電子信息工程專業(yè)綜合訓(xùn)練案例教學(xué)探索

劉靜波，蘇格諾，劉燁楠

（南京工程學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引 言

電子信息工程專業(yè)綜合訓(xùn)練是重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是對學(xué)生進行專業(yè)基礎(chǔ)訓(xùn)練，培養(yǎng)實踐動手能力，掌握分析問題、解決問題能力的重要課程。在訓(xùn)練過程中，學(xué)生以團隊合作形式，形成分工協(xié)作、互相討論、相互促進的氛圍[1]，能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識正確應(yīng)用到綜合訓(xùn)練中，實現(xiàn)綜合訓(xùn)練課題提出的要求和功能，達到學(xué)以致用的教學(xué)目的，提升學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力[2]。

STM32是目前常用的主控芯片，具備資源豐富、高性能、高性價比特點[3]，本文選擇STM32F103RCT6為主控單片機，設(shè)計基于阿里云的遠程數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，作為綜合訓(xùn)練的教學(xué)案例。通過該案例，把STM32相關(guān)知識點和傳感器技術(shù)等貫穿其中；同時將STM32終端設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)平臺結(jié)合，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸與控制。相比于以往單一功能訓(xùn)練課題，該案例具備較強的綜合應(yīng)用特點，對提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力有較好的促進作用[4]。

1 系統(tǒng)組成與功能

系統(tǒng)組成如圖1所示，STM32F103RCT6為主控單片機，該芯片主頻達72 MHz，具備串口、定時器（PWM）、外中斷、SPI、DMA、AD轉(zhuǎn)換等豐富資源[5]，是理想控制器。LCD顯示部分采用2.0寸8位數(shù)據(jù)并口的顯示屏，分辨率為320×240，具備分辨率高、占用單片機數(shù)據(jù)線少的優(yōu)點。字庫芯片作為可選擇添加系統(tǒng)的芯片，可以接在SPI1接口，用以顯示漢字，當(dāng)然也可以省略；溫濕度傳感器HDC1080、存儲芯片AT24C02和時鐘芯片DS3231是I2C接口，因此規(guī)劃一組IO端口作為I2C接口，程序通過不同的器件地址訪問，讀取溫濕度數(shù)據(jù)和時間信息等，云平臺下發(fā)的設(shè)置報警閾值存放于AT24C02中；遠程訪問通過WiFi模塊ESP8266連接物聯(lián)網(wǎng)云平臺，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸與控制。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)實現(xiàn)以下功能：終端裝置采集溫濕度數(shù)據(jù)，讀取時間等參數(shù)；在LCD顯示溫濕度數(shù)據(jù)、時間和閾值、狀態(tài)信息等；通過WiFi模塊連接阿里云飛燕平臺后，創(chuàng)建手機可視化頁面，接收溫濕度數(shù)據(jù)和終端裝置狀態(tài)信息；手機端可設(shè)置報警閾值，下發(fā)到終端裝置，當(dāng)測量的溫度或濕度超過閾值后，啟動語音提示，同時控制對應(yīng)風(fēng)扇運行，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速根據(jù)溫濕度數(shù)據(jù)高低分不同的轉(zhuǎn)速擋位運行。

2 硬件設(shè)計

圖2是硬件設(shè)計原理圖，硬件設(shè)計主要是綜合考慮STM32的外部資源合理分配，LCD接在PB端口，其中有8位數(shù)據(jù)線和若干控制線；WiFi模塊接入串口2，PA12控制WiFi模塊復(fù)位；PC10和PC11作為I2C接口接入時鐘DS3231、溫濕度模塊HDC1080和存儲芯片AT24C02；語音播報可以選擇JQ8900模塊，占用兩個IO端口控制對應(yīng)的語音播報，可以自行選用未被占用的IO口，分別提示溫度和濕度報警；兩路風(fēng)扇驅(qū)動采用L298，其中PC0、PC1和PC6控制風(fēng)扇1，PC2、PC3和PC7控制風(fēng)扇2，PC6和PC7是STM32的定時器8的PWM輸出通道CH1和CH2的控制端，用不同輸出占空比控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。SPI1接口如果接入字庫芯片，通過SPI總線訪問并讀取字庫數(shù)據(jù)，取出漢字字模，方便顯示中文字符；如果系統(tǒng)中字庫芯片未采用，程序設(shè)計中可以自己取字模，顯示必要的中文信息提示。PC4端口接入DS3231的秒信號，配置PC4為外中斷引腳，作為外中斷控制端，在程序中讀取數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息等都在外中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)[6]，提高了主程序效率。

