基于STM32的嵌入式綜合實驗開發(fā)平臺研究

陸 翔，劉邦經(jīng)

(山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院，山東 青島 266000)

基于STM32的嵌入式綜合實驗開發(fā)平臺研究

陸 翔，劉邦經(jīng)

(山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院，山東 青島 266000)

隨著社會的日益信息化，嵌入式技術(shù)已經(jīng)全面滲透到人們生活的方方面面。我國的許多高等院校都在陸續(xù)開設(shè)嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)的課程,而研發(fā)一套適合教學(xué)與科研的嵌入式實驗系統(tǒng)業(yè)已成為嵌入式領(lǐng)域教學(xué)急需解決的問題。針對這一問題，設(shè)計開發(fā)了一套以海洋研發(fā)為背景基于ARM Cortex-M3的實驗教學(xué)平臺。平臺為引導(dǎo)學(xué)生由淺入深的學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)將實驗分為基礎(chǔ)型實驗和擴(kuò)展型實驗2個層次，采用層層遞進(jìn)的方式引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程，同時該系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性，為科研實驗提供了良好的開發(fā)平臺。

嵌入式系統(tǒng)； 教育創(chuàng)新； 開放式實驗平臺

0 引 言

嵌入式系統(tǒng)(Embedded System)是一種嵌入在設(shè)備(或系統(tǒng))內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計的專用計算機系統(tǒng)[1-2]。目前嵌入式課程業(yè)已成為電子、通信、計算機等相關(guān)專業(yè)的必修課[3]。同時嵌入式課程具有很強的實踐性，在實際教學(xué)中嵌入式課程是理論與實際聯(lián)系最為緊密的課程，在設(shè)計的許多課程實踐環(huán)節(jié)，嵌入式系統(tǒng)都有著廣泛的應(yīng)用[4-5]。近年來，采用單片機、ARM等嵌入式系統(tǒng)來解決電子技術(shù)問題已成為大勢所趨[6-8]。

隨著電子技術(shù)在近來取得的長足進(jìn)步，國內(nèi)外各高校也紛紛引入基于ARM的嵌入式平臺作為課程設(shè)計、電子競賽的教育、教學(xué)平臺。目前多數(shù)高校的嵌入式開發(fā)平臺依然采用MCS-51單片機系統(tǒng)，這種平臺比較老舊，而且教學(xué)實驗的可擴(kuò)展性較小。另一些高校則傾向于采用基于ARM9甚至ARM11處理器作為教學(xué)實驗系統(tǒng)的核心處理器，但在實際教學(xué)中主要以基礎(chǔ)為主，不僅使得系統(tǒng)本身很多優(yōu)越性能無法得到充分發(fā)揮，而且學(xué)生學(xué)習(xí)起來難度較大，另外實驗室引進(jìn)這種教學(xué)實驗系統(tǒng)的成本非常高[9-10]。因此開發(fā)一款功能豐富，價格適中的教學(xué)平臺具有重要的意義[11]。

基于以上分析，本文選取ST(意法半導(dǎo)體)公司的STM32F103系列MCU作為教學(xué)實驗系統(tǒng)的核心控制芯片。同時將實驗分為基礎(chǔ)型教學(xué)實驗與擴(kuò)展型實驗，以滿足不同學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的學(xué)生針對自身的狀況進(jìn)行更進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，而且實驗的設(shè)置上還有突出了海洋背景的衛(wèi)星定位、氣象、海況監(jiān)測等綜合擴(kuò)展實驗。而且平臺具有良好的可擴(kuò)展性，可作為各種電子競技比賽的核心處理器進(jìn)行使用，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式的興趣。實驗平臺不僅是一個簡單的實驗開發(fā)系統(tǒng)，而是對“學(xué)以致用”這一理論在實際教學(xué)過程中的生動體現(xiàn)，也是一款具海洋風(fēng)格特色的教育實踐平臺。

1 系統(tǒng)硬件模塊結(jié)構(gòu)

實驗平臺的核心控制器是一款基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103RCT6芯片，采用這款芯片作為實驗平臺的核心控制器主要是因為這款芯片具有較高的性價比，芯片不僅為32位處理器。同時還具有SPI、USB、CAN、ADC和DMA等功能部件。系統(tǒng)模塊如圖1所示。

