王鵬舉 鄭麗姣

摘要：目前，大多數(shù)嵌入式實驗平臺主要針對本科院校設(shè)計，不適宜高職院校嵌入式相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)。針對該問題，提出了一種基于STM32[1]嵌入式處理器的實驗平臺。該實驗平臺遵循“以芯為主、軟硬結(jié)合”的設(shè)計原則，結(jié)合模塊化思想，為高職嵌入式課程教學服務(wù)。實驗平臺主要包括硬件電路和軟件測試代碼設(shè)計。教學實踐表明，該平臺明顯提高了嵌入式課程教學質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：STM32嵌入式處理器；實驗平臺；教學改革

DOIDOI：10.11907/rjdk.1511630

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2016）005-0090-02

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)+、智能制造2025、工業(yè)4.0[2]等概念的提出，我國嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)人才需求量一路高漲，嵌入式開發(fā)將成為未來幾年最熱門、最受歡迎的職業(yè)之一，為此，各高校都開設(shè)了嵌入式方向課程。學好嵌入式方向課程，不但要有扎實的理論基礎(chǔ)，更需要一個適用的嵌入式開發(fā)實訓平臺。目前，市場上供應的嵌入式處理器實訓平臺主要是針對本科教學設(shè)計的，不適合高職高專培養(yǎng)技能型人才教學需求。構(gòu)建低成本、技術(shù)先進、符合高職學生職業(yè)崗位需求的嵌入式實驗教學系統(tǒng)，對嵌入式領(lǐng)域技能型人才培養(yǎng)具有重大的現(xiàn)實意義。

1 存在問題

目前嵌入式教學實訓平臺種類繁多，總體上分為3類：

（1）以8位嵌入式處理器為核心的開發(fā)平臺。該類實驗平臺的難度屬于入門級，如基于STC單片機開發(fā)的實驗平臺、基于AVR系列單片機開發(fā)的實驗平臺等。由于學習內(nèi)容過于簡單，對于嵌入式開發(fā)方向的學生，學習上沒有提升空間，直接導致學習積極性不高。同時，這類嵌入式處理器也不符合嵌入式產(chǎn)品開發(fā)低成本、低功耗、高性能的設(shè)計要求。

（2）以STM32為核心的嵌入式實驗平臺。該類實驗平臺以STM32嵌入式處理器為核心，結(jié)合外圍控制電路設(shè)計開發(fā)而成。這類實驗平臺沒有采用模塊化的設(shè)計方法，設(shè)計特點往往有兩個極端。一類是“小而精”，只有一個核心板，外圍的引腳全部只能飛線連接。如果沒有外圍接口實驗板，這類實驗平臺根本沒法使用。另一類是“大而全”，一個實驗平臺上，鼠標、鍵盤、TFT液晶屏、電機、紅外接口等應有盡有，并且有的實驗平臺為了節(jié)省成本，采用端口復用的方式，這對于設(shè)計能力不強的學生不適合使用。

（3）以ARM9[3]為核心的嵌入式處理器實訓平臺。該類實驗平臺以ARM9芯片為控制核心，需要移植操作系統(tǒng)，比如Linux操作系統(tǒng)，在Linux操作系統(tǒng)下編寫各類驅(qū)動。這類實驗平臺比較適合本科院校大四甚至研究生使用，而高職院校的學生對操作系統(tǒng)的理解以及對驅(qū)動程序的開發(fā)都較陌生，不適合高職院校使用。

綜上所述，盡管高職院校中使用的嵌入式實驗實訓平臺很多，但是從教學的難度、學生的水準、成本等多方面考慮，現(xiàn)有的實驗平臺顯然不利于高職嵌入式方向的人才培養(yǎng)和課程教學，開發(fā)適合高職院校嵌入式產(chǎn)品開發(fā)類專業(yè)技能訓練的實驗、實訓平臺勢在必行。

2 整體設(shè)計

為了更好地為嵌入式方向教學服務(wù)，模塊化實驗平臺的整體設(shè)計應把握當前嵌入式產(chǎn)品應用趨勢[4]。STM32嵌入式處理器由于控制功能強、可靠性高和體積小、價格低等特點，在智能儀器儀表、醫(yī)療電子行業(yè)、通信、工業(yè)控制、外設(shè)控制、家用電器、機器人、軍事裝置等領(lǐng)域有著非常廣泛的應用[2]。用一片體積很小的STM32嵌入式處理器替代復雜而龐大的傳統(tǒng)數(shù)字電路和模擬電路，已成為電子產(chǎn)品開發(fā)趨勢。因此，模塊化實驗平臺以STM32嵌入式處理器為控制核心來構(gòu)建整個硬件設(shè)計。

根據(jù)高職院校嵌入式方向人才培養(yǎng)要求[5]，結(jié)合軟件工程的模塊化思想，對實驗平臺進行硬件模塊劃分與設(shè)計。圖1為實驗平臺的整體設(shè)計框架，具體設(shè)計思路如下：首先設(shè)計硬件電路的各個功能模塊，然后編寫軟件模塊化功能代碼，最后實現(xiàn)整個實驗平臺的開發(fā)與調(diào)試。

