“虛實結合”的STM32 嵌入式技術教學改革探索

梁永恩

（廣東科貿職業學院信息與自動化學院，廣州510430）

0 引言

嵌入式技術課程是高職院校電子信息類的一門專業課程，主要講授嵌入式系統原理及其應用。目前，嵌入式技術主控芯片大多以32 位ARM 核單片機為主。其中，STM32 系列處理器是意法半導體公司推出的基于ARM Cortex-M 內核32 位微處理器，其特點是高性能、低成本、低功耗、實時性強，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。為了適應時代需要，當前各高職院校電子信息類專業在原有51 單片機技術課程的前提下，紛紛開展了基于STM32 系列處理器的嵌入式技術課程[1-2]。

1 嵌入式技術教學的現狀

嵌入式技術課程一般是在安排在8 位單片機技術課程后開設。與8 位單片機相比，STM32 芯片集成度高，功能強大，外圍接口豐富，線路復雜，不適于用手工制作開發板，故教學平臺多以現有廠家提供的嵌入式實驗箱或嵌入式開發板為主。

當前國內高校的STM32 嵌入式技術主要講授STM32 處理器的工作原理及外設應用，教學知識點包括建立工程模板、通用輸入輸出接口（GPIO）、外部中斷、串口通信、DMA 控制器、定時器、模數轉換器等。開設基礎實驗內容涉及GPIO 輸入輸出、串口、中斷、定時器、DMA、ADC、DAC 等。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。ST 公司提供了基于Cortex 微控制器軟件接口標準（CMSIS）的官方開發固件庫，為接口外設和實時操作系統提供了簡單的處理器軟件接口，屏蔽了硬件差異。STM32 有數百個寄存器，用戶想很快掌握每一個寄存器的用法是十分困難的。因此，在實際的實驗教學中大都采用基于STM 固件庫函數的開發方式，用戶不需要知道操作的是哪一個寄存器，只需要指導調用哪些函數即可，大大提高了開發效率。

當前的教學中主要存在兩個問題：

（1）由于資金和教學資源的投入限制以及受實驗場地、實驗設備數量、實驗耗材費用、實驗時間、師資力量、實驗安全等問題的影響而使得實驗內容上比較單一，以演示性、驗證性為主，學生在實踐教學階段動手能力不足，難以滿足培養高素質技能型人才的需求。

（2）STM32 單片機教學理論復雜，組成架構理解起來較為抽象，另外使用ST 固件庫開發的方式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，影響學生的開發效率。

基于上述問題，本文討論了一種基于Proteus+STM32CubeMX +MDK-ARM 的STM32 嵌入式實驗平臺設計方案，設置虛實結合的開放性實驗教學，使用STM32CubeMX 作為圖形化配置工具，充分利用各項教學資源，開展一體化項目任務驅動教學，切實培養學生的綜合技能與創造能力。

2 搭建實驗平臺

2.1 虛擬實驗平臺

使用仿真軟件Proteus 8.7[3-4]、圖形化配置工具STM32CubeMX 5.3[5]及集成開發環境MDK-ARM 5.25搭建虛擬實驗平臺。

使用英國Lab Center Electronics 公司出版的EDA工具軟件Proteus 8.7 作為仿真軟件，該版本支持8051、HC11、AVR、ARM7、8086、Cortex 和DSP 等系列處理器，支持IAR、Keil 和MATLAB 等多種編譯器[6]。實驗芯片選擇STM32F103 系列，內核為ARM Contex-M3。

STM32CubeMX 是ST 意法半導體近幾年來大力推薦的STM32 芯片圖形化配置工具，允許用戶使用圖形化向導生成C 初始化代碼，可以大大減輕開發工作，時間和費用。它具有如下特性：直觀的選擇MCU 型號，可指定系列、封裝、外設數量等條件；微控制器圖形化配置；自動處理引腳沖突；動態設置時鐘樹，生成系統時鐘配置代碼；可以動態設置外圍和中間件模式和初始化；C 代碼工程生成器覆蓋了STM32 微控制器初始化編譯軟件，如IAR、Keil、GCC。

MDK-ARM 是美國Keil 軟件公司出品的支持ARM 微控制器的一款集成開發環境。它包含了工業標準的Keil C 編譯器、宏匯編器、調試器、實時內核等組件。支持Cortex-M、Cortex-R4、ARM7 和ARM9 系列器件。用戶可以在修改STM32CubeMX 生成的項目代碼，可使用Proteus 聯合調試虛擬實驗項目或使用ST-Link 在開發板上調試程序。

