基于STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

謝永超

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

0 引言

由于學(xué)?，F(xiàn)有的模/數(shù)電實驗箱、單片機(嵌入式)開發(fā)板等電子類專業(yè)“可移動”實驗/實訓(xùn)平臺結(jié)構(gòu)相對獨立，只能滿足模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機技術(shù)等電子類專業(yè)單項專業(yè)技能的實訓(xùn)要求，缺乏對學(xué)生創(chuàng)新能力、專業(yè)復(fù)合能力、綜合應(yīng)用能力等能力的培養(yǎng)。而大型的綜合創(chuàng)新實訓(xùn)平臺，具有功能可拓展性差、需要配備專門的實訓(xùn)室管理人員、設(shè)備利用率低等缺陷。為提高學(xué)生對電子專業(yè)知識的綜合應(yīng)用能力水平和創(chuàng)新能力，提升實訓(xùn)設(shè)備的利用率，實現(xiàn)實訓(xùn)設(shè)備的便攜性，設(shè)計了基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新實訓(xùn)平臺[1-10]。

1 基于STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺的系統(tǒng)構(gòu)架及原理

1.1 基于STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺的系統(tǒng)構(gòu)架

借助“電子積木”和“塔式系統(tǒng)”的理念，設(shè)計一種基于嵌入式系統(tǒng)STM32的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新實訓(xùn)平臺。實現(xiàn)功能模塊化的，能夠滿足電子產(chǎn)品的裝配與檢驗、數(shù)字電子技術(shù)類實訓(xùn)、傳感器技術(shù)應(yīng)用類實訓(xùn)、單片機小系統(tǒng)類實訓(xùn)等相關(guān)專項能力的實訓(xùn)，還可以方便地進行知識綜合應(yīng)用及創(chuàng)新型實訓(xùn)項目的設(shè)計與實現(xiàn)，提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力[1]。

基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新實訓(xùn)平臺包括 “口袋實驗室式”STM32核心控制板和“電子積木”式功能模塊。系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

1.2 基于STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺的原理

基于STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺選用STM32F103ZET6作為主控模塊，配備模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電力電子技術(shù)、智能家居等10個“電子積木”式功能模塊。STM32核心控制板的I/O口、“電子積木”式功能模塊的硬件接口均設(shè)計為2×20的接插件連接形式，便于基于STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺在使用過程中，核心控制板(STM32)與“電子積木”式功能模塊的硬件連接。在實際使用過程中，可根據(jù)實驗/實訓(xùn)項目的需要，選用10個模塊中的若干個子模塊與STM32核心控制板進行硬件連接，搭建滿足實驗/實訓(xùn)項目需要的硬件系統(tǒng)，然后設(shè)計滿足實驗/實訓(xùn)項目需要的軟件系統(tǒng)，并將編制的軟件通過JTAG下載器電路燒至核心控制板(STM32)，最終完成實驗/實訓(xùn)項目的軟件和硬件聯(lián)調(diào)，實現(xiàn)實驗/實訓(xùn)項目的預(yù)期功能[1]。

基于STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺通過“電子積木”式功能模塊與核心控制板(STM32)的靈活組合，可以搭建不同難度等級、不同應(yīng)用場景、不同綜合程度的綜合應(yīng)用項目，極大地提升了電子技術(shù)創(chuàng)新平臺的拓展功能，能夠有效提升學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力。

2 嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板的設(shè)計

2.1 嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板主控電路

嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板選用STM32F103ZET6作為核心控制芯片(主電路如圖2所示)，主要包括電源電路(如圖3所示)、晶振電路、JTAG下載器電路、12864液晶顯示電路等相關(guān)電路組成。

圖2 STM32核心控制板主電路

2.2 嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板電源電路

電源電路提供+3.3 V和+5 V的2路直流電壓給相關(guān)單元電路(集成芯片)提供工作電壓。由三端穩(wěn)壓器LM7805提供+5 V的電源電壓，開關(guān)型集成穩(wěn)壓器LM2576提供3.3 V的電壓。

圖3 電源電路圖

2.3 嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板鍵盤電路

鍵盤電路由獨立鍵盤和4×4矩陣鍵盤2部分組成，其中，獨立鍵盤由SW1、SW2、SW3和SW4組成，矩陣鍵盤包括S1-S16(如圖4所示)。

圖4 鍵盤電路

2.4 嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板USB轉(zhuǎn)串口電路

USB轉(zhuǎn)串口電路(如圖6所示)采用CH340T芯片，實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口的功能。CH340T的主要作用是升級更新已有串口的外圍設(shè)備，也可以結(jié)合USB數(shù)據(jù)總線為STM32核心控制板提供附加的新增串口。同時還可以在外加電平轉(zhuǎn)換元件的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)外加RS422、RS485、RS232等通信接口的功能[2]。

