王 敏 冷 斌

(江西旅游商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，江西 南昌 330100)

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基于Cortex-M3的ARM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的改進(jìn)與研制

王 敏 冷 斌

(江西旅游商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，江西 南昌 330100)

ARM作為當(dāng)今前沿的智能控制技術(shù)，越來(lái)越受到廣大電子工程師的青睞。在高校，ARM教學(xué)像雨后春筍般迅速開(kāi)展起來(lái)，而Cortex-M3作為ARM家族中的佼佼者，具有很高的性價(jià)比。為了提高Cortex-M3教學(xué)效果，改進(jìn)與研制一款實(shí)用的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)對(duì)學(xué)習(xí)將起到事半功倍的作用。

Cortex-M3 改進(jìn)與研制 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 競(jìng)賽

Cortex-M3技術(shù)是高校電子類學(xué)生迫切希望掌握的一門(mén)實(shí)用技術(shù)，擁有一套使用簡(jiǎn)便、效果直觀的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)顯得十分重要，然而市場(chǎng)上相關(guān)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)普遍存在設(shè)計(jì)者對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和學(xué)生接受程度把握不夠準(zhǔn)確，所有模塊集中在一塊電路板上，直觀性不夠強(qiáng)，程序不夠簡(jiǎn)潔，增加了初學(xué)者的困難，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不盡如人意。對(duì)現(xiàn)有的Cortex-M3實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)與研制，不僅對(duì)課題組成員業(yè)務(wù)水平提高有很大幫助，同時(shí)對(duì)相關(guān)專業(yè)教學(xué)改革也起到促進(jìn)作用，使之成為一套布局簡(jiǎn)潔，針對(duì)性強(qiáng)、實(shí)用性好的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)裝置，可應(yīng)用于Cortex-M3實(shí)驗(yàn)教學(xué)、項(xiàng)目研發(fā)、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等，有效地幫助學(xué)生提高實(shí)踐能力，并降低實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)成本。隨著職業(yè)教育的不斷發(fā)展，高校根據(jù)自身教學(xué)的需要，對(duì)現(xiàn)有相關(guān)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)改進(jìn)與研制也逐漸開(kāi)展。

經(jīng)過(guò)課題組成員的不斷努力，對(duì)硬件電路的不斷斟酌與修改，對(duì)程序的不斷推敲與調(diào)試，終于改進(jìn)和研制出符合課題預(yù)期的Cortex-M3實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，在電路母板上包括核心板電路、下載/運(yùn)行模式電路、按鍵電路、LED顯示電路、蜂鳴器訊響電路、模塊區(qū)等。

1、核心板

位于母板的左下角區(qū)域，為一塊獨(dú)立小電路板，可以通過(guò)核心板的四個(gè)邊角的安裝孔固定在電路母板上，也可以單獨(dú)作為二次開(kāi)發(fā)的核心板使用。核心板簡(jiǎn)潔，不要過(guò)多外圍模塊，只要保證Cortex-M3的基本工作。芯片采用意法半導(dǎo)體的STM32F103ZET6，內(nèi)置硬件資源非常豐富，功能強(qiáng)大，這對(duì)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)提供高效的解決方案，縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)省開(kāi)發(fā)成本和簡(jiǎn)化硬件電路。

a.程序在線仿真調(diào)試電路

Cortex-M3仿真調(diào)試有JTAG和SWD兩種接法，其中JTAG接法占用較多線，而SWD接法只需SWCLK和SWDIO共2根線便可以完成仿真調(diào)試代碼，故更為方便。通過(guò)JLINK V7/V8或ULINK2仿真試調(diào)器將Cortex-M3芯片與電腦主機(jī)連接，在Keil uVision4上位機(jī)軟件的控制下，實(shí)現(xiàn)Cortex-M3實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的在線仿真調(diào)試功能。

b.程序在線燒錄電路

最為方便的是通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)程序在線燒錄，將Cortex-M3串口1的RXD、TXD用排針引出并標(biāo)識(shí)，借助USB轉(zhuǎn)串口線，使其可以與PC機(jī)的USB口連接，且Cortex-M3和PC機(jī)共“地”，在上位機(jī)軟件(mcuisp)控制下，可以將Keil uVision4調(diào)試好的程序目標(biāo)代碼在線燒錄到Cortex-M3芯片的Flash中，當(dāng)然，必須在下載模式下操作(BOOT0接“1”，BOOT1接“0”)。

