基于STM32單片機(jī)的通信技術(shù)實驗系統(tǒng)設(shè)計

朱向慶，何昌毅，朱萬鴻，鐘創(chuàng)平

（嘉應(yīng)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，廣東 梅州 514015）

近年，互聯(lián)網(wǎng)+、智能制造 2025、工業(yè) 4.0等概念的提出，加大了對電子信息技術(shù)人才的需求[1]。高等教育是知識傳播、應(yīng)用和創(chuàng)新的主要途徑，也是培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的重要途徑[2-3]。很多高校電子信息類專業(yè)都開設(shè)單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)、移動通信、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等課程。實驗儀器是實踐教學(xué)必不可少的裝備，而市場上現(xiàn)有的設(shè)備基本都是實驗箱或?qū)嶒炁_，通常存在價格貴，體積大，硬件電路資料不夠公開等問題，不利于學(xué)生全面學(xué)習(xí)課程知識。例如：移動通信實驗箱多側(cè)重于原理方面的驗證，不利于做二次開發(fā)[4]；物聯(lián)網(wǎng)實驗箱則側(cè)重于傳感檢測、短距離無線通信[5]，且通常追求功能大而全，不利于推廣；單片機(jī)實驗系統(tǒng)有很多，以51單片機(jī)和AVR單片機(jī)居多，STM32單片機(jī)也有，但側(cè)重于通信技術(shù)應(yīng)用的單片機(jī)實驗系統(tǒng)目前還沒有；即使涉及通信技術(shù)的單片機(jī)實驗板，也只是單純的某種通信技術(shù)而已，不夠全面。此外，因為實驗箱或?qū)嶒炁_造價高、體積大，通常只能存放在實驗室，不可能隨時向?qū)W生開放，所以利用率不高。

與傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)相比較，資源更為豐富的STM32單片機(jī)日益受到企業(yè)和消費(fèi)者的青睞[6]。因此，本文設(shè)計了一款基于 STM32單片機(jī)的小型通信技術(shù)實驗系統(tǒng)，以滿足創(chuàng)新實踐教學(xué)的需求。

1 總體設(shè)計思路與方案

為了讓設(shè)計的實驗系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適用性、擴(kuò)展性及性價比，主要從下面幾個方面構(gòu)思功能模塊及硬件電路：

（1）遵循“以芯為主，軟硬結(jié)合”的設(shè)計原則[1]。系統(tǒng)集成輸入輸出模塊、有線通信模塊、無線通信模塊及信源編譯碼模塊等，能夠完成常見的通信實驗。

（2）采用“核心板+功能模塊”的設(shè)計理念，軟硬件可剪裁，便于組裝、拆卸和升級[7]。價格較貴的通信模塊都沒有焊接在PCB板，而是安裝在PCB板上的排座，方便拆卸，以在其他系統(tǒng)中重復(fù)使用。

（3）系統(tǒng)“小而精”，可擴(kuò)展至“大而全”。STM32單片機(jī)的閑置I/O口由排針引出，方便操作者以其為母板，控制其他外設(shè)，拓展實驗項目。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

實驗系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)連接關(guān)系見圖1[8]。

圖1 電路結(jié)構(gòu)連接關(guān)系

2.1 STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)

STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)由STM32F103ZET6單片機(jī)、時鐘電路、復(fù)位電路、JTAG接口、I/O口擴(kuò)展接口構(gòu)成。STM32F103ZET6是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，具有512 KB片內(nèi)Flash，64 KB片內(nèi)RAM；多達(dá)80個I/O，4個通用定時器，3路SPI接口，2路I2S接口，2路I2C接口，5路USART，1個USB從設(shè)備接口，1個CAN接口，SDIO接口；3路共16通道的12位AD輸入，2路共2通道的12位DA輸出；支持JTAG和SWD調(diào)試[9]。時鐘電路采用的晶振頻率為8 MHz，復(fù)位電路包含上電復(fù)位和按鍵復(fù)位。JTAG接口用于給STM32單片機(jī)下載固件，或調(diào)試程序。I/O口擴(kuò)展接口將單片機(jī)閑置的 I/O口引出，以方便使用者連接其他外設(shè)。

2.2 輸入輸出模塊

輸入輸出模塊主要用于實現(xiàn)人機(jī)交互功能，它包括IPS（In-plane switching，平面轉(zhuǎn)換）液晶觸摸屏接口、4位LED流水燈、1×4獨(dú)立按鍵和蜂鳴器，可完成聲、光輸出，及按鍵和觸摸輸入。IPS觸摸屏接口用于安裝127 mm（5英寸）TFT（thin film transistor，薄膜晶體管）電容觸摸液晶彩屏，它具有響應(yīng)速度快、可視角度大、色彩真實、畫面出色、觸摸無水紋、環(huán)保節(jié)電、色彩準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 有線通信模塊

