基于STM32的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

向 洮 馬愛君 張建雷

(山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000)

1 基于STM32的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 設(shè)計思路

市場中的許多開發(fā)團(tuán)隊把多個外設(shè)與核心控制芯片進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計開發(fā)，形成嵌入式開發(fā)系統(tǒng)。然而在每個實踐情況中，使用系統(tǒng)的人員對系統(tǒng)的需求不同。將嵌入式開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用于實際環(huán)境時，多數(shù)使用者僅使用了一部分系統(tǒng)的通用功能，例如基礎(chǔ)的ADC、LED、DAC、鍵盤、串口通信等功能。嵌入式開發(fā)系統(tǒng)中的其余功能長期處于閑置狀態(tài)。部分外設(shè)僅能在同一個開發(fā)板上工作，難以同時為其他核心芯片或開發(fā)板提供支持。在多個溫度傳感器的支持下，一個嵌入式開發(fā)板可以同時對多個溫度進(jìn)行檢測。但是市場中現(xiàn)有的溫度傳感器尚且不能實現(xiàn)被其他核心芯片或開發(fā)板所使用，出現(xiàn)外設(shè)不能復(fù)用的現(xiàn)象。在實際應(yīng)用中，以上情況會引發(fā)浪費成本的情況。因此，嵌入式開發(fā)系統(tǒng)各部分的功能應(yīng)形成互不影響的單獨模塊，避免成本浪費。在這個嵌入式開發(fā)系統(tǒng)中，使用人員可以按照需要使用各部分功能，使應(yīng)用過程更加科學(xué)合理?？刂乒δ芘c被使用局部可于嵌入式開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)緊密連接，進(jìn)而推動智能硬件產(chǎn)品開發(fā)速度進(jìn)一步加快。

1.2 模塊選擇

MCU控制模塊的選擇是嵌入式開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計中的重要一步。市面上已有的MCU控制模板類型極多，并且具有不同的功能與價格。為確保嵌入式開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計能夠穩(wěn)步開展，控制芯片需要具有低成本、低功耗、高性能的特點。而STM32是現(xiàn)有芯片中最符合要求且性價比最高的一款產(chǎn)品。憑借數(shù)量較多的應(yīng)用接口代碼，STM32芯片依托ARM技術(shù)廣泛應(yīng)用于多種環(huán)境，并存在諸多應(yīng)用實例。一般情況下，在嵌入式開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)中，其工作性能以及使用的便利性均是需要被滿足的重要訴求。STM32芯片格外匹配嵌入式開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計的多種要求，是模塊選擇的最佳控制芯片。例如市面中較為常見的Cortex-M系列微處理器，其同步電路中時鐘的基礎(chǔ)頻率高達(dá)72MHz。特別是Cortex-M系列微處理器具有優(yōu)先級搶占權(quán)，可以促進(jìn)中斷控制器進(jìn)行全面升級。該處理器可以達(dá)到中斷自動嵌套所需的要求，還可以保護(hù)與恢復(fù)現(xiàn)場，具有較高的性價比。對于系統(tǒng)設(shè)計重點部分而言，時鐘電路、復(fù)位電路以及供電電路均可設(shè)計集成于單塊核心板上，以此最大程度維持嵌入式開發(fā)系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，并充分提高開發(fā)系統(tǒng)的使用效率。

1.3 系統(tǒng)作用

在STM32的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)實際應(yīng)用時，能夠最大程度上避免存在模塊閑置的問題，顯著提升系統(tǒng)模塊使用效率，并且使模塊互不影響。當(dāng)升級局部模塊中的核心控制芯片時，其余模塊芯片仍然保持獨立運行，顯著降低由于芯片替換、更新帶來的不必要折損率。在實際應(yīng)用中，嵌入式開發(fā)系統(tǒng)需要具有極高的可靠性與安全性，并且可以將成本控制在較低的水平，但在質(zhì)量方面不能出現(xiàn)問題。有時為滿足環(huán)境需要，嵌入式開發(fā)系統(tǒng)中需集成多個開發(fā)板。因此，嵌入式開發(fā)系統(tǒng)可有效解決成本浪費問題。

