高校嵌入式單片機低成本便攜實訓平臺的設計

弓志紅，鄭雅偉

(1.山西經貿職業(yè)學院，山西 太原 030024；2.山西經濟管理干部學院，山西 太原 030024)

高校嵌入式單片機低成本便攜實訓平臺的設計

弓志紅1，鄭雅偉2

(1.山西經貿職業(yè)學院，山西 太原 030024；2.山西經濟管理干部學院，山西 太原 030024)

本文闡述了一種功能齊全，成本低廉的高校電子信息類專業(yè)學生自主進行嵌入式單片機技術實訓的平臺。該平臺集成了STM32F107VET6單片機及其各種常用的外圍電路與接口、仿真器、電源，人機界面。學生可以利用該平臺，進行豐富的嵌入式單片機原理學習與技能實訓；教師能夠利用該平臺，使嵌入式單片機的教學工作變得事半功倍。

嵌入式；單片機；STM32；RS485；RS232；USB；以太網；電源；仿真器

1 技術背景

嵌入式系統(tǒng)技術是一門以嵌入式MCU/CUP為核心，電子電路技術、接口技術、通信技術、多媒體技術等多種技術融合的應用技術，是現(xiàn)代信息技術發(fā)展的核心技術之一。從信息高速公路概念的提出，到目前物聯(lián)網、云計算技術高速發(fā)展的今天，嵌入式系統(tǒng)技術一直扮演著非常重要的角色。

近十幾年來，高校電子信息類專業(yè)對嵌入式系統(tǒng)技術課程都表現(xiàn)出了足夠的重視。高等院校在嵌入式系統(tǒng)實訓教學中，基本都采用實訓課的形式，在完整的實訓平臺上進行嵌入式軟件設計。嵌入式教學儀器廠家基本都會為高校提供一套穩(wěn)定可靠的嵌入式系統(tǒng)實訓平臺，大大縮短了學生的系統(tǒng)實訓周期，方便了教學的完成，學生在學習過程中，更多側重對軟件的設計和完善。

嵌入式系統(tǒng)技術對相關人才的基礎理論水平和實踐能力，都有著很高的要求，尤其是實踐能力，直接決定了嵌入式系統(tǒng)工程師在實際應用中分析問題和解決問題的能力?，F(xiàn)代工業(yè)中，與嵌入式技術相關的項目，通常都是完整的軟硬件系統(tǒng)的開發(fā)，教學儀器廠家提供的平臺，往往過于完善，學生在實訓過程中，往往會缺少真正發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的機會。本設計將為學生提供一種學生能夠隨時隨地自主進行實訓，方便快捷、成本低廉的實訓平臺，作為常規(guī)實訓室實訓的有效補充，提高學生學習和教師教學的效率。

2 系統(tǒng)方案

2.1 平臺系統(tǒng)架構

圖1 平臺系統(tǒng)架構

整個系統(tǒng)由STM32單片機及其外圍通信電路組成，主要實現(xiàn)了以下通信接口：RS458、RS232、控制局域網CAN總線、以太網通信接口、USB通信接口和數(shù)字輸入輸出DI/DO，以上通信接口在實際應用中非常廣泛，能夠使學生的自主實訓更加具有時效性。

2.2 單片機選型

STM32F1系列單片機是基于ARM Cortex-M3內核的，專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的32位MCU，這個系列的單片機市場占有率高，運行穩(wěn)定可靠，是高校單片機實訓平臺的主流MCU之一。

STM32F103VET6是本實訓平臺的主控MCU，系統(tǒng)時鐘頻率為72 MHz，內部集成了Flash程序存儲器類型512 K Bytes；數(shù)據(jù)存儲器RAM64 K Bytes；16-bit 定時/計數(shù)器4個；高速同步串行通信總線SPI 3路，通用異步串行通信總線USART 5路，兩線式同步串行通信總線I2C 2路；音頻總線I2S 2路；通用串行總線USB 1路；控制局域網串行總線CAN 1路，安全數(shù)字輸入輸出卡SDIO接口 1路；通用數(shù)字輸入/輸出接口GPIO 80路，采用了LQFP100形式，供電電壓為2 V～3.6 V，具備了比較完善的外設接口和通用的工作電壓[1]，是高校嵌入式ARM處理器教學的首選單片機之一。

3 硬件電路設計

3.1 最小系統(tǒng)

在最小系統(tǒng)中，主要實現(xiàn)了STM32單片機工作所需的基本單元，主要包括時鐘電路，JTAG仿真電路、BOOT電路以及通用的LED指示燈和撥碼開關電路。

