基于STM32的嵌入式綜合實驗開發平臺研究

陸 翔，劉邦經

(山東科技大學 電子通信與物理學院，山東 青島 266000)

基于STM32的嵌入式綜合實驗開發平臺研究

陸 翔，劉邦經

(山東科技大學 電子通信與物理學院，山東 青島 266000)

隨著社會的日益信息化，嵌入式技術已經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開設嵌入式系統實驗教學的課程,而研發一套適合教學與科研的嵌入式實驗系統業已成為嵌入式領域教學急需解決的問題。針對這一問題，設計開發了一套以海洋研發為背景基于ARM Cortex-M3的實驗教學平臺。平臺為引導學生由淺入深的學習嵌入式系統將實驗分為基礎型實驗和擴展型實驗2個層次，采用層層遞進的方式引導學生逐步掌握嵌入式系統的開發過程，同時該系統具有良好的可擴展性，為科研實驗提供了良好的開發平臺。

嵌入式系統； 教育創新； 開放式實驗平臺

0 引 言

嵌入式系統(Embedded System)是一種嵌入在設備(或系統)內部，為特定應用而設計的專用計算機系統[1-2]。目前嵌入式課程業已成為電子、通信、計算機等相關專業的必修課[3]。同時嵌入式課程具有很強的實踐性，在實際教學中嵌入式課程是理論與實際聯系最為緊密的課程，在設計的許多課程實踐環節，嵌入式系統都有著廣泛的應用[4-5]。近年來，采用單片機、ARM等嵌入式系統來解決電子技術問題已成為大勢所趨[6-8]。

隨著電子技術在近來取得的長足進步，國內外各高校也紛紛引入基于ARM的嵌入式平臺作為課程設計、電子競賽的教育、教學平臺。目前多數高校的嵌入式開發平臺依然采用MCS-51單片機系統，這種平臺比較老舊，而且教學實驗的可擴展性較小。另一些高校則傾向于采用基于ARM9甚至ARM11處理器作為教學實驗系統的核心處理器，但在實際教學中主要以基礎為主，不僅使得系統本身很多優越性能無法得到充分發揮，而且學生學習起來難度較大，另外實驗室引進這種教學實驗系統的成本非常高[9-10]。因此開發一款功能豐富，價格適中的教學平臺具有重要的意義[11]。

基于以上分析，本文選取ST(意法半導體)公司的STM32F103系列MCU作為教學實驗系統的核心控制芯片。同時將實驗分為基礎型教學實驗與擴展型實驗，以滿足不同學習基礎的學生針對自身的狀況進行更進一步的學習，而且實驗的設置上還有突出了海洋背景的衛星定位、氣象、海況監測等綜合擴展實驗。而且平臺具有良好的可擴展性，可作為各種電子競技比賽的核心處理器進行使用，大大提高了學生學習嵌入式的興趣。實驗平臺不僅是一個簡單的實驗開發系統，而是對“學以致用”這一理論在實際教學過程中的生動體現，也是一款具海洋風格特色的教育實踐平臺。

1 系統硬件模塊結構

實驗平臺的核心控制器是一款基于ARM Cortex-M3內核的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。系統模塊如圖1所示。

圖1 實驗平臺結構圖

教學實驗平臺的設計采用了由內至外的按模塊擴展設計方法，首先完成作為核心模塊的最小系統的設計，再逐步分模塊完成最小系統周邊擴展模塊的設計。實驗平臺自3個主要方面進行了全面的設計：① 為教學實驗平臺的硬件部分即嵌入式系統實驗板。該實驗板主要是在最小系統的基礎上搭載其他的功能模塊。② 是教學系統軟件平臺，軟件平臺主要是在開發編譯環境里對底層驅動、實驗示例程序和操作系統程序的編寫和調試。③ 是教學實驗，主要是結合課程知識點進行實驗驗證，并舉一反三進行實踐；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原理圖；圖3所示為電源轉換電路及下載電路。