2 基于STM32的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

嵌入式開發(fā)系統(tǒng)可用于多種嵌入式環(huán)境，滿足不同工作情況的要求。本文主要研究基于STM32的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計，因而在確認(rèn)將STM32作為核心控制模塊的基礎(chǔ)上，對于系統(tǒng)中的其它模塊芯片選擇仍需要進(jìn)行對應(yīng)研究。在前期項目研發(fā)過程中，工作人員需要根據(jù)外設(shè)功能需求劃分外設(shè)模塊。一般情況下，外設(shè)模塊可以劃分為LED指示燈模塊、WIFI模塊、ADC接口模塊、CAN總線模塊、USB接口模塊、觸屏模塊、蜂鳴器模塊、和串口通信模塊、溫濕度模塊等等。厘清模塊具體劃分后，對應(yīng)設(shè)計人員需要進(jìn)一步確認(rèn)所有模塊電路圖，為后續(xù)芯片選擇等工作夯實基礎(chǔ)。

由于應(yīng)用環(huán)境存在差異化，外設(shè)模塊可進(jìn)一步按照使用程度劃分為拓展模塊及基礎(chǔ)模塊。當(dāng)中基礎(chǔ)模塊包含數(shù)碼管模塊、串口通信模塊、ADC接口模塊、LED指示燈模塊以及核心蜂鳴器模塊；拓展模塊包括USB接口模塊、CAN總線模塊、WIFI模塊、觸屏模塊、繼電器模塊、溫濕度模塊。ADC接口模塊相對而言更具特殊性，其本身能夠在設(shè)計過程當(dāng)中預(yù)留轉(zhuǎn)換接口，并通過接口連接多個傳感器。此外，溫濕度模塊僅有單個接口用于連接溫濕度儀器。以上模塊中，最重要的模塊是繼電器模塊與WIFI模塊。繼電器模塊能夠?qū)﹄娐愤M(jìn)行自動化控制，發(fā)揮安全保護(hù)和自動調(diào)節(jié)整個平臺的作用。WIFI模塊可以實現(xiàn)在智能設(shè)備終端與嵌入式產(chǎn)品之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、通信。伴隨觸屏技術(shù)縱深發(fā)展，觸屏模塊在系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用次數(shù)越來越多。一方面，觸屏模塊促使整體操作便利化、直接化。另一方面，促使系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息以可視化形式展現(xiàn)于設(shè)計人員或其他工作人員，實現(xiàn)人機(jī)交互。外設(shè)模塊中的核心部分即是CAN總線接口模塊，其最大功能是實現(xiàn)對外通信。通過應(yīng)用TJA1050芯片的CAN總線接口模塊使嵌入式開發(fā)系統(tǒng)可以順利運行。

根據(jù)上述分析嵌入式開發(fā)系統(tǒng)模塊的內(nèi)容可知，基于STM32的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計方案，能夠促使很多實驗理論落實到實際工作中。例如功能模塊傳輸設(shè)計需要保障每個模塊具有獨立性的同時，考慮模塊間的綜合應(yīng)用情況，在嵌入式開發(fā)系統(tǒng)中將各個不同模塊實現(xiàn)架構(gòu)搭建，形成智能硬件。在設(shè)計系統(tǒng)中不同模塊的通訊渠道過程中，設(shè)計人員需要全面化顧及模塊基礎(chǔ)功能，使用模塊化思維進(jìn)行智能產(chǎn)品開發(fā)，實現(xiàn)差異化數(shù)據(jù)可安全傳輸并自由轉(zhuǎn)換。

3 基于STM32的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用

一般情況下，嵌入式開發(fā)系統(tǒng)多應(yīng)用于科研方面及教學(xué)活動當(dāng)中。在整體前期研發(fā)與學(xué)習(xí)中，嵌入式開發(fā)板的選擇與應(yīng)用屬于非常重要的內(nèi)容之一。嵌入式開發(fā)系統(tǒng)要實現(xiàn)各部分模塊獨立存在，不僅要對單一模塊進(jìn)行深入研究，還需要結(jié)合產(chǎn)品的實際應(yīng)用需求，靈活組合模塊。如STM32與電機(jī)驅(qū)動模塊組合可以形成四軸飛行器，STM32與智能傳感模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊等模塊組合可以組建出智能機(jī)器人。在模塊化思維不斷發(fā)展的今天，基于STM32的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于智能家居、智能汽車、工業(yè)控制等多個領(lǐng)域。STM32在和LED指示燈、鍵盤、數(shù)碼管等多元模塊構(gòu)建通訊通道并進(jìn)一步形成嵌入式開發(fā)系統(tǒng)過程當(dāng)中，系統(tǒng)可以完成數(shù)據(jù)管、終端、LED、鍵盤掃面等多項基礎(chǔ)性核心實驗。