嵌入式產(chǎn)品開發(fā)過程中，經(jīng)常用到并行通信、串行通信以及各類總線技術(shù)[6]。因此，實驗平臺的設(shè)計主要以各類接口和通信模塊為單元，各自獨立與STM32嵌入式處理器進行通信[7]。各個模塊在設(shè)計過程中，不但要在硬件PCB設(shè)計上考慮模塊化的設(shè)計方式，使各模塊相互獨立、互不影響，并且在軟件代碼設(shè)計上，各模塊控制代碼要相互獨立，既可以單獨控制對應的模塊，又可以將幾個控制代碼融為一體，實現(xiàn)一些復雜的控制功能。

3 設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 硬件模塊化實現(xiàn)

根據(jù)總體設(shè)計方案，硬件電路設(shè)計包括6個基本實驗模塊和3個提升實驗模塊?；緦嶒災K包括：基于STM32嵌入式處理器最小系統(tǒng)電路設(shè)計、電源電路設(shè)計、JTAG下載仿真電路設(shè)計、USART串行通信接口下載電路設(shè)計、按鍵接口電路設(shè)計、A/D及D/A電路設(shè)計；提升實驗模塊包括：WiFi模塊接口電路設(shè)計、LCD顯示屏接口電路設(shè)計、智能小車驅(qū)動電路接口設(shè)計。以上功能模塊單獨與STM32嵌入式處理器連接，沒有端口復用以及模塊之間相互連接問題。

以智能小車驅(qū)動電路設(shè)計為例，智能小車的驅(qū)動采用 L298N[8]芯片，該芯片內(nèi)含兩個全橋式驅(qū)動器，可以同時驅(qū)動兩個直流電機。通過4個I/O口與STM32嵌入式處理器相連接，采用TLP521光耦隔離器技術(shù)，防止電機運行對嵌入式處理器及其它功能模塊產(chǎn)生電磁干擾。硬件模塊的設(shè)計還需要完成硬件電路原理圖繪制、電路板PCB圖繪制、硬件電路元件的焊接、調(diào)試等。

3.2 軟件模塊化實現(xiàn)

硬件電路設(shè)計完后，需要編寫軟件測試程序，實現(xiàn)嵌入式產(chǎn)品開發(fā)“以芯為主，軟硬結(jié)合”的設(shè)計思想。軟件代碼編寫是否規(guī)范、設(shè)計流程是否合理，是決定嵌入式產(chǎn)品開發(fā)成敗的關(guān)鍵[9]。因此，不但要設(shè)計一套實用性強的硬件開發(fā)平臺，而且要編寫一套規(guī)范的軟件代碼，提供一套規(guī)范的范例程序。

在軟件代碼編寫過程中完全遵循模塊化的設(shè)計思想。每一個控制模塊的軟件代碼設(shè)計成相互獨立的頭文件，主要包括LED流水燈測試程序、蜂鳴器測試程序、按鍵測試程序、A/D轉(zhuǎn)換測試程序、串口通信測試程序、DS18B20測試程序、顯示屏測試程序、智能小車測試程序、WiFi模塊測試程序等。這些測試程序相互獨立，可以單獨實現(xiàn)某個功能模塊的單獨控制，也可以相互融合實現(xiàn)一些復雜的功能控制。比如，將智能小車的控制程序和WiFi模塊的控制程序相結(jié)合，可以實現(xiàn)智能小車的手機遙控等。

3.3 教學應用

嵌入式產(chǎn)品一般以CPU處理器為核心，結(jié)合外圍硬件電路，在軟件程序的控制下實現(xiàn)智能化的功能或算法[9]。因此，嵌入式方向課程教學，一定要嚴格把握軟硬件相結(jié)合的教學思路。在理論教學中，要講解實訓平臺每個模塊的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計思路以及軟件代碼編寫方法。在實訓過程中，讓學生應用硬件畫圖工具，比如Protel軟件，繪制出對應模塊電路圖，并且調(diào)試出對應的程序代碼，最終在實訓平臺上顯示。教師在這個過程中，只起到積極引導的作用，更多的時間是讓學生自己動手，這樣，不但能提高學生的學習積極性，而且能夠提高嵌入式應用能力。

4 結(jié)語

根據(jù)當前嵌入式方向教學實驗平臺的不足，設(shè)計了一款適合高職院校嵌入式方向的實驗開發(fā)平臺?；赟TM32嵌入式處理器的模塊化實驗平臺已應用于筆者學校2013級軟件技術(shù)專業(yè)嵌入式方向課程教學，取得了較好的教學效果：學生的應用開發(fā)能力和崗位適應能力均有一定的提升，嵌入式方向的學生獲得2014年“挑戰(zhàn)杯”電子設(shè)計大賽全國二等獎。嵌入式實驗平臺的開發(fā)和嵌入式方向的教學改革任重道遠，必須繼續(xù)探索，不斷改革創(chuàng)新，為提高嵌入式方向教學效果而努力。

參考文獻：

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（責任編輯：杜能鋼）