c.板載電源電路

電源本身性能的優(yōu)劣對(duì)系統(tǒng)影響非常大，采用紋波小的穩(wěn)壓電源，增強(qiáng)電源的穩(wěn)定性和可靠性。5V電源經(jīng)可恢復(fù)保險(xiǎn)接入，濾波后輸入板載集成穩(wěn)壓芯片ASM1117-3.3，從而獲得3.3V穩(wěn)壓電源供給Cortex-M3芯片使用，將穩(wěn)壓的3.3V電源和“地”通過(guò)排針引出并標(biāo)識(shí)，方便外部電路使用，并設(shè)置電源指示燈，可方便判斷核心板的電源是否接通，還板載一顆3V鈕扣電池，此電池主要為RTC時(shí)鐘和備份寄存器供電，確保外部電源切斷時(shí)，RTC時(shí)鐘可持續(xù)運(yùn)行以及保證備份寄存器數(shù)據(jù)不丟失。

d.時(shí)鐘電路

有2個(gè)晶振，其中8Mhz晶振可以用作系統(tǒng)主時(shí)鐘，32.768kHz低速外部晶體主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，晶振兩端都要接上22pf負(fù)載電容，且盡量靠近晶振引腳，以提高時(shí)鐘的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

e.復(fù)位電路

STM32F103ZET6的復(fù)位為低電平有效，有“上電復(fù)位”和“手動(dòng)復(fù)位”，其中“上電復(fù)位”是確保上電時(shí)程序能正常初始化，而“手動(dòng)復(fù)位”是在系統(tǒng)運(yùn)行中，如果由于外部強(qiáng)烈電磁干擾而引起“死機(jī)”現(xiàn)象，可以通過(guò)按下手動(dòng)復(fù)位鍵強(qiáng)制系統(tǒng)重新啟動(dòng)。

f.通用I/O(GPIO)電路和復(fù)用功能I/O(AFIO)電路

STM32F103ZET6中有112位可用的GPIO或AFIO端口線，將這112位端口全部用排針引出并標(biāo)識(shí)端口號(hào)，方便實(shí)驗(yàn)或二次開(kāi)發(fā)用，可以通過(guò)杜邦線將所需端口連接到其它應(yīng)用電路，使實(shí)驗(yàn)或二次開(kāi)發(fā)更加方便靈活。

為了減小電磁干擾，增強(qiáng)核心板的穩(wěn)定性和可靠性，線路拐彎時(shí)要鈍角，不要出現(xiàn)直角或銳角；由于“電源”和“地”線中電流較大，導(dǎo)線要設(shè)置粗些，避免“線電阻導(dǎo)致電壓降”帶來(lái)不良影響；焊盤(pán)使用淚滴效果，以增強(qiáng)焊盤(pán)的附著力；電路板采用大面積“覆銅接地”，增強(qiáng)抗干擾能力。

2、下載/運(yùn)行模式電路

位于母板右下角偏上區(qū)域，分“手動(dòng)”和“自動(dòng)”兩種下載/運(yùn)行模式。

a.“手動(dòng)”模式是利用一個(gè)帶自鎖的按鈕開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)下載/運(yùn)行，需按下或彈起按鈕來(lái)切換模式，下載完成后按“復(fù)位”鍵進(jìn)入運(yùn)行模式。

下載模式：BOOT1接“0”，BOOT0接“1”；運(yùn)行模式：BOOT1接“x”，BOOT0接“0”。

為了設(shè)置的方便，兩種模式下都將BOOT1接“0”，只要改變BOOT0的狀態(tài)即可實(shí)現(xiàn)模式的切換。

b.“自動(dòng)”模式需要“一鍵下載電路”和“USB轉(zhuǎn)串口(PL2303HX)”模塊中的RTS和DTR引腳的配合，在mcuisp軟件鉤選中“編程后執(zhí)行”、“校驗(yàn)”、“編程前重裝文件”、選擇“RTS高電平進(jìn)BootLoader，DTR的低電平復(fù)位”，實(shí)現(xiàn)程序下載后自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)行模式，而不需要手動(dòng)設(shè)置“BOOT0”狀態(tài)和按“復(fù)位鍵”，使操作更加簡(jiǎn)便高效。