3.2 串行通信電路

串行接口中，實現(xiàn)了RS232和RS485兩種常用的通信接口。

RS485電路(圖2)采用了市場上常用的MAX3485芯片[2]，差分信號兩極分別通過上拉和下拉電路實現(xiàn)了信號的抗干擾性，并通過120 Ω的極間電阻，避免了信號的反射干擾。

圖2 RS485電路

RS232電路(圖3)采用了MAX3232芯片，外圍使用了四個儲能電容，在物理電平轉換中，四個電容與芯片內部的電路，共同達到了電平抬升的作用。

3.3 數(shù)字量輸入輸出電路

在數(shù)字輸入/輸出接口中，DO電路(圖4)采用了光電耦合器TLP521，通過前級單片機IO接口對光耦前級輸入的控制，實現(xiàn)了后級的PN結無源輸出，實現(xiàn)完整的DO輸出，需要在外部提供相應的電源和限流電阻。DI電路(圖5)同樣采用了光電耦合器TLP521，無源數(shù)字量輸入信號由光耦的前級輸入，對光耦的后級PN結的通/斷進行控制，將輸入信號轉換為與單片機IO匹配的電平信號。

圖3 RS232電路

圖4 DO輸出電路

圖5 DI輸入電路

3.4 以太網通信電路

以太網通信電路(圖6)采用了W5200芯片，該芯片于單片機通過同步串行總線SPI接口相連，其內部集成了TCP/IP協(xié)議棧，在應用中，用戶只需要實現(xiàn)應用層軟件的設計即可，縮短了軟件開發(fā)周期，使學生對以太網通信協(xié)議的理解更加一目了然。

3.5 USB通信電路

USB是非常流行的串行通訊協(xié)議，通過USB接口，單片機可以與PC實現(xiàn)方便的通信，可用于軟件系統(tǒng)的配置和跟蹤。在USB電路(圖7)設計中，采用了FT230芯片，該芯片外圍電路簡單明了，內部集成了UART-USB的透明傳輸，是目前眾多智能設備中常用的接口設計方案。

圖6 以太網通信電路

圖7 USB通信電路

3.6 開發(fā)環(huán)境搭建

開發(fā)環(huán)境的選擇有若干種方案，本平臺推薦采用IAR Embedded Workbench編譯環(huán)境，此開發(fā)環(huán)境與MDK是當下最流行的ARM單片機開發(fā)環(huán)境，該平臺用戶數(shù)量龐大，操作方便，參考資料豐富，是眾多單片機工程師進行軟件系統(tǒng)設計的首選方案[3]。

4 系統(tǒng)拓展與前瞻

本平臺旨在為高校嵌入式系統(tǒng)實訓提供有效的補充，幫助學生進行合理的自主學習。本文中只對硬件平臺進行了介紹，軟件系統(tǒng)的設計比較靈活，可以進行各種裸機程序實訓，也可以移植各種嵌入式操作系統(tǒng)，進行多任務程序設計。

在硬件電路的設計中，從成本的角度出發(fā)，主要考慮了功能的完整性，在實際應用中，硬件電路的設計通常需要做各種保障性設計，在本平臺中并未得到實現(xiàn)。所以在平臺的使用中，需要教師具有比較豐富的工程應用經驗，對實際中硬件電路的設計思路進行補充講解，讓學生理解實驗室和工程領域的差別，樹立完整的職業(yè)理念。

[1] 意法半導體公司.STM32F103xx advanced ARM-based 32-bit MCUs Datasheet[Z].2009.

[2] Explanation of Maxim RS-485 Features-Application Note，Maxim Integrated Products，2010.

[3] 意法半導體公司.STM32F10x Standard Peripherals Library[Z].2011.

Design of Low-cost Portable Training Platform for Embedded Microcontroller in Colleges and Universities

Gong Zhihong1, Zheng Yawei2

(1.ShanxiInstituteofEconomicManagement；TaiyuanShanxi030024,China; 2.ShanxiCadreInstituteofEconomicManagement,TaiyuanShanxi030024,China)

This paper describes a fully functional, low cost platform for electronic information students in colleges and universities to make training independently with embedded single-chip technology. The platform integrates STM32F107VET6 microcontroller and its various commonly used peripheral circuits and interfaces, simulators, power supply and man-machine interface. Students can use the platform to do a wealth of embedded single-chip principle learning and skills training; and teachers can use the platform to make the embedded single-chip teaching work with half effort.

embedded; single chip; STM32; RS485; RS232; USB; Ethernet; power supply; emulator

2017-04-08

弓志紅(1969- )，男，山西沁源人，講師，研究方向為應用電子技術。

1674- 4578(2017)03- 0016- 04

TN98

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