基于STM32CubeMX嵌入式實驗教學改革實踐

羅清龍，馮 敏，李清濤

（聊城大學 物理科學與信息工程學院，山東 聊城 252000）

0 引 言

嵌入式系統指用于控制、監視或者輔助操作機器和設備的裝置，它具有軟硬件可裁剪的特點，可以滿足應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等多種約束[1-3]。嵌入式技術作為計算機科學技術、電子信息工程、自動化等專業的重要專業課程被引入教學體系，其講授內容依次經歷著從8位到16位、32位、64位MCU的提升 演 進[4-6]。NXP、TI、Samsung、Atmel、ST、Intel等大公司也相繼推出自己的嵌入式平臺，給嵌入式實驗教學提供了豐富的選擇。

目前，國內嵌入式系統教學大多選擇基于ARM核的開發平臺，其中又以ST的32位產品為主。這是由于STM32產品廣泛應用于工業控制、消費電子、物聯網、通訊設備、醫療服務、安防監控等應用領域，其優異的性能進一步推動了生活和產業智能化的發展[7-8]。截至2016年10月，STM32全球出貨量已超過20億顆[9]。可以預見隨著物聯網和人工智能的迅猛發展，嵌入式教學將迎來新的契機和挑戰。

1 嵌入式系統實驗教學現狀分析

當前國內高校的嵌入式系統實驗教學大都定位于32位MCU。以采用ARM內核的STM32系列產品為例，開設基礎實驗內容涉及GPIO輸入輸出實驗、串口實驗、中斷實驗、定時器實驗、I2C接口實驗、SPI實驗、CAN控制器實驗等[10]。依托的實驗硬件以開發板為主，采用寄存器開發或庫函數開發實現具體應用，表1為兩種開發形式的優缺點對比。

表1 寄存器開發與庫函數開發優缺點對比

通過對比分析可知，庫函數開發采用分層的思想，實際是基于CMSIS標準新建了與芯片生產商無關的硬件抽象層，可以為接口外設、實時操作系統提供簡單的處理器軟件接口，屏蔽了硬件差異，這對軟件的移植有極大的好處。STM32固件庫就是按照CMSIS標準建立的。

鑒于以上情況，在實際的實驗教學中大都采用基于庫函數的開發方式。存在的問題是學生需要面臨復雜的STM32初始化配置，形成相應的模板才能進行后續實驗開發。學生普遍反映兩個問題：第一，配置模板的過程比較繁瑣；第二，實驗中時鐘和引腳的配置不夠直觀。筆者聯合使用ST公司2014年推出的STM32CubeMX和ARM公司推出的Keil Vision解決了上述問題。

2 教學改革思路

以STM32F103為例，對比改革前后嵌入式實驗教學流程的差異，見圖1。

圖1 嵌入式實驗教學流程對比圖

通過對比可見，基于STM32CubeMX的實驗教學流程較傳統基于標準庫函數的開發模式更簡潔，效率更高。

3 教學改革實施

通過經典的流水燈實驗，可以詳細說明基于STM32CubeMX的實驗教學實施方案。

圖2給出利用STM32CubeMX新建工程，選擇芯片型號，通過圖形化下拉菜單初步設置引腳類型；圖3給出設置時鐘、引腳具體設置、生成Keil文件的過程。可以看到，通過圖形化設置的方法，大大簡化了開發設置流程。

利用Keil μVision打開由STM32CubeMX輔助生成的工程文件，然后進行用戶程序的編寫，見圖4。

圖2 STM32CubeMX圖形化設置

圖3 利用STM32CubeMX進行初始化設置

4 教學改革效果

為評價實踐效果，筆者選取電子信息工程專業大三的30名學生，分成兩組進行教學實驗，分別測試“流水燈實驗”（簡單實驗）、“PWM實驗”（較復雜實驗）。A組利用基于STM32CubeMX的實驗方法，B組利用基于標準庫函數的實驗方法。實驗情況見圖5，其中圖5（a）給出簡單實驗的進展情況，在2小時實驗課程內，采用基于STM32CubeMX的實驗方法的A組學生較采用基于標準庫函數方法的B組學生較快、較好地完成了實驗。這種領先優勢隨著實驗難度的加大愈發明顯，見圖5（b）。考慮到個體差異，A、B組互換實驗方法重新進行了實驗，得到了類似結果。

通過對學生實驗主觀感受的反饋可以發現：學生普遍認為基于STM32CubeMX的方法在初始化配置時更加直觀、形象，步驟更加清晰、明確。配置完成后在用戶編程階段，編程更加方便、具體。調試成功率也大大提高。

5 結 語

將STM32CubeMX引入嵌入式實驗教學后，學生實驗用時普遍縮短了13%～18%。學生反映實驗更加直觀、形象。通過基于STM32CubeMX嵌入式實驗教學改革實踐，大大提高了實驗教學的效率和學生對嵌入式系統的學習興趣，有助于學生把握當前嵌入式系統發展趨勢，提升實驗動手能力，取得實驗教學的良好效果。

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