以STM32單片機(jī)為控制核心的教學(xué)實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)

楊 浩，李紅嶺，杜彬杰，杜新東，謝飛飛，田江龍

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

1 引言

51系列的MCU為8位處理器，運(yùn)行速度慢，集成資源較少，采用馮諾依曼存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，需要外圍電路[1～3]，適合初學(xué)者，功能沒有STM32強(qiáng)大，STM32為32位處理器采用哈佛結(jié)構(gòu)，速度快，集成度高，有豐富的外圍的接口，I2C、SPI、ADC、RTC、Timer、CRC、DMA、USART等多種外設(shè)，STM32單片機(jī)有固件函數(shù)庫，所以程序模塊化，接口簡單[4，5]。

本實(shí)驗(yàn)開發(fā)板以STM32F103RCT6為控制核心，因?yàn)镾TM32F103RCT6具有64針腳256K字節(jié)的閃存存儲(chǔ)器，并且每個(gè)I/O口具有兩個(gè)32位配置寄存器，兩個(gè)數(shù)據(jù)寄存器，每個(gè)I/O口有7種工作方式，系統(tǒng)時(shí)鐘最大可達(dá)到72MHz、自帶兩個(gè)12位ADC轉(zhuǎn)換器并且其每個(gè)最多有16個(gè)通道、4個(gè)16位通用定時(shí)器，兩個(gè)高級(jí)定時(shí)器、內(nèi)置RTC定時(shí)器用于計(jì)時(shí)，并板載多種實(shí)驗(yàn)電路，幫助同學(xué)們驗(yàn)證電子設(shè)計(jì)程序以及競賽項(xiàng)目[6，9]。

2 硬件電路介紹

實(shí)驗(yàn)開發(fā)版以STM32F103RCT6單片機(jī)作為控制器，外圍硬件電路為：時(shí)鐘電路、電源電路、復(fù)位電路、跑馬燈電路、按鍵輸入電路、ADC轉(zhuǎn)化電路、LCD顯示電路、PWM波輸出電路、I2C通信電路。STM32F103RCT6單片機(jī)通過按鍵電路、ADC、I2C接收信息處理后，發(fā)出信號(hào)給LED和LCD液晶屏幕給與顯示，并輸出PWM信號(hào)給電機(jī)使其做出相應(yīng)的控制動(dòng)作(圖1)。

圖1 實(shí)驗(yàn)板硬件組成框圖

2.1 跑馬燈實(shí)驗(yàn)電路

跑馬燈實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲屚瑢W(xué)們了解I/O口

作為輸出時(shí)其程序的配置過程，以及了解I/O的驅(qū)動(dòng)能力，本實(shí)驗(yàn)板設(shè)置有兩個(gè)LED顯示電路，有不同的I/O口驅(qū)動(dòng)，硬件電路上每個(gè)LED燈珠一段直接連接I/O口上另一端經(jīng)電阻連接于電源正極，當(dāng)I/O口輸出低電平是LED導(dǎo)通并且發(fā)光，接口電路如圖2所示。

圖2 LED實(shí)驗(yàn)電路

2.2 按鍵實(shí)驗(yàn)電路

按鍵實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲屚瑢W(xué)們了解I/O口作為輸入時(shí)的配置過程，以及如何通過程序來檢測到按鍵狀態(tài)。按鍵的一端接地一端直接連接在控制I/O上，接口電路如圖3所示。

圖3 按鍵實(shí)驗(yàn)電路

2.3 LCD顯示實(shí)驗(yàn)電路

液晶顯示模塊為2.8吋的薄膜晶體管液晶顯示器，通過STM32的普通I/O口模擬8080總線來控制TFTLCD并且支持65K色顯示，顯示分辨率為320×240。接口為16位的80并口，硬件接口電路如圖4所示。

圖4 LCD液晶顯示接口電路

其中CS：TFTLCD片選信號(hào)。

WR：向TFTLCD寫入數(shù)據(jù)。

RD：從TFTLCD讀寫數(shù)據(jù)。

D[15:0]：16位雙向數(shù)據(jù)線。

RST：硬復(fù)位TFTLCD。

RS：命令/數(shù)據(jù)標(biāo)志(0，讀寫命令：1，讀寫數(shù)據(jù))。

2.4 PWM輸出實(shí)驗(yàn)電路

PWM信號(hào)主要用以對(duì)電機(jī)或舵機(jī)控制本開發(fā)板中，專門設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)的舵機(jī)輸出接口，步進(jìn)電機(jī)包含轉(zhuǎn)速控制端口和使能控制端、方向控制端，硬件接口電路如圖5所示。

圖5 PWM信號(hào)輸出接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)

STM32的開發(fā)需要多個(gè)軟件配合，編譯軟件為KEIL公司的MDK5，或是MDK4不同封裝的芯片需要不同的軟件，MDK5的功能是很強(qiáng)大的。使用C語言進(jìn)行開發(fā)，集成編寫、編譯、連接、在線調(diào)試、仿真于一體。這里已最簡單的跑馬燈來介紹相關(guān)軟件。

(1)定時(shí)器初始化流程圖如圖6所示。

圖6 定時(shí)器初始化流程圖

(2)PWM波輸出主程序。

int main(void)

{

u16 led0pwmval=0;

u8 dir=1;

delay_init(); //延時(shí)函數(shù)初始化

...

while(1)

{

delay_ms(10);

if(dir)led0pwmval++;

else led0pwmval--;

if(led0pwmval>300)dir=0;

if(led0pwmval==0)dir=1;

TIM_SetCompare2(TIM3,led0pwmval);

}

}

4 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)符合教學(xué)要求[10～12]，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與教學(xué)內(nèi)容密切配合，實(shí)驗(yàn)開發(fā)板中板載了多種實(shí)驗(yàn)電路，并且為了降低學(xué)習(xí)難度，提高同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都配套了實(shí)驗(yàn)程序，不僅可實(shí)現(xiàn)如跑馬燈、按鍵、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換、LCD顯示、定時(shí)器的PWM波的輸出以及I2C通信等傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)課程內(nèi)容實(shí)驗(yàn)，還有攝像頭模塊、音頻輸入輸出、以太網(wǎng)接口、USB-HID接口、SD卡接口等基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容中涉及不多的實(shí)驗(yàn)，可用于同學(xué)們的SRTP項(xiàng)目設(shè)計(jì)和競賽培訓(xùn)，為學(xué)生電子協(xié)會(huì)活動(dòng)等更深層次的學(xué)習(xí)提供便利[13～15]。