基于Cortex-M3的ARM實驗系統(tǒng)的改進與研制

王 敏 冷 斌

(江西旅游商貿(mào)職業(yè)學院，江西 南昌 330100)

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基于Cortex-M3的ARM實驗系統(tǒng)的改進與研制

王 敏 冷 斌

(江西旅游商貿(mào)職業(yè)學院，江西 南昌 330100)

ARM作為當今前沿的智能控制技術(shù)，越來越受到廣大電子工程師的青睞。在高校，ARM教學像雨后春筍般迅速開展起來，而Cortex-M3作為ARM家族中的佼佼者，具有很高的性價比。為了提高Cortex-M3教學效果，改進與研制一款實用的實驗開發(fā)系統(tǒng)對學習將起到事半功倍的作用。

Cortex-M3 改進與研制 實驗教學 競賽

Cortex-M3技術(shù)是高校電子類學生迫切希望掌握的一門實用技術(shù)，擁有一套使用簡便、效果直觀的實驗開發(fā)系統(tǒng)顯得十分重要，然而市場上相關(guān)實驗開發(fā)系統(tǒng)普遍存在設(shè)計者對實驗內(nèi)容和學生接受程度把握不夠準確，所有模塊集中在一塊電路板上，直觀性不夠強，程序不夠簡潔，增加了初學者的困難，導致實驗教學效果不盡如人意。對現(xiàn)有的Cortex-M3實驗開發(fā)系統(tǒng)進行改進與研制，不僅對課題組成員業(yè)務(wù)水平提高有很大幫助，同時對相關(guān)專業(yè)教學改革也起到促進作用，使之成為一套布局簡潔，針對性強、實用性好的實驗開發(fā)裝置，可應(yīng)用于Cortex-M3實驗教學、項目研發(fā)、電子設(shè)計競賽等，有效地幫助學生提高實踐能力，并降低實驗室的建設(shè)成本。隨著職業(yè)教育的不斷發(fā)展，高校根據(jù)自身教學的需要，對現(xiàn)有相關(guān)實驗開發(fā)系統(tǒng)改進與研制也逐漸開展。

經(jīng)過課題組成員的不斷努力，對硬件電路的不斷斟酌與修改，對程序的不斷推敲與調(diào)試，終于改進和研制出符合課題預(yù)期的Cortex-M3實驗開發(fā)系統(tǒng)，在電路母板上包括核心板電路、下載/運行模式電路、按鍵電路、LED顯示電路、蜂鳴器訊響電路、模塊區(qū)等。

1、核心板

位于母板的左下角區(qū)域，為一塊獨立小電路板，可以通過核心板的四個邊角的安裝孔固定在電路母板上，也可以單獨作為二次開發(fā)的核心板使用。核心板簡潔，不要過多外圍模塊，只要保證Cortex-M3的基本工作。芯片采用意法半導體的STM32F103ZET6，內(nèi)置硬件資源非常豐富，功能強大，這對項目的開發(fā)提供高效的解決方案，縮短開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)成本和簡化硬件電路。

a.程序在線仿真調(diào)試電路

Cortex-M3仿真調(diào)試有JTAG和SWD兩種接法，其中JTAG接法占用較多線，而SWD接法只需SWCLK和SWDIO共2根線便可以完成仿真調(diào)試代碼，故更為方便。通過JLINK V7/V8或ULINK2仿真試調(diào)器將Cortex-M3芯片與電腦主機連接，在Keil uVision4上位機軟件的控制下，實現(xiàn)Cortex-M3實驗開發(fā)項目的在線仿真調(diào)試功能。

b.程序在線燒錄電路

最為方便的是通過串口實現(xiàn)程序在線燒錄，將Cortex-M3串口1的RXD、TXD用排針引出并標識，借助USB轉(zhuǎn)串口線，使其可以與PC機的USB口連接，且Cortex-M3和PC機共“地”，在上位機軟件(mcuisp)控制下，可以將Keil uVision4調(diào)試好的程序目標代碼在線燒錄到Cortex-M3芯片的Flash中，當然，必須在下載模式下操作(BOOT0接“1”，BOOT1接“0”)。

c.板載電源電路

電源本身性能的優(yōu)劣對系統(tǒng)影響非常大，采用紋波小的穩(wěn)壓電源，增強電源的穩(wěn)定性和可靠性。5V電源經(jīng)可恢復(fù)保險接入，濾波后輸入板載集成穩(wěn)壓芯片ASM1117-3.3，從而獲得3.3V穩(wěn)壓電源供給Cortex-M3芯片使用，將穩(wěn)壓的3.3V電源和“地”通過排針引出并標識，方便外部電路使用，并設(shè)置電源指示燈，可方便判斷核心板的電源是否接通，還板載一顆3V鈕扣電池，此電池主要為RTC時鐘和備份寄存器供電，確保外部電源切斷時，RTC時鐘可持續(xù)運行以及保證備份寄存器數(shù)據(jù)不丟失。

d.時鐘電路

有2個晶振，其中8Mhz晶振可以用作系統(tǒng)主時鐘，32.768kHz低速外部晶體主要用來驅(qū)動RTC實時時鐘，晶振兩端都要接上22pf負載電容，且盡量靠近晶振引腳，以提高時鐘的準確性和穩(wěn)定性。

e.復(fù)位電路

STM32F103ZET6的復(fù)位為低電平有效，有“上電復(fù)位”和“手動復(fù)位”，其中“上電復(fù)位”是確保上電時程序能正常初始化，而“手動復(fù)位”是在系統(tǒng)運行中，如果由于外部強烈電磁干擾而引起“死機”現(xiàn)象，可以通過按下手動復(fù)位鍵強制系統(tǒng)重新啟動。

f.通用I/O(GPIO)電路和復(fù)用功能I/O(AFIO)電路

STM32F103ZET6中有112位可用的GPIO或AFIO端口線，將這112位端口全部用排針引出并標識端口號，方便實驗或二次開發(fā)用，可以通過杜邦線將所需端口連接到其它應(yīng)用電路，使實驗或二次開發(fā)更加方便靈活。