圖2 硬件電路設(shè)計

3 軟件設(shè)計

圖3是主流程。首先是終端裝置與服務(wù)器建立連接；當(dāng)連接成功后，完成報文訂閱并確認(rèn)訂閱是否成功。單片機每隔5 s在定時器中斷發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，當(dāng)終端裝置接收到下發(fā)的數(shù)據(jù)或命令后，則對接收的數(shù)據(jù)或命令進行處理。這實際上是對接收到的字符串進行解析并提取和下發(fā)數(shù)據(jù)信息或命令關(guān)鍵字。主程序中，對測量的溫濕度數(shù)據(jù)與閾值進行比較，當(dāng)超過設(shè)定的閾值后，則會分別進行報警提示和啟動對應(yīng)的風(fēng)扇運行。當(dāng)前狀態(tài)信息也會上傳至云平臺，用戶在手機端實時掌握所有數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。終端裝置讀取溫濕度數(shù)據(jù)和時間信息、顯示數(shù)據(jù)和閾值以及狀態(tài)信息等都在外中斷服務(wù)程序中進行，不占用主程序運行。

圖3 主流程

4 教學(xué)組織實施

4.1 軟硬件設(shè)計

在教學(xué)過程中，首先對與本系統(tǒng)案例相關(guān)的軟件程序作必要講解與分析。本案例是一個綜合應(yīng)用，涵蓋了關(guān)于STM32的重要知識點，同時加入了云平臺，構(gòu)成遠程數(shù)據(jù)傳輸和控制系統(tǒng)，進一步拓展了應(yīng)用范圍。其中包括：LCD顯示、I2C接口的傳感器應(yīng)用等，串口2連接WiFi的遠程訪問，定時器主要應(yīng)用于定時發(fā)送數(shù)據(jù)和配合WiFi模塊接收數(shù)據(jù)以及外中斷讀取并顯示數(shù)據(jù)，定時器產(chǎn)生PWM波等很多方面。因此，應(yīng)該逐步理解各方面的知識點，對每個方面的軟件進行模塊化編程與測試，這也可以在進行硬件設(shè)計時同步開展。在此過程中，可以看到不少同學(xué)學(xué)習(xí)過相關(guān)課程，也會有一些相關(guān)的軟件包，但應(yīng)該對此進行細(xì)致分析，特別是管腳定義、時序狀態(tài)等細(xì)節(jié)方面，確認(rèn)是否可以應(yīng)用到本案例中，這樣才能保證軟件設(shè)計的正確性。軟件設(shè)計時應(yīng)該對每一個單元模塊單獨進行測試，這樣才是事半功倍的做法。

學(xué)生綜合訓(xùn)練小組內(nèi)部自行分工，負(fù)責(zé)硬件設(shè)計的同學(xué)重視硬件電路設(shè)計，硬件電路是基礎(chǔ)，保證硬件電路的正確性才能為軟件調(diào)試打下良好基礎(chǔ)。鼓勵在綜合訓(xùn)練過程中自己設(shè)計電路并完成實物制作，硬件設(shè)計同樣是模塊化設(shè)計方式，推薦的做法是把單片機芯片、LCD顯示、字庫芯片集成設(shè)計到一塊開發(fā)板上，開發(fā)板留有WiFi模塊接口并引出所有IO端口，另外I2C接口的時鐘、溫濕度模塊和存儲芯片可以單獨做成一個三合一的模塊，最后連接到開發(fā)板上，開發(fā)板只保留基本的單元，不必把所有的芯片或傳感器都集成到開發(fā)板上。這樣做的優(yōu)點在于：開發(fā)板相對獨立，可以更換不同接口的模塊，適用于不同的應(yīng)用系統(tǒng)。

