黨　會(huì)

(燕山大學(xué)　電氣工程學(xué)院，河北　秦皇島　066004)

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積木式模塊化結(jié)構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

黨會(huì)

(燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北秦皇島066004)

各高校嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)多采用外購(gòu)實(shí)驗(yàn)箱，成本高，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一，不利于后期更新和維護(hù)。該文提出采用積木式模塊化結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)基于STM32F103ZCT6的實(shí)驗(yàn)板，在主板的基礎(chǔ)上，通過(guò)不斷地?cái)U(kuò)充相關(guān)的硬件模塊，可以實(shí)現(xiàn)很多儀器儀表、工業(yè)控制等設(shè)備樣機(jī)。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比，包含了很好的設(shè)計(jì)理念，更有利于培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，同時(shí)，便于根據(jù)嵌入式系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展進(jìn)行同步更新，極大地降低了后續(xù)投資成本，更適合高校發(fā)展的需要。

STM32嵌入式實(shí)驗(yàn)板；積木式模塊化結(jié)構(gòu)；創(chuàng)新能力培養(yǎng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)針對(duì)特定的應(yīng)用而“量身定做”的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，涉及先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)、電子信息技術(shù)等領(lǐng)域，知識(shí)覆蓋面廣，綜合性、實(shí)踐性強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域廣[1-2]。目前，隨著我國(guó)嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)需求的快速增長(zhǎng)，針對(duì)嵌入式領(lǐng)域的人才需求旺盛。但由于普通高校嵌入式方向師資力量薄弱，教師軟硬件知識(shí)兼通的較少，資金、設(shè)備投入小，只是針對(duì)個(gè)別專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)了嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)課程，且實(shí)踐環(huán)節(jié)多采用外購(gòu)的實(shí)驗(yàn)箱，成本高，利用率低，不易維護(hù)。

本文采用積木式模塊化結(jié)構(gòu)，應(yīng)用STM32F103ZCT6開(kāi)發(fā)了嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)板，包括LED、按鍵、蜂鳴器、串口、I2C接口等幾部分，支持JTAG/JLINK調(diào)試，滿(mǎn)足嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。它可外接溫/濕度檢測(cè)、超聲波測(cè)距等硬件模塊，便于不斷擴(kuò)充和更新的同時(shí)減少了后續(xù)經(jīng)費(fèi)的投入額度，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比有一定的設(shè)計(jì)理念，更利于學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[3-6]。該實(shí)驗(yàn)板在燕山大學(xué)嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及本科生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)中，取得了很好的實(shí)踐效果。

1　嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)板開(kāi)發(fā)

結(jié)合本科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需要，采用積木式模塊化結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了一套基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)板。該實(shí)驗(yàn)板針對(duì)性強(qiáng)，除可完成基礎(chǔ)I/O口實(shí)驗(yàn)、中斷控制實(shí)驗(yàn)、定時(shí)實(shí)驗(yàn)和串行口通信實(shí)驗(yàn)外，通過(guò)擴(kuò)展相應(yīng)的功能模塊還可用于學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)、工程實(shí)訓(xùn)等。

1.1教學(xué)實(shí)驗(yàn)板結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)板基于STM32F103ZCT6微控制器芯片，主要有LED、按鍵、蜂鳴器、串口、I2C接口等幾部分，通過(guò)20引腳標(biāo)準(zhǔn)JTAG調(diào)試接口，結(jié)合IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和JLINK調(diào)試器進(jìn)行程序下載及調(diào)試。實(shí)驗(yàn)板實(shí)物圖如圖1所示。

圖1　嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)板實(shí)物圖

1)CPU。

采用ST公司的32位微控制器STM32F103 ZCT6，最高頻率可達(dá)72 MHz。

2)I2C接口。

可外接ROM存儲(chǔ)器、溫度傳感器等。

3)JTAG調(diào)試接口。

用于程序下載調(diào)試。

4)RS232串行口。

采用最簡(jiǎn)單的三線(xiàn)連接，通信波特率最高可達(dá)115.2 kb/s。

5)外設(shè)。

包括4個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)、4個(gè)LED指示燈和1個(gè)蜂鳴器，可完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1.2基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)案例

GPIO口操作是嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)最重要也是最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。在IAR Embedded Workbench for ARM V5.30軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境下，使用通用定時(shí)器控制IO口依次輸出頻率為262，294，330，349，392，440，494 Hz的方波，控制蜂鳴器發(fā)出哆、唻、咪、發(fā)、嗦、拉、西音符。PE0口作為輸出，實(shí)驗(yàn)連接示意圖如圖2所示。采用STM32標(biāo)準(zhǔn)固件庫(kù)，實(shí)驗(yàn)步驟如下:

