弓志紅，鄭雅偉

(1.山西經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院，山西 太原 030024)

高校嵌入式單片機(jī)低成本便攜實訓(xùn)平臺的設(shè)計

弓志紅1，鄭雅偉2

(1.山西經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院，山西 太原 030024)

本文闡述了一種功能齊全，成本低廉的高校電子信息類專業(yè)學(xué)生自主進(jìn)行嵌入式單片機(jī)技術(shù)實訓(xùn)的平臺。該平臺集成了STM32F107VET6單片機(jī)及其各種常用的外圍電路與接口、仿真器、電源，人機(jī)界面。學(xué)生可以利用該平臺，進(jìn)行豐富的嵌入式單片機(jī)原理學(xué)習(xí)與技能實訓(xùn)；教師能夠利用該平臺，使嵌入式單片機(jī)的教學(xué)工作變得事半功倍。

嵌入式；單片機(jī)；STM32；RS485；RS232；USB；以太網(wǎng)；電源；仿真器

1 技術(shù)背景

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)是一門以嵌入式MCU/CUP為核心，電子電路技術(shù)、接口技術(shù)、通信技術(shù)、多媒體技術(shù)等多種技術(shù)融合的應(yīng)用技術(shù)，是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的核心技術(shù)之一。從信息高速公路概念的提出，到目前物聯(lián)網(wǎng)、云計算技術(shù)高速發(fā)展的今天，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)一直扮演著非常重要的角色。

近十幾年來，高校電子信息類專業(yè)對嵌入式系統(tǒng)技術(shù)課程都表現(xiàn)出了足夠的重視。高等院校在嵌入式系統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)中，基本都采用實訓(xùn)課的形式，在完整的實訓(xùn)平臺上進(jìn)行嵌入式軟件設(shè)計。嵌入式教學(xué)儀器廠家基本都會為高校提供一套穩(wěn)定可靠的嵌入式系統(tǒng)實訓(xùn)平臺，大大縮短了學(xué)生的系統(tǒng)實訓(xùn)周期，方便了教學(xué)的完成，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，更多側(cè)重對軟件的設(shè)計和完善。

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)對相關(guān)人才的基礎(chǔ)理論水平和實踐能力，都有著很高的要求，尤其是實踐能力，直接決定了嵌入式系統(tǒng)工程師在實際應(yīng)用中分析問題和解決問題的能力?，F(xiàn)代工業(yè)中，與嵌入式技術(shù)相關(guān)的項目，通常都是完整的軟硬件系統(tǒng)的開發(fā)，教學(xué)儀器廠家提供的平臺，往往過于完善，學(xué)生在實訓(xùn)過程中，往往會缺少真正發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的機(jī)會。本設(shè)計將為學(xué)生提供一種學(xué)生能夠隨時隨地自主進(jìn)行實訓(xùn)，方便快捷、成本低廉的實訓(xùn)平臺，作為常規(guī)實訓(xùn)室實訓(xùn)的有效補(bǔ)充，提高學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)的效率。

2 系統(tǒng)方案

2.1 平臺系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 平臺系統(tǒng)架構(gòu)

整個系統(tǒng)由STM32單片機(jī)及其外圍通信電路組成，主要實現(xiàn)了以下通信接口：RS458、RS232、控制局域網(wǎng)CAN總線、以太網(wǎng)通信接口、USB通信接口和數(shù)字輸入輸出DI/DO，以上通信接口在實際應(yīng)用中非常廣泛，能夠使學(xué)生的自主實訓(xùn)更加具有時效性。

2.2 單片機(jī)選型

STM32F1系列單片機(jī)是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的，專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的32位MCU，這個系列的單片機(jī)市場占有率高，運行穩(wěn)定可靠，是高校單片機(jī)實訓(xùn)平臺的主流MCU之一。