為了減小電磁干擾，增強核心板的穩(wěn)定性和可靠性，線路拐彎時要鈍角，不要出現(xiàn)直角或銳角；由于“電源”和“地”線中電流較大，導線要設(shè)置粗些，避免“線電阻導致電壓降”帶來不良影響；焊盤使用淚滴效果，以增強焊盤的附著力；電路板采用大面積“覆銅接地”，增強抗干擾能力。

2、下載/運行模式電路

位于母板右下角偏上區(qū)域，分“手動”和“自動”兩種下載/運行模式。

a.“手動”模式是利用一個帶自鎖的按鈕開關(guān)實現(xiàn)下載/運行，需按下或彈起按鈕來切換模式，下載完成后按“復(fù)位”鍵進入運行模式。

下載模式：BOOT1接“0”，BOOT0接“1”；運行模式：BOOT1接“x”，BOOT0接“0”。

為了設(shè)置的方便，兩種模式下都將BOOT1接“0”，只要改變BOOT0的狀態(tài)即可實現(xiàn)模式的切換。

b.“自動”模式需要“一鍵下載電路”和“USB轉(zhuǎn)串口(PL2303HX)”模塊中的RTS和DTR引腳的配合，在mcuisp軟件鉤選中“編程后執(zhí)行”、“校驗”、“編程前重裝文件”、選擇“RTS高電平進BootLoader，DTR的低電平復(fù)位”，實現(xiàn)程序下載后自動轉(zhuǎn)運行模式，而不需要手動設(shè)置“BOOT0”狀態(tài)和按“復(fù)位鍵”，使操作更加簡便高效。

3、按鍵電路、LED顯示電路、蜂鳴器訊響電路

按鍵電路、LED指示電路、蜂鳴器訊響電路在實驗或二次開發(fā)過程中，是使用頻率最高的幾種電路，為了操作方便，將這幾部分電路放在母板右下角相對集中的區(qū)域。設(shè)置了8個獨立按鍵(共地接法)、16位LED(共陽接法)和1個蜂鳴器訊響(5V供電，光耦隔離輸入)，這些電路的輸入/輸出端全部用排針引出并標識，這樣可以根據(jù)程序的需要用杜邦線靈活地和核心板相應(yīng)端口連接，更能訓練學生的動手操作能力。

根據(jù)學生水平層次選取典型的、具有實用性的實驗項目編寫程序：流水燈實驗(PG)、按鍵實驗(PF)、外部中斷實驗(16路，PE)、串口通信實驗、獨立看門狗實驗、窗口看門狗實驗、定時器中斷實驗、PWM輸出實驗(T4)、RTC時鐘實驗、待機喚醒實驗、ADC實驗、DAC實驗(PA，提供給ADC測試)、內(nèi)部溫度傳感器實驗、DMA實驗、紅外遙控實驗、LCD12864實驗、輸入捕獲實驗(測高低電平時間)、計數(shù)器實驗(T4提供脈沖給T2計數(shù))等，這些實驗如需輸入信號，可以由按鍵電路提供；如果有輸出信號，可以由LED顯示電路提供；如果需要發(fā)出訊響，可以由蜂鳴器電路提供；也可以充分地利用“串口調(diào)試助手”讀取相關(guān)信息，以判斷程序是否正常。使學生對實驗開發(fā)的工作過程一目了然，可以大大改善學生實驗效果，對工程技術(shù)人員項目開發(fā)也非常有用。

4、模塊電路

在母板的上半部分區(qū)域，使用若干排針母座構(gòu)造電路模塊插座區(qū)，可適用大部分電路模塊直插在上面，且排針母座的引腳都用排針引出，這些排針可以根據(jù)程序需要用杜邦線方便地和核心板相連接，為防止電路模塊在插座上接觸不良，排針母座的質(zhì)量一定要可靠。較大的傳感器或模塊不便固定在插座上，可用加長杜邦線直接和核心板相連。

為參加電子設(shè)計競賽的學生提供比賽中常用電路模塊編寫程序：三軸加速度傳感器模塊(IIC方式)、步進電機驅(qū)動模塊、E6B2-CWZ1X編碼器模塊、MP3播放器模塊、DS18B20模塊、電子秤模塊、超聲波模塊、溫濕度模塊、氣壓BPM085模塊、三軸電子指南針模塊、三軸陀螺儀L3G4200D模塊、NRF24L01模塊(SPI方式)、SG90舵機模塊、TCS3200顏色識別模塊、BH1750FVI光強模塊、觸摸屏模塊等，學生可以靈活地選用這些電路模塊進行項目設(shè)計調(diào)試，對學生參加電子競賽的賽前輔導和比賽具有良好效果。

5、結(jié)束語

改進與研制的Cortex-M3實驗開發(fā)系統(tǒng)突破傳統(tǒng)實驗箱的不足，以模塊電路為主，留出電源端口、輸入/輸出信號及使能端口，增加學生動手連線操作的機會，這樣可以使學生更加理解實驗電路的供電情況、信號走向和工作要點，避免傳統(tǒng)實驗箱線路連接過于固定、程序過于繁鎖，以達到更好的實驗效果。

[1]STM32F10xxx參考手冊[M].意法半導體(中國)投資有限公司.2010：55-59.

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江西省教育廳科技處研究項目(GJJ13805)研究成果；江西旅游商貿(mào)職業(yè)學院課題《改進ARM實驗箱提高實驗效果的研究》研究成果。