4.2 組織實施

負(fù)責(zé)軟件編程和硬件設(shè)計的學(xué)生在綜合訓(xùn)練時應(yīng)加強溝通，編寫若干個獨立單元的軟件模塊測試開發(fā)板，查看硬件與軟件是否都能正確運行。例如編寫LCD顯示、串口2收發(fā)、溫濕度數(shù)據(jù)讀取、DS3231時鐘芯片驅(qū)動、PWM波形產(chǎn)生等子模塊程序并分別測試一下，一方面驗證開發(fā)板功能，另一方面也是提前對每一個軟件部分的模塊化編程進行測試。這樣通過軟硬件設(shè)計結(jié)合達到綜合訓(xùn)練的目的。

在實際指導(dǎo)過程中，預(yù)先設(shè)計制作了整套系統(tǒng)，并測試完成；成功運行后，用照片和視頻方式展示出來。圖4是手機端接收數(shù)據(jù)與運行狀態(tài)的界面。一方面完整展示系統(tǒng)實現(xiàn)的功能；另一方面激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，指導(dǎo)學(xué)生按步驟、有計劃地實施，對每一個單元、模塊分別進行測試，最后再組合進行整體調(diào)試，這是必然要經(jīng)歷的過程。通過這個方式，能夠讓學(xué)生學(xué)習(xí)如何設(shè)計與調(diào)試項目。物聯(lián)網(wǎng)云平臺選擇阿里云的飛燕平臺，該平臺與終端裝置采用MQTT協(xié)議進行遠程訪問數(shù)據(jù)傳輸。很多文獻資料以及網(wǎng)絡(luò)資源對該部分內(nèi)容都有詳細(xì)分析[7-8]，綜合訓(xùn)練期間，在進行遠程訪問的功能測試時應(yīng)先用一個最小化的遠程數(shù)據(jù)測試軟件系統(tǒng)進行測試。例如遠程控制一個開關(guān)的通斷，或遠程發(fā)送一個固定的數(shù)據(jù)等，這樣對遠程連接完成測試后，就掌握了數(shù)據(jù)上傳與接收等各個環(huán)節(jié)，這對后續(xù)采集上傳變量數(shù)據(jù)是很有幫助的。其中遠程訪問的一個關(guān)鍵點是變量數(shù)據(jù)與飛燕平臺物模型的相互對應(yīng)關(guān)系，學(xué)生理解了這些知識后，可以方便地嵌入到自己的綜合訓(xùn)練項目。最后，再把測試的每一個模塊軟件統(tǒng)一整合到綜合訓(xùn)練項目，從而實現(xiàn)綜合訓(xùn)練的功能任務(wù)?？傮w來說，無論是硬件設(shè)計還是軟件編程，都是經(jīng)歷從單元模塊到整體調(diào)試的過程，如果不單獨對軟硬件進行模塊化測試，是很難達到整體功能實現(xiàn)的。學(xué)生通過綜合訓(xùn)練，逐步掌握了軟硬件設(shè)計分析方法，對模塊化設(shè)計有了較深的理解[9]。

圖4 實際運行的手機界面

5 結(jié) 語

本文的綜合訓(xùn)練案例包含了軟硬件設(shè)計與調(diào)試等多個方面的知識，體現(xiàn)了綜合訓(xùn)練具備的基礎(chǔ)性、綜合性、創(chuàng)新性和提高性的特點。通過案例教學(xué)的方法，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了綜合訓(xùn)練教學(xué)的效率，使學(xué)生綜合能力有了較大程度的提高[10]，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的分析學(xué)習(xí)能力、團隊協(xié)作能力、工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。在綜合訓(xùn)練過程中，采用循序漸進的方式，引導(dǎo)學(xué)生既要有整體設(shè)計思維，又要具備從單元模塊到整體調(diào)試的能力。綜合訓(xùn)練期間進行硬件開發(fā)板設(shè)計，并完成軟件編程調(diào)試，這些都能為后續(xù)進一步應(yīng)用拓展很大的空間。綜合訓(xùn)練培養(yǎng)學(xué)生掌握系統(tǒng)設(shè)計方法，鍛煉其實踐應(yīng)用能力，為今后的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。