圖5 USB轉(zhuǎn)串口電路

2.5 嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板串口電路

串口電路(如圖6所示)選用經(jīng)典的MAX3232串口芯片，提高嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板的可靠性。MAX3232內(nèi)部輸出級使用專用的低壓差(3.0～5.5 V)發(fā)送器，給雙電荷泵提供3.0～5.5 V供電直流電壓源，就可以實現(xiàn)RS-232性能。同時，外接電路簡單，只需要外接4個0.10.1 uF的外部小尺寸電荷泵電容[3]。

圖6 MAX3232串口電路

在設(shè)計嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板時，把STM32F103ZET6所有I/O口用統(tǒng)一的2×20的插件接口引出，并能夠兼容“積木式”模塊電路的插件接口。同時為了兼顧主流的接口(USB)調(diào)試方法，嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板直接集成了JTAG下載口，以便實現(xiàn)“口袋實驗室”的便攜功能。

3 “積木式”功能模塊電路設(shè)計

“積木式”功能模塊包括輸入與輸出功能模塊(鍵盤、開關(guān)等)、顯示功能模塊(LCD、LED、數(shù)碼管、液晶等)、模擬電子技術(shù)功能模塊(放大、濾波、信號產(chǎn)生等)、數(shù)字電子技術(shù)功能模塊(門電路、計數(shù)器、A/D、D/A等)、電力電子技術(shù)模塊(交流電壓檢測、交流電流檢測、脈沖觸發(fā)、三相電能檢測等)、傳感器類功能模塊(溫濕度、壓力、光照、霍爾、壓力、超聲波等)、執(zhí)行機構(gòu)功能模塊(開關(guān)電路、繼電器、電機等)、工業(yè)通信功能模塊(485總線、232總線、CAN總線等)、智能家居模塊(智能窗簾、燈光智能控制器、家庭智能監(jiān)控系統(tǒng)等)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)模塊(WiFi、Zigbee組件、智能立體車庫、鐵道車輛車號自動識別系統(tǒng)等)等[11-16]。

同時，每個“積木式”功能模塊又包含若干個獨立的“子模塊”功能電路。學(xué)生可選擇“積木式”功能模塊的若干個模塊與嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板共同實現(xiàn)超聲波測距、鐵道車輛車號自動識別系統(tǒng)組網(wǎng)等綜合型創(chuàng)新項目。由于包含的模塊電路較多，故不在文章中詳述各模塊電路的工作原理。

4 “模塊化”程序庫開發(fā)

基于嵌入式系統(tǒng)STM32的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新實訓(xùn)平臺除了硬件電路外還需要配套的軟件設(shè)計(如圖7所示)。對于高職院校的學(xué)生來說，軟件編程最缺乏編程的思想、思維和方法，編寫的程序邏輯性、可讀性差，更缺乏系統(tǒng)的思維。針對高職學(xué)生這一普遍遇到的難題，我們將“積木式”功能模塊對應(yīng)的程序代碼進行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的封裝，實現(xiàn)程序“模塊化”。學(xué)生在項目實施過程中，只需要編寫主程序，然后基于應(yīng)用層流程去調(diào)用相應(yīng)的子程序模塊[1]，從而實現(xiàn)編程的簡化處理，提高學(xué)生的編程水平。

圖7 “模塊化”的程序庫開發(fā)流程圖

基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺的“模塊化”程序庫設(shè)計主要目的是解決學(xué)生程序設(shè)計學(xué)習(xí)和編制困難的問題。其主要方法是將主程序、各模塊的子程序封裝成系列化的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)，學(xué)生在程序過程中，首先根據(jù)實驗/實訓(xùn)項目、綜合應(yīng)用項目的需要，參照主程序庫中的程序，編制主程序，然后調(diào)用各模塊的子程序，即可完成滿足實驗/實訓(xùn)項目需要的系統(tǒng)程序設(shè)計。通過“模塊化”程序庫設(shè)計，規(guī)范了學(xué)生的編程思維，極大地提升了學(xué)生的程序設(shè)計與編制能力。

5 基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺試驗結(jié)果與應(yīng)用成效分析

1)平臺試驗結(jié)果：

在“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺設(shè)計完成后，首先對基于STM32F103ZET6的核心控制板及電源電路、晶振電路、JTAG下載器電路、12864液晶顯示電路、鍵盤電路、USB轉(zhuǎn)串口電路、MAX3232串口電路等外圍電路進行了功能測試，測試結(jié)果表明，基于TM32F103ZET6的核心控制板能夠進行正常的程序下載與運行，12864液晶顯示電路能夠?qū)崿F(xiàn)顯示功能，鍵盤電路能夠進行相關(guān)量的輸入，MAX3232串口電路能夠正常的實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到了核心控制板預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。