圖1 實驗平臺結(jié)構(gòu)圖

教學(xué)實驗平臺的設(shè)計采用了由內(nèi)至外的按模塊擴(kuò)展設(shè)計方法，首先完成作為核心模塊的最小系統(tǒng)的設(shè)計，再逐步分模塊完成最小系統(tǒng)周邊擴(kuò)展模塊的設(shè)計。實驗平臺自3個主要方面進(jìn)行了全面的設(shè)計：① 為教學(xué)實驗平臺的硬件部分即嵌入式系統(tǒng)實驗板。該實驗板主要是在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上搭載其他的功能模塊。② 是教學(xué)系統(tǒng)軟件平臺，軟件平臺主要是在開發(fā)編譯環(huán)境里對底層驅(qū)動、實驗示例程序和操作系統(tǒng)程序的編寫和調(diào)試。③ 是教學(xué)實驗，主要是結(jié)合課程知識點進(jìn)行實驗驗證，并舉一反三進(jìn)行實踐；而且平臺具有多種供電接口，并且還具備程序一鍵下載、供電、調(diào)試三位一體的功能，只需要一根 USB 線就可以使用。

圖2所示為實驗平臺的最小系統(tǒng)原理圖；圖3所示為電源轉(zhuǎn)換電路及下載電路。

圖2 控制器最小系統(tǒng)原理圖

圖3 電源及下載電路

為了方便進(jìn)行實驗的擴(kuò)展，平臺還將MCU的PORTA、PORTB以及PORTC的部分I/O口引出，作為實驗平臺的預(yù)留接口，而且也提供3.3、5 V等多種電平的供電接口，這樣極大地拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)靈活性。

2 實驗設(shè)計

由于嵌入式系統(tǒng)并非理論課程，需要學(xué)生實際動手進(jìn)行開發(fā)，因此有必要在教育教學(xué)過程中配以相應(yīng)的實驗平臺作為學(xué)生學(xué)習(xí)的支撐[12]。嵌入式教學(xué)實驗平臺簡單來說就是一塊嵌入式學(xué)習(xí)開發(fā)板，在這塊開發(fā)板上能夠去實踐和驗證嵌入式理論課上所學(xué)習(xí)到的知識點，而且能夠在實驗板的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定程度的項目研發(fā)和相關(guān)的科研實驗。為了進(jìn)一步使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中擁有良好的課程學(xué)習(xí)體驗，設(shè)計將實驗例程分為基礎(chǔ)性驗證實驗、綜合性擴(kuò)展實驗以及在平臺之上的科技創(chuàng)新。指引學(xué)生從實踐中加深對所學(xué)專業(yè)知識的認(rèn)知，并在此基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)掌握主流應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)流程。夯實專業(yè)基礎(chǔ)，而后進(jìn)行科技創(chuàng)新，實驗設(shè)置層層遞進(jìn)，可以有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式課程的能動性。圖4所示為實驗平臺實物圖。

平臺采用模塊化設(shè)計，擴(kuò)展能力強，功能豐富。可根據(jù)不同的實驗或者項目需求進(jìn)行必要的擴(kuò)展。

2.1基礎(chǔ)實驗

目前針對該款嵌入式學(xué)習(xí)實驗平臺而設(shè)計的基礎(chǔ)課程包括：LED流水燈、矩陣鍵盤、數(shù)碼管顯示、串行通信、ADC、SPI等，對于剛剛接觸嵌入式的學(xué)生而言對于實驗例程的剖析、學(xué)習(xí)，對掌握基于C語言的程序開發(fā)大有裨益，而且基礎(chǔ)性實驗可以在很大程度上使學(xué)生對于學(xué)習(xí)的GPIO、串行通信、ADC、SPI等有一個更加形象、直觀的了解，能夠?qū)⑺鶎W(xué)到的知識加以應(yīng)用。而且能夠幫助學(xué)生初步掌握嵌入式軟件的開發(fā)、調(diào)試流程，在實際的調(diào)試學(xué)習(xí)中掌握處理器的架構(gòu)、系統(tǒng)調(diào)試的相關(guān)方法等內(nèi)容[13]。

