STM32嵌入式處理器模塊化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王鵬舉 鄭麗姣

摘要：目前，大多數(shù)嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要針對(duì)本科院校設(shè)計(jì)，不適宜高職院校嵌入式相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)。針對(duì)該問題，提出了一種基于STM32[1]嵌入式處理器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)遵循“以芯為主、軟硬結(jié)合”的設(shè)計(jì)原則，結(jié)合模塊化思想，為高職嵌入式課程教學(xué)服務(wù)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括硬件電路和軟件測(cè)試代碼設(shè)計(jì)。教學(xué)實(shí)踐表明，該平臺(tái)明顯提高了嵌入式課程教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：STM32嵌入式處理器；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；教學(xué)改革

DOIDOI：10.11907/rjdk.1511630

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2016）005-0090-02

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)+、智能制造2025、工業(yè)4.0[2]等概念的提出，我國嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)人才需求量一路高漲，嵌入式開發(fā)將成為未來幾年最熱門、最受歡迎的職業(yè)之一，為此，各高校都開設(shè)了嵌入式方向課程。學(xué)好嵌入式方向課程，不但要有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，更需要一個(gè)適用的嵌入式開發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。目前，市場(chǎng)上供應(yīng)的嵌入式處理器實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要是針對(duì)本科教學(xué)設(shè)計(jì)的，不適合高職高專培養(yǎng)技能型人才教學(xué)需求。構(gòu)建低成本、技術(shù)先進(jìn)、符合高職學(xué)生職業(yè)崗位需求的嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，對(duì)嵌入式領(lǐng)域技能型人才培養(yǎng)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 存在問題

目前嵌入式教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)種類繁多，總體上分為3類：

（1）以8位嵌入式處理器為核心的開發(fā)平臺(tái)。該類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的難度屬于入門級(jí)，如基于STC單片機(jī)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、基于AVR系列單片機(jī)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等。由于學(xué)習(xí)內(nèi)容過于簡單，對(duì)于嵌入式開發(fā)方向的學(xué)生，學(xué)習(xí)上沒有提升空間，直接導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性不高。同時(shí)，這類嵌入式處理器也不符合嵌入式產(chǎn)品開發(fā)低成本、低功耗、高性能的設(shè)計(jì)要求。

（2）以STM32為核心的嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以STM32嵌入式處理器為核心，結(jié)合外圍控制電路設(shè)計(jì)開發(fā)而成。這類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)沒有采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)特點(diǎn)往往有兩個(gè)極端。一類是“小而精”，只有一個(gè)核心板，外圍的引腳全部只能飛線連接。如果沒有外圍接口實(shí)驗(yàn)板，這類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)根本沒法使用。另一類是“大而全”，一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，鼠標(biāo)、鍵盤、TFT液晶屏、電機(jī)、紅外接口等應(yīng)有盡有，并且有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為了節(jié)省成本，采用端口復(fù)用的方式，這對(duì)于設(shè)計(jì)能力不強(qiáng)的學(xué)生不適合使用。

（3）以ARM9[3]為核心的嵌入式處理器實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。該類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以ARM9芯片為控制核心，需要移植操作系統(tǒng)，比如Linux操作系統(tǒng)，在Linux操作系統(tǒng)下編寫各類驅(qū)動(dòng)。這類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)比較適合本科院校大四甚至研究生使用，而高職院校的學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)的理解以及對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)都較陌生，不適合高職院校使用。

綜上所述，盡管高職院校中使用的嵌入式實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)很多，但是從教學(xué)的難度、學(xué)生的水準(zhǔn)、成本等多方面考慮，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)顯然不利于高職嵌入式方向的人才培養(yǎng)和課程教學(xué)，開發(fā)適合高職院校嵌入式產(chǎn)品開發(fā)類專業(yè)技能訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)勢(shì)在必行。

2 整體設(shè)計(jì)