2.2 真實硬件平臺

硬件平臺包括STM32 最小系統開發板、ST-LINK下載器、面包板、CH340G USB 轉串口模塊、LED、傳感器等。STM32 開發板芯片型號為STM32F103C8T6，程序存儲器容量64KB，頻率72MHz。利用面包板實現外圍接口電路，可以實現更多功能，激發學生的學習興趣。

3 教學改革措施

3.1 以項目為基礎重新規劃教學內容

課程內容選取以簡單夠用為原則，以項目為主線，每個項目包含若干個具體的典型任務，實驗內容虛實結合，把知識和技能的學習融入到任務完成的過程中。項目如表1 所示。

表1 嵌入式技術項目

3.2 虛實結合，更新教學手段

（1）仿真設計

在教學實踐中，先引入Proteus 進行仿真電路設計。以定時器應用的呼吸燈例，要求學生能夠對實現LED 亮度隨時間周期變化，效果類似人的呼吸。按照課程標準的要求，以項目任務的形式布置下去，項目布置之前，教師要將定時器工作原理結構、定時器寄存器、PWM 調制等相關知識點及仿真參考示例進行講解，循序漸進引導學生進行項目設計，并將課件、視頻等材料上傳至學習通App 中，學生可以利用課外時間自行下載和自主學習。另外，教師要把學生重點關注的問題和共性問題如STM32CubeMX 定時器配置放在課堂重點講解和分析。值得一提的是，創建工程時沒有使用標準外設固件庫，而是使用STM32CubeMX 創建C 語言工程，在圖形界面進行微處理器的選擇和配置MCU 引腳、時鐘樹及外設，然后在MDK-ARM 打開該工程中添加控制代碼，編譯生成HEX 文件，將該文件加載到仿真電路的MCU 中，調試仿真電路和程序，直至成功。使用STM32CubeMX 使MCU 的配置工作變得直觀，大大降低了學生的開發難度。在仿真設計中，學生的實現方法各異，有的用模擬方式，有的用定時器生成PWM 波的方式。通過仿真手段可以方便地對實驗模型、參數進行修改，實現“可見即可得”的效果，提高學生的學習興趣和積極性。

（2）硬件設計

根據仿真結果，進行實物設計。根據電路設計圖，在STM32 最小系統開發板上通過面包板擴展外圍電路，使用ST-LINK 下載器下載HEX 文件，在MDKARM 環境中調試程序直至成功。有了仿真驗證的基礎，學生的硬件設計成功率很高。以呼吸燈為例，學生需用1kΩ電阻串聯LED 燈的正極，再用杜邦將MCU的控制引腳、電源引腳與面包板對應的引腳進行連接即可。通過布置思考題的方式引導學有余力的學生深入學習，例如在實現呼吸燈后，通過按鍵控制燈的變化周期。需要注意的是在配置項目時要將STM32Cube-MX 中的Debug Serial Wire 選項選中，否則不能使用ST-LINK 下載程序。通過親手搭建電路和設計調試軟件，提高了學生的動手能力，鍛煉了學生在實際中發現問題、分析問題和解決問題的能力。從學生仿真和實物實現來看，較好地達到了預期效果。

3.3 改革考核方式

實施過程性考核，把仿真設計和實物制作納入課程考核方案中。綜合考勤成績占20%，從出勤率、積極互動和課堂問答三方面進行考核。平時項目作品占50%，該部分又分為仿真設計環節和實物制作環節，具體分數占比依照實際情況而定。綜合項目設計占30%，根據項目完成情況以及答辯情況進行綜合評價。此方案強化了平時項目的過程考核，一方面通過成績導向使學生更加重視平時的項目實踐，另一方面教師可以更深入掌握的學生的學習情況，便于持續改進教學方法。

4 結語

本課程通過虛實融合的方式，將課程從課上延伸到課下，取得了良好的教學效果。引入STM32CubeMX圖形化配置方式和Proteus 仿真設計使教學更加直觀、形象，大大提高了學生對嵌入式技術課程的學習興趣，提升了學生的動手能力，有效降低了實驗設備的損壞率和耗材費用。