圖4 為實驗平臺實物圖

2.2擴(kuò)展實驗

在課程實驗的基礎(chǔ)上，本文實驗系統(tǒng)還可以進(jìn)行自動化、測控技術(shù)與儀器、 機電工程等專業(yè)的跨課程綜合性實驗，內(nèi)容涵蓋嵌入式處理器、ASIC、電機控制、 檢測技術(shù)等課程，包括相關(guān)的信號采集與控制、驅(qū)動邏輯、實時顯示以及嵌入式實時操作系統(tǒng)等內(nèi)容的學(xué)習(xí)。如:步進(jìn)電機控制、OLED顯示屏操作、溫濕度傳感器數(shù)據(jù)讀取、觸摸屏、操作系統(tǒng)等常規(guī)綜合性實驗；而且針對國家近年來對海洋開發(fā)的重視，平臺的實驗也著重突出了海上定位、近岸網(wǎng)絡(luò)通信以及氣象等方面的實驗，加入了GPS定位模塊實驗、GSMGPRS通信模塊、氣象、海況等參數(shù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葘嶒烅椖浚@些實驗不僅緊跟當(dāng)前主流科技的發(fā)展脈搏而且通過這些實驗項目的加入能夠使學(xué)生初步了解衛(wèi)星定位、氣象、海況監(jiān)測的意義，在一定程度上提升我國公民的海洋意識。圖5所示為GPS研發(fā)及評測軟件工作界面截圖。

圖5 GPS研發(fā)及評測軟件工作界面截圖

通過上位機查看GPS輸出信息，以圖表方式描述各項GPS定位參數(shù)；該軟件還可以解析GPS定位數(shù)據(jù)，在谷歌地圖上自動標(biāo)注定位地點等；實驗主要用其查看并檢驗核對GPS定位數(shù)據(jù)。

2.3科技創(chuàng)新與實踐

由于系統(tǒng)中設(shè)計了多通道的高速 AD、DA、鍵盤電路、彩顯、現(xiàn)場總線通信接口與高速串口電路SPI 等，而且設(shè)計考慮到EMC設(shè)計，采用的均為高品質(zhì)工業(yè)級芯片，而且實驗平臺電路采用了小型化設(shè)計，工作穩(wěn)定可靠，故在實驗平臺基礎(chǔ)上加以適當(dāng)擴(kuò)展，即可實現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場的實際應(yīng)用。不僅可以勝任各類電子設(shè)計大賽的需求而且滿足大多數(shù)工業(yè)現(xiàn)場的多軸聯(lián)動、大容量實時存儲、實時采集及顯示通訊等復(fù)雜要求。還可以進(jìn)行陸上及近海的氣象監(jiān)測，并能夠?qū)?shù)據(jù)及時回傳。

3 結(jié) 語

實驗平臺采用了目前主流的模塊化設(shè)計思想，實驗平臺不僅分層次、分步驟的設(shè)計了基礎(chǔ)型實驗和擴(kuò)展型實驗，能夠使不同學(xué)習(xí)層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求得到滿足而且平臺具備較強的可擴(kuò)展性以及穩(wěn)定性，能夠滿足相關(guān)的科研實驗和項目研發(fā)的需求，免去了設(shè)計人員進(jìn)行復(fù)雜的硬件設(shè)計和調(diào)試過程，大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期[14]。同時，該系統(tǒng)在設(shè)計上不僅強調(diào)與先修課程的銜接過渡[15]，還著重突出了海洋背景的相關(guān)實驗項目。因此本實驗系統(tǒng)能夠較好的滿足教學(xué)、實驗及科研的相關(guān)需求。

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ResearchonEmbeddedIntegratedExperimentDevelopmentPlatformBasedonSTM32

LUXiang,LIUBangjing

(College of Electronic, Communication and Physics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266000, Shandong, China)

With increasingly growing information in current society, embedded technology has fully infiltrated into every aspect of our life.Many universities in China established experiment and teaching courses of embedded system, hence, developing an embedded experiment system which is suitable for teaching and scientific research becomes an urgent issue of embedded field teaching.Tailored for this problem, an experiment and teaching platform based on marine development background and ARM Cortex-M3 is designed and developed.In order to lead students to learn embedded system from the easy to the difficult, the platform divides experiments into basic experiment and extensive experiment, instructs students to master the developing process of embedded system step by step.Meanwhile, the system is extensive to a great extent, can provide a great development platform for scientific research and experiment.

embedded system； education innovation； open experimental platform

TP 391.0

A

1006-7167(2017)10-0057-04

2016-12-01

陸 翔(1982-)，男，山東泰安人，博士，講師，電子技術(shù)與信息處理。 Tel.：15165212512; E-mail:sdustlx@163.com