STM32嵌入式處理器模塊化實驗平臺設計與實現

王鵬舉 鄭麗姣

摘要：目前，大多數嵌入式實驗平臺主要針對本科院校設計，不適宜高職院校嵌入式相關專業人才培養。針對該問題，提出了一種基于STM32[1]嵌入式處理器的實驗平臺。該實驗平臺遵循“以芯為主、軟硬結合”的設計原則，結合模塊化思想，為高職嵌入式課程教學服務。實驗平臺主要包括硬件電路和軟件測試代碼設計。教學實踐表明，該平臺明顯提高了嵌入式課程教學質量。

關鍵詞：STM32嵌入式處理器；實驗平臺；教學改革

DOIDOI：10.11907/rjdk.1511630

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2016）005-0090-02

0 引言

隨著互聯網+、智能制造2025、工業4.0[2]等概念的提出，我國嵌入式系統產業人才需求量一路高漲，嵌入式開發將成為未來幾年最熱門、最受歡迎的職業之一，為此，各高校都開設了嵌入式方向課程。學好嵌入式方向課程，不但要有扎實的理論基礎，更需要一個適用的嵌入式開發實訓平臺。目前，市場上供應的嵌入式處理器實訓平臺主要是針對本科教學設計的，不適合高職高專培養技能型人才教學需求。構建低成本、技術先進、符合高職學生職業崗位需求的嵌入式實驗教學系統，對嵌入式領域技能型人才培養具有重大的現實意義。

1 存在問題

目前嵌入式教學實訓平臺種類繁多，總體上分為3類：

（1）以8位嵌入式處理器為核心的開發平臺。該類實驗平臺的難度屬于入門級，如基于STC單片機開發的實驗平臺、基于AVR系列單片機開發的實驗平臺等。由于學習內容過于簡單，對于嵌入式開發方向的學生，學習上沒有提升空間，直接導致學習積極性不高。同時，這類嵌入式處理器也不符合嵌入式產品開發低成本、低功耗、高性能的設計要求。

（2）以STM32為核心的嵌入式實驗平臺。該類實驗平臺以STM32嵌入式處理器為核心，結合外圍控制電路設計開發而成。這類實驗平臺沒有采用模塊化的設計方法，設計特點往往有兩個極端。一類是“小而精”，只有一個核心板，外圍的引腳全部只能飛線連接。如果沒有外圍接口實驗板，這類實驗平臺根本沒法使用。另一類是“大而全”，一個實驗平臺上，鼠標、鍵盤、TFT液晶屏、電機、紅外接口等應有盡有，并且有的實驗平臺為了節省成本，采用端口復用的方式，這對于設計能力不強的學生不適合使用。

（3）以ARM9[3]為核心的嵌入式處理器實訓平臺。該類實驗平臺以ARM9芯片為控制核心，需要移植操作系統，比如Linux操作系統，在Linux操作系統下編寫各類驅動。這類實驗平臺比較適合本科院校大四甚至研究生使用，而高職院校的學生對操作系統的理解以及對驅動程序的開發都較陌生，不適合高職院校使用。

綜上所述，盡管高職院校中使用的嵌入式實驗實訓平臺很多，但是從教學的難度、學生的水準、成本等多方面考慮，現有的實驗平臺顯然不利于高職嵌入式方向的人才培養和課程教學，開發適合高職院校嵌入式產品開發類專業技能訓練的實驗、實訓平臺勢在必行。

2 整體設計

為了更好地為嵌入式方向教學服務，模塊化實驗平臺的整體設計應把握當前嵌入式產品應用趨勢[4]。STM32嵌入式處理器由于控制功能強、可靠性高和體積小、價格低等特點，在智能儀器儀表、醫療電子行業、通信、工業控制、外設控制、家用電器、機器人、軍事裝置等領域有著非常廣泛的應用[2]。用一片體積很小的STM32嵌入式處理器替代復雜而龐大的傳統數字電路和模擬電路，已成為電子產品開發趨勢。因此，模塊化實驗平臺以STM32嵌入式處理器為控制核心來構建整個硬件設計。

根據高職院校嵌入式方向人才培養要求[5]，結合軟件工程的模塊化思想，對實驗平臺進行硬件模塊劃分與設計。圖1為實驗平臺的整體設計框架，具體設計思路如下：首先設計硬件電路的各個功能模塊，然后編寫軟件模塊化功能代碼，最后實現整個實驗平臺的開發與調試。

嵌入式產品開發過程中，經常用到并行通信、串行通信以及各類總線技術[6]。因此，實驗平臺的設計主要以各類接口和通信模塊為單元，各自獨立與STM32嵌入式處理器進行通信[7]。各個模塊在設計過程中，不但要在硬件PCB設計上考慮模塊化的設計方式，使各模塊相互獨立、互不影響，并且在軟件代碼設計上，各模塊控制代碼要相互獨立，既可以單獨控制對應的模塊，又可以將幾個控制代碼融為一體，實現一些復雜的控制功能。

