件仿真的確可以調試檢測，但其無法完全仿真與硬件相關的部分。檢驗錯誤的方式有很多種，最簡單、最符合初學者認知的還是直接測量電信號的情況。實驗箱硬件是否連接正確、有無損壞，可使用儀表進行測量，而程序是否正確，需要通過引腳信號來判斷。這就要求實驗箱設計有容易觀察電信號的手段——測試點，適合初學者進行觀察學習和檢測錯誤。

2）符合階段性學習的特點。針對學生階段性學習的特點，教學實驗的安排也應由易到難、逐步深入。從簡單GPIO輸入輸出實驗到傳感器信號的檢測實驗，再到復雜的信號處理及控制實驗，實驗箱需要提供支持從簡到繁、層層深入的配套硬件資源來保障學生完成整個課程的實驗。

3）直觀性和趣味性。考慮學生的認知能力，實驗現象的表達要有一定直觀性。如將PWM實驗以呼吸燈或者以小車車輪轉速的形式表達出來，比顯示數值的變化更加生動和直觀。同時在實驗箱的設計上注重趣味性，如設計避障、循跡、無線遙控功能的小車功能板，既可以讓學生學習到豐富的外設知識，又可促使學生進行主動探究，鍛煉思維能力、創新能力。

管理者管理和維護對實驗箱的要求 對教育裝備進行管理和維護是教學工作正常進行的有力保障，具體來說有以下幾點。

1）具有保護性設計。對于實驗箱的使用，初學者的誤操作和學生之間交替使用很容易造成設備的損壞。實驗箱應當具備一定的保護性設計，如為電路板增加保護板，并且設計保護電路，如過流和短路保護等。

2）易于實驗環境的布置。實驗箱的設計需要考慮實驗環境的布置。在實驗室中各種儀器設備種類眾多，實驗室管理者需要在有限的空間合理擺放設備以方便實驗進行。實驗箱的設計需要考慮實驗室環境，箱體結構易于實驗設備的拿取和收納。

3）標準化與易于維護管理。設備在使用過程中出現損壞是在所難免的。為了保障教學的正常進行，實驗設備出現壞損，最便捷的方式就是現場維修或更換零件。實驗箱內使用的元器件和功能模塊宜使用市場常見、容易采購、標準化水平高的。教育裝備標準化是實現科學管理和現代化管理的基礎[1]。若損壞的器件是模塊化或是通用標準的，那么只需把對應壞損的模塊或者元器件更換下來，既不會花費太多維修費用和時間，又可以保障實驗正常進行。

3 STM32實驗箱的設計

針對教育活動參與者對STM32實驗箱的要求，筆者參考目前市場上銷售的相關產品，為高校設計一款易于教與學和實驗室管理維護的STM32實驗箱。

實驗箱的總體設計

1）總體設計概述。實驗箱采用箱體結構，易于管理和收納；采用層級積木式拼接方式，實驗板可以拼接組成較復雜的系統；實驗箱注重標準化、模塊化設計，如發生故障，只需更換對應壞損的板子，這樣便于快速維修和減少維修成本；實驗箱具有擴展能力，可以方便地為新的實驗內容提供支持；實驗箱具有保護性設計，在不需要測量的位置設計保護板，在硬件電路設計上增加保護電路；實驗箱設有關鍵測量點，提供測量電信號的手段。

實驗箱提供了高校單片機基礎教學的外設，外設數量符合要求，外設芯片符合當今技術水平。

2）總體設計詳解。實驗箱中有兩種板，一種為實驗板，一種為底板。實驗板是整合各功能的小板，例如：“核心板”，完成下載和部分實驗功能；“顯示按鍵板”，實現顯示和按鍵等人機接口功能。底板分為“連線板”和“功能底板”。其中，“連線板”是一塊25 cm*25 cm的底板，可接插四塊10 cm*10 cm實驗板，并為這四塊實驗板提供連線功能。“連線板”的設計目的是為電信號測量和觀察提供方便。“功能底板”是可自主設計的，除了連線的作用外，還具有提供特殊實驗功能的電路（如小車板、示波器板、機器手控制板、3D打印機板等）。“擴展板”和“功能底板”是為整合不同用戶要求所設計的，可滿足未來擴展的需要，使用者可根據需要自行設計。

實驗板和底板有多種拼接方式，板子底部設計了排針插座，將除了晶振、復位等以外的引腳引出，方便與其他板子的拼接；在每塊板子的上面設計了排針，方便與其上面的板子疊接。各板子之間的接插方式有兩種：一種為平鋪接插式，如圖1所示，平鋪的方式有利于實驗測量；另一種為疊接或平鋪疊接方式，如圖2所示。這兩種方式的設計使板子的利用率得到提升。

實驗板設計和支持的實驗 實驗板是指“核心板”“顯示按鍵板”和“擴展板”，它們的尺寸相同，可以疊接使用。

“核心板”作為實驗必備板，板上的資源有STM32的最小系統（晶振、復位、下載、調試接口等），同時具有一般實驗中用到的接口和基本外設，如LED燈、SPI接口、串行通信接口。使用“核心板”所能實現的是簡單且最為基礎的實驗。

“顯示按鍵板”的顯示部分支持2.8寸LCD或8位數碼管或8LED燈。“顯示按鍵板”的按鍵部分支持4*4掃描鍵盤。

“擴展板”是一個具有擴展實驗功能的空板，師生在它的上面做自主設計。若需要多個擴展板共同使用，可以使用積木式疊接方式相互連接。

“核心板”和“顯示按鍵板”的資源及實驗內容見表1。

功能底板的擴展設計——以“小車功能底板”為例 為了增加趣味性，提升動手操作和組裝能力，可擴展設計屬于自己的功能底板。以“小車功能底板”為例，其與“連接板”不同的是，它通過與所需實驗板疊接的方式共同構成STM32小車，如圖3所示。“小車功能底板”的板載資源及實驗內容如表2所示。

小車底板配合“核心板”可構成基本的小車實驗，如疊接“顯示按鍵板”，又可以實現小車狀態數據的顯示功能。“小車功能底板”的設計為機器人競賽和深入學習小車算法，提供了教育裝備的支持。

4 總結

以教育裝備理論為指導，綜合教師教學、學生學習、實驗管理人員等多用戶需求，設計一款適合高校教學的STM32實驗箱。本實驗箱具有箱體結構，易于管理和收納。箱內設有實驗板和底板，采用層級積木式拼接方式，可拼接組成較為復雜的系統。實驗板有“核心板”“顯示按鍵板”，底板有“連接板”和“功能底板”。實驗系統具有可擴展性，使用者可自主設計“實驗板”或“功能底板”。本實驗箱的設計思路可為相關教育裝備設計提供借鑒。

參考文獻

[1]胡又農.教育裝備的標準化設計[J].中國教育技術裝備，2011（26）：10-13.endprint