圖2 控制器最小系統原理圖

圖3 電源及下載電路

為了方便進行實驗的擴展，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生的學習靈活性。

2 實驗設計

由于嵌入式系統并非理論課程，需要學生實際動手進行開發，因此有必要在教育教學過程中配以相應的實驗平臺作為學生學習的支撐[12]。嵌入式教學實驗平臺簡單來說就是一塊嵌入式學習開發板，在這塊開發板上能夠去實踐和驗證嵌入式理論課上所學習到的知識點，而且能夠在實驗板的基礎上進行一定程度的項目研發和相關的科研實驗。為了進一步使學生在學習過程中擁有良好的課程學習體驗，設計將實驗例程分為基礎性驗證實驗、綜合性擴展實驗以及在平臺之上的科技創新。指引學生從實踐中加深對所學專業知識的認知，并在此基礎上學習掌握主流應用技術的開發流程。夯實專業基礎，而后進行科技創新，實驗設置層層遞進，可以有效調動學生學習嵌入式課程的能動性。圖4所示為實驗平臺實物圖。

平臺采用模塊化設計，擴展能力強，功能豐富。可根據不同的實驗或者項目需求進行必要的擴展。

2.1基礎實驗

目前針對該款嵌入式學習實驗平臺而設計的基礎課程包括：LED流水燈、矩陣鍵盤、數碼管顯示、串行通信、ADC、SPI等，對于剛剛接觸嵌入式的學生而言對于實驗例程的剖析、學習，對掌握基于C語言的程序開發大有裨益，而且基礎性實驗可以在很大程度上使學生對于學習的GPIO、串行通信、ADC、SPI等有一個更加形象、直觀的了解，能夠將所學到的知識加以應用。而且能夠幫助學生初步掌握嵌入式軟件的開發、調試流程，在實際的調試學習中掌握處理器的架構、系統調試的相關方法等內容[13]。

圖4 為實驗平臺實物圖

2.2擴展實驗

在課程實驗的基礎上，本文實驗系統還可以進行自動化、測控技術與儀器、 機電工程等專業的跨課程綜合性實驗，內容涵蓋嵌入式處理器、ASIC、電機控制、 檢測技術等課程，包括相關的信號采集與控制、驅動邏輯、實時顯示以及嵌入式實時操作系統等內容的學習。如:步進電機控制、OLED顯示屏操作、溫濕度傳感器數據讀取、觸摸屏、操作系統等常規綜合性實驗；而且針對國家近年來對海洋開發的重視，平臺的實驗也著重突出了海上定位、近岸網絡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、海況等參數網絡傳輸等實驗項目，這些實驗不僅緊跟當前主流科技的發展脈搏而且通過這些實驗項目的加入能夠使學生初步了解衛星定位、氣象、海況監測的意義，在一定程度上提升我國公民的海洋意識。圖5所示為GPS研發及評測軟件工作界面截圖。

圖5 GPS研發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；該軟件還可以解析GPS定位數據，在谷歌地圖上自動標注定位地點等；實驗主要用其查看并檢驗核對GPS定位數據。

2.3科技創新與實踐

由于系統中設計了多通道的高速 AD、DA、鍵盤電路、彩顯、現場總線通信接口與高速串口電路SPI 等，而且設計考慮到EMC設計，采用的均為高品質工業級芯片，而且實驗平臺電路采用了小型化設計，工作穩定可靠，故在實驗平臺基礎上加以適當擴展，即可實現在工業現場的實際應用。不僅可以勝任各類電子設計大賽的需求而且滿足大多數工業現場的多軸聯動、大容量實時存儲、實時采集及顯示通訊等復雜要求。還可以進行陸上及近海的氣象監測，并能夠將數據及時回傳。

3 結 語

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

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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，電子技術與信息處理。 Tel.：15165212512; E-mail:sdustlx@163.com