3 設計與實現

3.1 硬件模塊化實現

根據總體設計方案，硬件電路設計包括6個基本實驗模塊和3個提升實驗模塊。基本實驗模塊包括：基于STM32嵌入式處理器最小系統電路設計、電源電路設計、JTAG下載仿真電路設計、USART串行通信接口下載電路設計、按鍵接口電路設計、A/D及D/A電路設計；提升實驗模塊包括：WiFi模塊接口電路設計、LCD顯示屏接口電路設計、智能小車驅動電路接口設計。以上功能模塊單獨與STM32嵌入式處理器連接，沒有端口復用以及模塊之間相互連接問題。

以智能小車驅動電路設計為例，智能小車的驅動采用 L298N[8]芯片，該芯片內含兩個全橋式驅動器，可以同時驅動兩個直流電機。通過4個I/O口與STM32嵌入式處理器相連接，采用TLP521光耦隔離器技術，防止電機運行對嵌入式處理器及其它功能模塊產生電磁干擾。硬件模塊的設計還需要完成硬件電路原理圖繪制、電路板PCB圖繪制、硬件電路元件的焊接、調試等。

3.2 軟件模塊化實現

硬件電路設計完后，需要編寫軟件測試程序，實現嵌入式產品開發“以芯為主，軟硬結合”的設計思想。軟件代碼編寫是否規范、設計流程是否合理，是決定嵌入式產品開發成敗的關鍵[9]。因此，不但要設計一套實用性強的硬件開發平臺，而且要編寫一套規范的軟件代碼，提供一套規范的范例程序。

在軟件代碼編寫過程中完全遵循模塊化的設計思想。每一個控制模塊的軟件代碼設計成相互獨立的頭文件，主要包括LED流水燈測試程序、蜂鳴器測試程序、按鍵測試程序、A/D轉換測試程序、串口通信測試程序、DS18B20測試程序、顯示屏測試程序、智能小車測試程序、WiFi模塊測試程序等。這些測試程序相互獨立，可以單獨實現某個功能模塊的單獨控制，也可以相互融合實現一些復雜的功能控制。比如，將智能小車的控制程序和WiFi模塊的控制程序相結合，可以實現智能小車的手機遙控等。

3.3 教學應用

嵌入式產品一般以CPU處理器為核心，結合外圍硬件電路，在軟件程序的控制下實現智能化的功能或算法[9]。因此，嵌入式方向課程教學，一定要嚴格把握軟硬件相結合的教學思路。在理論教學中，要講解實訓平臺每個模塊的硬件結構設計思路以及軟件代碼編寫方法。在實訓過程中，讓學生應用硬件畫圖工具，比如Protel軟件，繪制出對應模塊電路圖，并且調試出對應的程序代碼，最終在實訓平臺上顯示。教師在這個過程中，只起到積極引導的作用，更多的時間是讓學生自己動手，這樣，不但能提高學生的學習積極性，而且能夠提高嵌入式應用能力。

4 結語

根據當前嵌入式方向教學實驗平臺的不足，設計了一款適合高職院校嵌入式方向的實驗開發平臺?；赟TM32嵌入式處理器的模塊化實驗平臺已應用于筆者學校2013級軟件技術專業嵌入式方向課程教學，取得了較好的教學效果：學生的應用開發能力和崗位適應能力均有一定的提升，嵌入式方向的學生獲得2014年“挑戰杯”電子設計大賽全國二等獎。嵌入式實驗平臺的開發和嵌入式方向的教學改革任重道遠，必須繼續探索，不斷改革創新，為提高嵌入式方向教學效果而努力。

參考文獻：

[1]盧有亮.基于STM32的嵌入式系統原理與設計[M].北京：機械工業出版社，2013.

[2]王彥華.“工學結合”模式下高職院校單片機課程的教改[J].裝備制造技術，2009（12）：158-159.

[3]豐海.嵌入式Linux系統應用及項目實踐[M].北京：機械工業出版社，2012.

[4]冼進.嵌入式系統實驗課的教學改革初探[J].計算機技術與應用，2011（8）：282-284.

[5]潘登.面向卓越人才培養的嵌入式系統教學改革[J].計算機教育，2013（13）：1-5.

[6]宋焱翼.嵌入式系統實驗教學改革與實驗教學裝置開發[J].實驗室研究與探索 ，2011（7）：239-241.

[7]霍華.嵌入式技術課程教學方法改革[J].計算機教育，2012（6）：48-50.

[8]張曉東.高校嵌入式系統課程教學改革探索[J].中國電力教育，2013（8）：35-38.

[9]姚莉.嵌入式課程教學改革研究[J].教育教學研究，2014（6）：68-70.

（責任編輯：杜能鋼）