3、按鍵電路、LED顯示電路、蜂鳴器訊響電路

按鍵電路、LED指示電路、蜂鳴器訊響電路在實(shí)驗(yàn)或二次開(kāi)發(fā)過(guò)程中，是使用頻率最高的幾種電路，為了操作方便，將這幾部分電路放在母板右下角相對(duì)集中的區(qū)域。設(shè)置了8個(gè)獨(dú)立按鍵(共地接法)、16位LED(共陽(yáng)接法)和1個(gè)蜂鳴器訊響(5V供電，光耦隔離輸入)，這些電路的輸入/輸出端全部用排針引出并標(biāo)識(shí)，這樣可以根據(jù)程序的需要用杜邦線靈活地和核心板相應(yīng)端口連接，更能訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手操作能力。

根據(jù)學(xué)生水平層次選取典型的、具有實(shí)用性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目編寫(xiě)程序：流水燈實(shí)驗(yàn)(PG)、按鍵實(shí)驗(yàn)(PF)、外部中斷實(shí)驗(yàn)(16路，PE)、串口通信實(shí)驗(yàn)、獨(dú)立看門(mén)狗實(shí)驗(yàn)、窗口看門(mén)狗實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器中斷實(shí)驗(yàn)、PWM輸出實(shí)驗(yàn)(T4)、RTC時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)、待機(jī)喚醒實(shí)驗(yàn)、ADC實(shí)驗(yàn)、DAC實(shí)驗(yàn)(PA，提供給ADC測(cè)試)、內(nèi)部溫度傳感器實(shí)驗(yàn)、DMA實(shí)驗(yàn)、紅外遙控實(shí)驗(yàn)、LCD12864實(shí)驗(yàn)、輸入捕獲實(shí)驗(yàn)(測(cè)高低電平時(shí)間)、計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)(T4提供脈沖給T2計(jì)數(shù))等，這些實(shí)驗(yàn)如需輸入信號(hào)，可以由按鍵電路提供；如果有輸出信號(hào)，可以由LED顯示電路提供；如果需要發(fā)出訊響，可以由蜂鳴器電路提供；也可以充分地利用“串口調(diào)試助手”讀取相關(guān)信息，以判斷程序是否正常。使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的工作過(guò)程一目了然，可以大大改善學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果，對(duì)工程技術(shù)人員項(xiàng)目開(kāi)發(fā)也非常有用。

4、模塊電路

在母板的上半部分區(qū)域，使用若干排針母座構(gòu)造電路模塊插座區(qū)，可適用大部分電路模塊直插在上面，且排針母座的引腳都用排針引出，這些排針可以根據(jù)程序需要用杜邦線方便地和核心板相連接，為防止電路模塊在插座上接觸不良，排針母座的質(zhì)量一定要可靠。較大的傳感器或模塊不便固定在插座上，可用加長(zhǎng)杜邦線直接和核心板相連。

為參加電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的學(xué)生提供比賽中常用電路模塊編寫(xiě)程序：三軸加速度傳感器模塊(IIC方式)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、E6B2-CWZ1X編碼器模塊、MP3播放器模塊、DS18B20模塊、電子秤模塊、超聲波模塊、溫濕度模塊、氣壓BPM085模塊、三軸電子指南針模塊、三軸陀螺儀L3G4200D模塊、NRF24L01模塊(SPI方式)、SG90舵機(jī)模塊、TCS3200顏色識(shí)別模塊、BH1750FVI光強(qiáng)模塊、觸摸屏模塊等，學(xué)生可以靈活地選用這些電路模塊進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)調(diào)試，對(duì)學(xué)生參加電子競(jìng)賽的賽前輔導(dǎo)和比賽具有良好效果。

5、結(jié)束語(yǔ)

改進(jìn)與研制的Cortex-M3實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的不足，以模塊電路為主，留出電源端口、輸入/輸出信號(hào)及使能端口，增加學(xué)生動(dòng)手連線操作的機(jī)會(huì)，這樣可以使學(xué)生更加理解實(shí)驗(yàn)電路的供電情況、信號(hào)走向和工作要點(diǎn)，避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱線路連接過(guò)于固定、程序過(guò)于繁鎖，以達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果。

[1]STM32F10xxx參考手冊(cè)[M].意法半導(dǎo)體(中國(guó))投資有限公司.2010：55-59.

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江西省教育廳科技處研究項(xiàng)目(GJJ13805)研究成果；江西旅游商貿(mào)職業(yè)學(xué)院課題《改進(jìn)ARM實(shí)驗(yàn)箱提高實(shí)驗(yàn)效果的研究》研究成果。