為了更好地為嵌入式方向教學(xué)服務(wù)，模塊化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體設(shè)計(jì)應(yīng)把握當(dāng)前嵌入式產(chǎn)品應(yīng)用趨勢(shì)[4]。STM32嵌入式處理器由于控制功能強(qiáng)、可靠性高和體積小、價(jià)格低等特點(diǎn)，在智能儀器儀表、醫(yī)療電子行業(yè)、通信、工業(yè)控制、外設(shè)控制、家用電器、機(jī)器人、軍事裝置等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用[2]。用一片體積很小的STM32嵌入式處理器替代復(fù)雜而龐大的傳統(tǒng)數(shù)字電路和模擬電路，已成為電子產(chǎn)品開發(fā)趨勢(shì)。因此，模塊化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以STM32嵌入式處理器為控制核心來構(gòu)建整個(gè)硬件設(shè)計(jì)。

根據(jù)高職院校嵌入式方向人才培養(yǎng)要求[5]，結(jié)合軟件工程的模塊化思想，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行硬件模塊劃分與設(shè)計(jì)。圖1為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體設(shè)計(jì)框架，具體設(shè)計(jì)思路如下：首先設(shè)計(jì)硬件電路的各個(gè)功能模塊，然后編寫軟件模塊化功能代碼，最后實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)與調(diào)試。

嵌入式產(chǎn)品開發(fā)過程中，經(jīng)常用到并行通信、串行通信以及各類總線技術(shù)[6]。因此，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要以各類接口和通信模塊為單元，各自獨(dú)立與STM32嵌入式處理器進(jìn)行通信[7]。各個(gè)模塊在設(shè)計(jì)過程中，不但要在硬件PCB設(shè)計(jì)上考慮模塊化的設(shè)計(jì)方式，使各模塊相互獨(dú)立、互不影響，并且在軟件代碼設(shè)計(jì)上，各模塊控制代碼要相互獨(dú)立，既可以單獨(dú)控制對(duì)應(yīng)的模塊，又可以將幾個(gè)控制代碼融為一體，實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的控制功能。

3 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件模塊化實(shí)現(xiàn)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，硬件電路設(shè)計(jì)包括6個(gè)基本實(shí)驗(yàn)?zāi)K和3個(gè)提升實(shí)驗(yàn)?zāi)K?；緦?shí)驗(yàn)?zāi)K包括：基于STM32嵌入式處理器最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)、JTAG下載仿真電路設(shè)計(jì)、USART串行通信接口下載電路設(shè)計(jì)、按鍵接口電路設(shè)計(jì)、A/D及D/A電路設(shè)計(jì)；提升實(shí)驗(yàn)?zāi)K包括：WiFi模塊接口電路設(shè)計(jì)、LCD顯示屏接口電路設(shè)計(jì)、智能小車驅(qū)動(dòng)電路接口設(shè)計(jì)。以上功能模塊單獨(dú)與STM32嵌入式處理器連接，沒有端口復(fù)用以及模塊之間相互連接問題。

以智能小車驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)為例，智能小車的驅(qū)動(dòng)采用 L298N[8]芯片，該芯片內(nèi)含兩個(gè)全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)。通過4個(gè)I/O口與STM32嵌入式處理器相連接，采用TLP521光耦隔離器技術(shù)，防止電機(jī)運(yùn)行對(duì)嵌入式處理器及其它功能模塊產(chǎn)生電磁干擾。硬件模塊的設(shè)計(jì)還需要完成硬件電路原理圖繪制、電路板PCB圖繪制、硬件電路元件的焊接、調(diào)試等。

3.2 軟件模塊化實(shí)現(xiàn)

硬件電路設(shè)計(jì)完后，需要編寫軟件測(cè)試程序，實(shí)現(xiàn)嵌入式產(chǎn)品開發(fā)“以芯為主，軟硬結(jié)合”的設(shè)計(jì)思想。軟件代碼編寫是否規(guī)范、設(shè)計(jì)流程是否合理，是決定嵌入式產(chǎn)品開發(fā)成敗的關(guān)鍵[9]。因此，不但要設(shè)計(jì)一套實(shí)用性強(qiáng)的硬件開發(fā)平臺(tái)，而且要編寫一套規(guī)范的軟件代碼，提供一套規(guī)范的范例程序。