“模塊化”功能模塊測試主要是對放大、濾波、信號產(chǎn)生、交流電壓檢測、交流電流檢測、脈沖觸發(fā)、三相電能檢測、溫濕度、壓力、光照、霍爾、壓力、超聲波、智能窗簾、燈光智能控制器、家庭智能監(jiān)控系統(tǒng)等功能模塊進行功能測試，并通過工業(yè)通信功能模塊(485總線、232總線、CAN總線等)驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)功能模塊(開關(guān)電路、繼電器、電機等)完成綜合項目的設(shè)計與實施。下面以基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺搭建的溫濕度自動檢測裝置為例闡述“模塊化組合應(yīng)用”的效果。

基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的溫濕度自動檢測裝置硬件結(jié)構(gòu)由STM32F103ZET6的核心控制板、按鍵電路、12864液晶顯示電路和溫濕度檢測模塊構(gòu)成。首先，在平臺上將按鍵電路、12864液晶顯示電路和溫濕度檢測模塊等“積木式”功能模塊與核心控制板(STM32)通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口電路連接，即可以完成基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的溫濕度自動檢測裝置硬件系統(tǒng)的搭建，然后完成溫濕度自動檢測裝置主程序的編制，溫濕度檢測子程序只需要調(diào)用“模塊化”、“標(biāo)準(zhǔn)化”子程序即可。完成基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的溫濕度自動檢測裝置軟硬件聯(lián)調(diào)后，對不同溫度和不同濕度的樣本進行了測試驗證，測試結(jié)果如表1和表2所示。測試結(jié)果表明，基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的溫濕度自動檢測裝置能夠自動完成土壤溫度和土壤濕度的自動測試，測試誤差滿足了設(shè)計需求。

表1 溫度測試結(jié)果表

表2 濕度測試結(jié)果

2)平臺應(yīng)用成效:

通過基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺的實際應(yīng)用，學(xué)生不僅僅能夠完成模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電力電子技術(shù)、智能家居等相關(guān)技術(shù)的轉(zhuǎn)型訓(xùn)練，提升模擬/數(shù)字電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電力電子技術(shù)、智能家居等專項技術(shù)的應(yīng)用能力，還可以通過不同模塊與核心控制板之間的有效組合，完成不

同難度等級、不同應(yīng)用場景、不同綜合程度的綜合應(yīng)用項目，提升跨學(xué)科的綜合應(yīng)用能力。同時，學(xué)生可自主進行不同模塊與核心控制板之間的有效組合，搭建自己感興趣的綜合應(yīng)用項目，提升自主創(chuàng)新設(shè)計能力。

基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺在設(shè)計完成后，在湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院的應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)、電子信息工程技術(shù)專業(yè)的2018級、2019級的學(xué)生中進行了推廣和應(yīng)用，學(xué)生在《傳感器技術(shù)應(yīng)用》、《嵌入式技術(shù)應(yīng)用》等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)過程中，在基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺上按照課程教學(xué)計劃完成相應(yīng)的實驗實訓(xùn)項目，也可以在自主該平臺上進行拓展性實驗實訓(xùn)項目的設(shè)計、搭建和驗證。通過近3年的實施發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、專業(yè)知識的綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力明顯提升。學(xué)生在專業(yè)技能競賽中屢創(chuàng)佳績，在全國電子設(shè)計大賽中獲得國家一等獎2項、省級一等獎4項；在全國職業(yè)院校技能競賽中，獲電子設(shè)計與制作賽項全國一等獎1項，在其他賽項的比賽中累計獲得省級以上獎勵20余項。

6 結(jié)束語

基于嵌入式系統(tǒng)STM32的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新實訓(xùn)平臺實現(xiàn)了如下創(chuàng)新：1)實現(xiàn)了“積木式”功能模塊電路設(shè)計。通過“積木式”功能模塊電路設(shè)計使得學(xué)生可以通過“搭積木”的方式構(gòu)建實際的應(yīng)用項目，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和專業(yè)復(fù)合能力。2)將“口袋實驗室”的理念融入到嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板設(shè)計，實現(xiàn)了核心控制板接口與“積木式”功能模塊電路接口標(biāo)準(zhǔn)化，為學(xué)生隨時隨地學(xué)習(xí)提供方便。3)將程序進行“模塊化”設(shè)計。為滿足大學(xué)教學(xué)簡潔、易懂、強化實踐性的要求，針對高職學(xué)生這一普遍遇到的難題，我們將“積木式”功能模塊對應(yīng)的程序代碼進行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的封裝，實現(xiàn)程序“模塊化”。學(xué)生在項目實施過程中，只需要編寫主程序，然后基于應(yīng)用層流程去調(diào)用相應(yīng)的子程序模塊[1]。