有線通信模塊包括UART串行通信電路、以太網(wǎng)模塊接口、CAN（controller area network、控制器局域網(wǎng)絡(luò)）收發(fā)器電路和數(shù)字溫濕度傳感器電路。

UART串行通信電路通過CH340G芯片，將USB總線轉(zhuǎn)成TTL UART串行總線，讓STM32單片機(jī)通過USART1口與計算機(jī)進(jìn)行串行通信。

以太網(wǎng)模塊接口用于安裝 W5500以太網(wǎng)模塊，STM32單片機(jī)通過SPI1口連接W5500模塊，完成以太網(wǎng)通信實驗[10]。RFID模塊和nRF24L01無線模塊也使用 SPI1口，它們與 W5500模塊共用 SPI1口的MOSI、MISO和SCK，3個模塊的片選及中斷輸出引腳由單片機(jī)的其他I/O口獨(dú)立控制，單片機(jī)為主設(shè)備，各通信模塊為從設(shè)備。

CAN收發(fā)器電路的核心是一款高速CAN收發(fā)器TJA1042，它是CAN控制器和物理總線之間的接口，為CAN控制器提供差動發(fā)送和接收功能。

數(shù)字溫濕度傳感器電路核心器件是奧松公司生產(chǎn)的濕敏電容數(shù)字溫濕度芯片 AM2302，可完成單總線（1-Wire）通信實驗，測量環(huán)境溫濕度[11]。

2.4 無線通信模塊

無線通信模塊包括RFID模塊接口、Wi-Fi模塊接口、藍(lán)牙模塊接口、紅外接收頭電路、nRF24L01短距離無線通信模塊接口和GPRS+GPS模塊接口。

RFID模塊接口安裝RFID模塊MF RC522，該模塊內(nèi)置應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成度的讀寫卡芯片 RC522，STM32單片機(jī)通過 SPI1口與RFID模塊通信，完成近場通信實驗。

Wi-Fi模塊接口安裝串口Wi-Fi模塊ESP8266，其內(nèi)置核心器件是樂鑫公司的 ESP8266EX，STM32單片機(jī)通過USART2口連接Wi-Fi模塊ESP8266，可以通過該模塊上網(wǎng)，或連接智能手機(jī)。

藍(lán)牙模塊接口安裝HC-05藍(lán)牙模塊，它是匯承信息科技公司設(shè)計的一款高性能、主從一體藍(lán)牙串口模塊。STM32單片機(jī)通過 USART3口連接串口藍(lán)牙模塊，可以與智能手機(jī)、帶藍(lán)牙功能的計算機(jī)等智能終端交換數(shù)據(jù)。

紅外接收頭電路由一體化紅外接收頭 1838T構(gòu)成，STM32單片機(jī)通過PG9連接1838T接收頭的I/O引腳，即可用軟件完成紅外接收、解碼實驗。

nRF24L01短距離無線通信模塊接口安裝nRF24L01短距離無線通信模塊。其核心器件是Nordic公司的單片射頻收發(fā)器nRF24L01，工作于2.4 GHz～2.5 GHz免許可證的ISM頻段[12-13]。單片機(jī)通過SPI1口連接該無線模塊，即可控制nRF24L01無線模塊與其他實驗系統(tǒng)的nRF24L01無線模塊通信。

GPRS+GPS模塊接口安裝安信可科技推出的GPRS+GPS A7模塊。STM32單片機(jī)通過USART4和USART5這兩個串口與該模塊連接，即可完成手機(jī)短消息收發(fā)、GPRS上網(wǎng)及GPS定位導(dǎo)航實驗。

2.5 信源編譯碼模塊

信源編譯碼模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入電路及數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入電路為一個阻值為10 kΩ的精密多圈電位器，它將3.3 V的電壓進(jìn)行分壓，再送到STM32的PF7引腳，利用STM32單片機(jī)內(nèi)置的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)信源編碼（模擬信號數(shù)字化）。

數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出電路利用STM32單片機(jī)內(nèi)置的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，由 PF6引腳輸出模擬電壓，實現(xiàn)信源譯碼。PF6引腳接LED，通過觀察LED的亮度，可感受輸出電壓的大?。灰部捎檬静ㄆ饔^測輸出信號波形。