在軟件代碼編寫過程中完全遵循模塊化的設(shè)計(jì)思想。每一個(gè)控制模塊的軟件代碼設(shè)計(jì)成相互獨(dú)立的頭文件，主要包括LED流水燈測(cè)試程序、蜂鳴器測(cè)試程序、按鍵測(cè)試程序、A/D轉(zhuǎn)換測(cè)試程序、串口通信測(cè)試程序、DS18B20測(cè)試程序、顯示屏測(cè)試程序、智能小車測(cè)試程序、WiFi模塊測(cè)試程序等。這些測(cè)試程序相互獨(dú)立，可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)某個(gè)功能模塊的單獨(dú)控制，也可以相互融合實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的功能控制。比如，將智能小車的控制程序和WiFi模塊的控制程序相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)智能小車的手機(jī)遙控等。

3.3 教學(xué)應(yīng)用

嵌入式產(chǎn)品一般以CPU處理器為核心，結(jié)合外圍硬件電路，在軟件程序的控制下實(shí)現(xiàn)智能化的功能或算法[9]。因此，嵌入式方向課程教學(xué)，一定要嚴(yán)格把握軟硬件相結(jié)合的教學(xué)思路。在理論教學(xué)中，要講解實(shí)訓(xùn)平臺(tái)每個(gè)模塊的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路以及軟件代碼編寫方法。在實(shí)訓(xùn)過程中，讓學(xué)生應(yīng)用硬件畫圖工具，比如Protel軟件，繪制出對(duì)應(yīng)模塊電路圖，并且調(diào)試出對(duì)應(yīng)的程序代碼，最終在實(shí)訓(xùn)平臺(tái)上顯示。教師在這個(gè)過程中，只起到積極引導(dǎo)的作用，更多的時(shí)間是讓學(xué)生自己動(dòng)手，這樣，不但能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，而且能夠提高嵌入式應(yīng)用能力。

4 結(jié)語

根據(jù)當(dāng)前嵌入式方向教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的不足，設(shè)計(jì)了一款適合高職院校嵌入式方向的實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)。基于STM32嵌入式處理器的模塊化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已應(yīng)用于筆者學(xué)校2013級(jí)軟件技術(shù)專業(yè)嵌入式方向課程教學(xué)，取得了較好的教學(xué)效果：學(xué)生的應(yīng)用開發(fā)能力和崗位適應(yīng)能力均有一定的提升，嵌入式方向的學(xué)生獲得2014年“挑戰(zhàn)杯”電子設(shè)計(jì)大賽全國二等獎(jiǎng)。嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)和嵌入式方向的教學(xué)改革任重道遠(yuǎn)，必須繼續(xù)探索，不斷改革創(chuàng)新，為提高嵌入式方向教學(xué)效果而努力。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧有亮.基于STM32的嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[2]王彥華.“工學(xué)結(jié)合”模式下高職院校單片機(jī)課程的教改[J].裝備制造技術(shù)，2009（12）：158-159.

[3]豐海.嵌入式Linux系統(tǒng)應(yīng)用及項(xiàng)目實(shí)踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[4]冼進(jìn).嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)改革初探[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用，2011（8）：282-284.

[5]潘登.面向卓越人才培養(yǎng)的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革[J].計(jì)算機(jī)教育，2013（13）：1-5.

[6]宋焱翼.嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索 ，2011（7）：239-241.

[7]霍華.嵌入式技術(shù)課程教學(xué)方法改革[J].計(jì)算機(jī)教育，2012（6）：48-50.

[8]張曉東.高校嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)改革探索[J].中國電力教育，2013（8）：35-38.

[9]姚莉.嵌入式課程教學(xué)改革研究[J].教育教學(xué)研究，2014（6）：68-70.

（責(zé)任編輯：杜能鋼）