基于STM32微處理器的嵌入式教學實驗平臺開發

劉 清　郭津津　楊秀萍　王收軍　郭悅虹　孫艷芳

天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室　天津　300384

基于STM32微處理器的嵌入式教學實驗平臺開發

劉 清郭津津楊秀萍王收軍郭悅虹孫艷芳

天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室天津300384

針對嵌入式控制技術課程的本科教學，設計并制作了一款基于STM32微處理器的嵌入式實驗平臺。嵌入式實驗平臺以STM32為控制核心，并擴展了無線通信模塊、攝像頭模塊、紅外遙控模塊、溫度/濕度檢測模塊等豐富的外圍資源，具有入門快速、操作簡單、功能豐富的特點，非常適合本科生嵌入式教學。基于嵌入式實驗平臺開發了3個層次的實驗項目，實驗設計由淺入深、循序漸進，能夠有效培養動手能力強、具有創新思維的嵌入式開發人才。嵌入式實驗平臺為學生進行畢業設計、參加各種電子競賽、找工作或進一步深造等提供必備的基礎知識和實踐經驗。

嵌入式系統；STM32；教學實驗平臺

隨著嵌入式系統在工業控制、消費電子、醫療儀器、航天航空、汽車電子等領域的廣泛應用，社會對于嵌入式開發人才的需求不斷增加，加強這方面的人才培養尤為重要［1，2］。嵌入式控制技術是一門跨學科、工程實踐性很強的現代技術課程，需要學生掌握電子技術、計算機技術以及應用領域專業技術等多個學科的各種理論知識以及實踐技能，這給嵌入式教學造成很大的挑戰［3，4］。為了更好地進行本科創新人才的培養，迫切需要設計開發一款合理適用的教學實驗平臺［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，設計并制作了一款嵌入式教學實驗平臺，具有入門快速、簡單易學、功能豐富的特點，非常適合本科生嵌入式教學。基于實驗平臺，開發了基礎實驗、選作實驗以及創新實驗這3個層次的實驗項目，體現出簡單易用、前后連貫的總體設計思路，將有效支持學生進行嵌入式學習。

1　嵌入式實驗平臺設計

1.1處理器選擇

進行嵌入式實驗平臺設計時，首先需要考慮的問題是選擇哪一款ARM處理器作為控制系統核心。Cortex-M系列微處理器是ARM公司全新推出的嵌入式微處理器，目前已經成為行業的主流選擇［8，9］。為了更好地跟隨市場變化，實驗平臺選擇具有Cortex-M3架構的STM32微處理器芯片，在此基礎上進行嵌入式實驗系統開發。

1.2實驗平臺整體設計

本文基于STM32微處理器芯片設計嵌入式實驗平臺，并擴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/濕度檢測模塊等，體現出簡單易用、前后連貫的總體設計思路。設計完成的嵌入式實驗平臺主要功能模塊原理圖如圖1所示。

圖1　嵌入式實驗平臺主要功能模塊原理圖

1.3主要功能模塊

嵌入式實驗平臺主要包括最小系統模塊以及10個主要的外圍功能模塊。

（1）最小系統模塊：主要包括STM32系列微處理器芯片STM32F103VCT6、時鐘電路和復位電路。

（2）GPIO實驗模塊：通過GPIO引腳進行發光二極管、蜂鳴器以及按鍵的控制。

（3）UART實驗模塊：通過串行通信接口將嵌入式實驗平臺與PC機連接，實現數據的發送與接收功能。

（4）外部中斷實驗模塊：將GPIO口作為外部中斷輸入引腳并與按鍵相連，通過按鍵觸發外部中斷。

（5）定時器中斷實驗模塊：使用STM32F1的通用定時器觸發定時器中斷。

（6）ADC實驗模塊：利用STM32F1的ADC通道采樣外部電壓值，實現AD轉換并進行顯示。

（7）DAC實驗模塊：利用按鍵控制STM32內部DAC模塊輸出電壓，并使用示波器觀察輸出信號波形。

（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，在此基礎上使用紅外遙控器控制實驗平臺。

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

（10）無線通信模塊：選擇NRF24L01無線模塊實現嵌入式實驗平臺與其他設備的無線數據傳輸。

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

此外，為了提高實驗平臺的靈活性和可擴展性，課題組使用排針引出了除晶振占用的IO口外的所有IO口。學生使用跳線就可以擴展更多的功能模塊，極大地方便了學生進行創新實驗的開發。