2.6 電源模塊

電源模塊主要由 5 V電源接口及 MP2303ADNLF-Z構(gòu)成。如果實驗使用的模塊不多、工作電流小于0.5 A時，系統(tǒng)可直接采用計算機(jī)USB電源；反之，則采用普通5 V直流電源供電。因為STM32單片機(jī)及大部分模塊采用 3.3 V供電，故用轉(zhuǎn)換效率高的DC-DC電源變換器MP2303ADN，將5 V直流電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V輸出。

3 實驗系統(tǒng)功能模塊布局

圖 2是實驗系統(tǒng) PCB板各功能模塊布局示意，STM32單片機(jī)位于中央，IPS液晶觸摸屏覆蓋在單片機(jī)上方。用于供電和通信的USB接口位于左邊，JTAG口位于右邊，各模塊分布于PCB板的四周。

圖2 PCB板功能模塊布局

實驗系統(tǒng)PCB板長171.2 mm，寬152.5 mm，上下兩邊各有3個銅柱安裝孔，用于安裝6角銅柱及螺母，以支撐PCB板。也可將PCB板直接安裝在實驗箱上，方便長期保存、使用。

4 實驗系統(tǒng)使用

借助ST-LINK/V2仿真/編程器，實驗系統(tǒng)可以完成表1所示的18個實驗項目。ST-LINK/V2是意法半導(dǎo)體為評估、開發(fā)STM8和STM32系列MCU設(shè)計一款集在線仿真與下載為一體的開發(fā)工具[14]。如圖3所示，STM32單片機(jī)通過JTAG/SWD接口與ST-LINK/V2連接，ST-LINK/V2通過高速USB2.0與計算機(jī)連接，在計算機(jī)端運(yùn)行ST-LINK Utility、STVD、STVP、IAR EWARM或Keil RVMDK等軟件，可以實現(xiàn)編程功能，進(jìn)行JTAG/SWD下載，或?qū)崿F(xiàn)仿真功能，進(jìn)行全速運(yùn)行、單步調(diào)試、斷點(diǎn)調(diào)試等，實時查看I/O狀態(tài)、變量數(shù)據(jù)[15]。

圖3 實驗系統(tǒng)工作方式

表1 實驗系統(tǒng)可以完成的實驗項目

5 應(yīng)用效果

圖4為實驗系統(tǒng)照片，其應(yīng)用效果如下：

圖4 實驗系統(tǒng)照片

（1）用于學(xué)習(xí)多種有線通信、無線通信技術(shù)和通信編譯碼技術(shù)。有線通信包括以太網(wǎng)、CAN總線、單總線、UART總線、SPI總線等；無線通信包括短距離無線通信技術(shù)，有藍(lán)牙、Wi-Fi、紅外、RFID等；遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)有GPRS、GSM和GPS等；通信編譯碼技術(shù)包括信源編譯碼（AD轉(zhuǎn)換和 DA轉(zhuǎn)換）信道編譯碼（差錯控制編譯碼）。

（2）用于學(xué)習(xí) STM32單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)的控制核心是STM32F103ZET6單片機(jī)，它除了可以當(dāng)單片機(jī)使用、完成基礎(chǔ)性的單片機(jī)實驗外，還可以將 μC/OS-III操作系統(tǒng)、eCos、μCLinux、FreeRTOS和djyOS（都江堰操作系統(tǒng)）移植至其中，完成綜合性的嵌入式系統(tǒng)實驗[16]。

（3）擴(kuò)展性強(qiáng)。實驗系統(tǒng)將STM32閑置I/O口擴(kuò)展引出，各模塊拆下來后，其接口也可以另作他用。只需用杜邦線將其他設(shè)備與PCB板上的I/O口擴(kuò)展接口或各模塊拆下來后的接口連接，即可用 STM32單片機(jī)控制其他設(shè)備，如ZigBee模塊、北斗模塊等，完成擴(kuò)展的實驗項目。

（4）用途廣泛。實驗系統(tǒng)可在“實驗教學(xué)、課程設(shè)計、科技創(chuàng)新、學(xué)術(shù)競賽、畢業(yè)設(shè)計、教師科研”等環(huán)節(jié)使用。近兩年，我院學(xué)生獲得省級一、二、三等獎共16項；獲得國家級、省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，廣東省大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項資金項目合計15項；獲得授權(quán)專利12項。

6 結(jié)語

本實驗系統(tǒng)具有綜合性強(qiáng)、性價比高、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。該實驗系統(tǒng)對單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)、移動通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等課程的實踐教學(xué)及學(xué)生課外科技創(chuàng)新活動也有促進(jìn)作用。本系統(tǒng)已獲得國家專利，在第四屆全國高等學(xué)校自制實驗教學(xué)儀器設(shè)備評選中獲三等獎，得到校內(nèi)外同行的認(rèn)可。