1)系統(tǒng)初始化。

使用外部晶振，將系統(tǒng)時(shí)鐘倍頻至72 MHz。

2)GPIO初始化配置。

2 MHz推挽輸出模式，用于輸出控制LED的亮滅。

3)NVIC初始化配置。

使能TIM2中斷請(qǐng)求通道。

4)TIM2初始化配置。

①使能APB1時(shí)鐘、使能TIM2時(shí)鐘。

②設(shè)定計(jì)數(shù)器模式、自動(dòng)重裝載寄存器賦初值(需提前計(jì)算，16位整形)、TIM2時(shí)鐘頻率除數(shù)的預(yù)分頻值(16位整形)、采樣分頻。

③使能TIM2中斷，啟動(dòng)定時(shí)器TIM2。

圖2　蜂鳴器發(fā)音連接示意圖

部分主函數(shù)和中斷函數(shù)如下:

int main (void)

{

SystemInit();

LL_GPIO_Configuration();

LL_NVIC_Configuration();

LL_TIM2_Configuration();

While(1)

{

DelayMs(3000);

Write_PSC(Num_Flag);

Num_Flag++;

If(Num_Flag >6)

Num_Flag = 0;

}

}

Void TIM2_IRQHandler(void)

{

If(TIM_GetITStatus(TIM2，TIM_IT_Update) != RESET)

{

TIM_ClearITPendingBit(TIM2，TIM_FLAG_Update);

GPIOE -> ODR ^ = 1;

}

}

2　創(chuàng)新能力培養(yǎng)

創(chuàng)新能力培養(yǎng)[7-11]側(cè)重于學(xué)生的動(dòng)手能力和

解決實(shí)際問(wèn)題的工程能力，以實(shí)驗(yàn)主板為基礎(chǔ)，根據(jù)需要外接各功能模塊，實(shí)現(xiàn)積木式模塊化設(shè)計(jì)，便于根據(jù)嵌入式系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展進(jìn)行同步更新。

創(chuàng)新項(xiàng)目以實(shí)用與常見(jiàn)的電子設(shè)備、測(cè)量?jī)x器、家用電器等為設(shè)計(jì)目標(biāo)，每個(gè)項(xiàng)目配備相應(yīng)的功能模塊，如表1所示。學(xué)生結(jié)合已學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，并查閱相關(guān)資料，補(bǔ)充適當(dāng)?shù)睦碚撝R(shí)來(lái)完成項(xiàng)目。項(xiàng)目完成后，上交結(jié)題報(bào)告，并制作PPT進(jìn)行答辯，由指導(dǎo)教師對(duì)實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行驗(yàn)收。

表1　創(chuàng)新能力培養(yǎng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

3　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于STM32F103ZCT6的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)板在滿(mǎn)足基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上，立足于學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，為學(xué)生培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)興趣、拓寬專(zhuān)業(yè)知識(shí)、開(kāi)闊視野、培養(yǎng)創(chuàng)新能力搭建了一個(gè)廣泛的活動(dòng)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)板采用積木式模塊化設(shè)計(jì)，便于根據(jù)嵌入式系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展進(jìn)行同步更新，極大地減小了后續(xù)投資成本，更適合高校發(fā)展的需要。

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Embedded System Experimental Teaching Research Based on Building Modular Structure

DANG hui

(School of Electrical Engineering ，YanShan University，Qinhuangdao 066004，China)

The embedded experiment always uses outsourcing experiment box in colleges and universities.It has high cost，and the experimental project was single.It doesn’t conducive to the late update and maintenance.In this paper，a building modular structure was proposed to develop the experimental board based on STM32F103ZCT6.On the basis of the motherboard，through expanding related hardware modules，it can realize many instrumentation and industrial control prototype devices.Compared with the traditional experimental equipment，this experimental board includes designing ideas，it is more conducive to train students’ practical ability and innovation ability.At the same time，this experimental board was easy to update according to the embedded system industry development.It greatly reduced the investment cost，and was more suitable for the need of the colleges and university development.

STM32 embedded experimental board; building modular structure; innovation capability training;experimental teaching

2014-09-02；修改日期: 2014-10-21

黨會(huì)(1983-)，女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事紅外探測(cè)、圖像處理、嵌入式系統(tǒng)方面的研究。

G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.046