2　層次化實驗設計

圖2是課題組自行設計制作的嵌入式實驗平臺，在此基礎上結合我校嵌入式系統課程教學大綱的要求，開發了基礎實驗、選作實驗以及創新實驗三個層次的實驗項目。實驗設計由淺入深、循序漸進，將有效支持學生進行嵌入式學習。

圖2　嵌入式實驗平臺實物圖

2.1基礎實驗

基礎實驗緊密結合課程教學內容，是課程教學大綱規定的必做實驗，主要培養學生嵌入式開發的基本技能。本文開發的基礎實驗包括跑馬燈及蜂鳴器實驗、串行通信實驗、按鍵中斷實驗等。

2.2選作實驗

選作實驗一般和專業設計環節結合，重在培養學生的綜合應用能力，要求學生完成規定的系統級實驗內容，從而扎實掌握軟硬件開發知識以及調試、測試等技能。本文開發的選作實驗包括電子時鐘、電子日歷、溫度濕度檢測等綜合實驗項目。

2.3創新實驗

創新實驗一般和畢業設計環節結合，要求學生完成一個新的系統級設計或者系統級應用，培養學生從系統總體架構和創新應用角度設計完整嵌入式系統的能力。本文開發的創新實驗包括智能環境監測、無線通信、四驅越野小車等綜合實驗項目。

圖3是指導學生開發的基于STM32的四驅越野小車，將小車應用于本科生專業設計中，有助于學生實際了解STM32軟硬件開發過程，并有效鍛煉學生對直流電機控制、紅外循跡、超聲測距等較復雜功能模塊的掌握，極大地提高了學生的學習積極性和創造性。

圖3　四驅越野小車

3　結束語

本文開發了一款基于STM32微處理器的嵌入式教學實驗平臺，并設計了3個不同層次的實驗項目，體現出簡單易用、前后連貫的總體設計思路。將實驗平臺應用于本科生教學改革的實踐中，能夠有效培養動手能力強、具有創新思維的嵌入式開發人才。嵌入式教學實驗平臺為學生進行畢業設計、參加各種電子競賽、找工作或進一步深造等提供必備的基礎知識和實踐經驗。

［1］ 王蘇峰，陸洪毅，肖儂.前后臺系統漸進式比較教學方法探索［J］.計算機工程與科學，2014，36（A1）：100-102.

［2］ 李進，劉曙，李偉平.創新型嵌入式實驗教學模式研究［J］.計算機工程與科學，2014，36（A2）：56-60.

［3］ 汪湛清，彭熙偉，郭玉潔.嵌入式系統實驗教學中的挑戰問題［J］.實驗室研究與探索，2013，32（11）：364-366.

［4］ 楊衛軍，羅積軍，樊莉.伯克利嵌入式系統課程教學的特色與啟示［J］.實驗室研究與探索，2012，31（5）：147-149.

［5］ 楊繼森，張靜，朱革.基于ARMCortex平臺的嵌入式系統課程虛擬實驗平臺設計［J］.實驗技術與管理，2014，31（7）：97-101.

［6］ 譚大為.開放的嵌入式系統實驗平臺設計［J］.實驗技術與管理，2013，30（12）：141-145.

［7］ 李秀娟，張曉東，魯可.“嵌入式系統”開放實驗室建設與實踐［J］.實驗室研究與探索，2011，30（5）：156-158.

［8］ 徐明娜，張峰，寇志偉. 教學手動機器人控制系統設計與實現［J］.制造業自動化，2014，37（4）：120-123.

［9］ 馬梅，周惠忠，劉騰.基于STM32的物流監測系統［J］.制造業自動化，2014，36（9）：97-100.

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項目“工程應用型本科汽車電子特色人才培養模式的研究及實踐”；天津理工大學教改項目（編號：YB13-32）；天津理工大學教改項目（編號：YB12-06）。