STM32F103VET6是本實訓(xùn)平臺的主控MCU，系統(tǒng)時鐘頻率為72 MHz，內(nèi)部集成了Flash程序存儲器類型512 K Bytes；數(shù)據(jù)存儲器RAM64 K Bytes；16-bit 定時/計數(shù)器4個；高速同步串行通信總線SPI 3路，通用異步串行通信總線USART 5路，兩線式同步串行通信總線I2C 2路；音頻總線I2S 2路；通用串行總線USB 1路；控制局域網(wǎng)串行總線CAN 1路，安全數(shù)字輸入輸出卡SDIO接口 1路；通用數(shù)字輸入/輸出接口GPIO 80路，采用了LQFP100形式，供電電壓為2 V～3.6 V，具備了比較完善的外設(shè)接口和通用的工作電壓[1]，是高校嵌入式ARM處理器教學(xué)的首選單片機(jī)之一。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 最小系統(tǒng)

在最小系統(tǒng)中，主要實現(xiàn)了STM32單片機(jī)工作所需的基本單元，主要包括時鐘電路，JTAG仿真電路、BOOT電路以及通用的LED指示燈和撥碼開關(guān)電路。

3.2 串行通信電路

串行接口中，實現(xiàn)了RS232和RS485兩種常用的通信接口。

RS485電路(圖2)采用了市場上常用的MAX3485芯片[2]，差分信號兩極分別通過上拉和下拉電路實現(xiàn)了信號的抗干擾性，并通過120 Ω的極間電阻，避免了信號的反射干擾。

圖2 RS485電路

RS232電路(圖3)采用了MAX3232芯片，外圍使用了四個儲能電容，在物理電平轉(zhuǎn)換中，四個電容與芯片內(nèi)部的電路，共同達(dá)到了電平抬升的作用。

3.3 數(shù)字量輸入輸出電路

在數(shù)字輸入/輸出接口中，DO電路(圖4)采用了光電耦合器TLP521，通過前級單片機(jī)IO接口對光耦前級輸入的控制，實現(xiàn)了后級的PN結(jié)無源輸出，實現(xiàn)完整的DO輸出，需要在外部提供相應(yīng)的電源和限流電阻。DI電路(圖5)同樣采用了光電耦合器TLP521，無源數(shù)字量輸入信號由光耦的前級輸入，對光耦的后級PN結(jié)的通/斷進(jìn)行控制，將輸入信號轉(zhuǎn)換為與單片機(jī)IO匹配的電平信號。

圖3 RS232電路

圖4 DO輸出電路

圖5 DI輸入電路

3.4 以太網(wǎng)通信電路

以太網(wǎng)通信電路(圖6)采用了W5200芯片，該芯片于單片機(jī)通過同步串行總線SPI接口相連，其內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，在應(yīng)用中，用戶只需要實現(xiàn)應(yīng)用層軟件的設(shè)計即可，縮短了軟件開發(fā)周期，使學(xué)生對以太網(wǎng)通信協(xié)議的理解更加一目了然。

3.5 USB通信電路

USB是非常流行的串行通訊協(xié)議，通過USB接口，單片機(jī)可以與PC實現(xiàn)方便的通信，可用于軟件系統(tǒng)的配置和跟蹤。在USB電路(圖7)設(shè)計中，采用了FT230芯片，該芯片外圍電路簡單明了，內(nèi)部集成了UART-USB的透明傳輸，是目前眾多智能設(shè)備中常用的接口設(shè)計方案。

圖6 以太網(wǎng)通信電路

圖7 USB通信電路

3.6 開發(fā)環(huán)境搭建

開發(fā)環(huán)境的選擇有若干種方案，本平臺推薦采用IAR Embedded Workbench編譯環(huán)境，此開發(fā)環(huán)境與MDK是當(dāng)下最流行的ARM單片機(jī)開發(fā)環(huán)境，該平臺用戶數(shù)量龐大，操作方便，參考資料豐富，是眾多單片機(jī)工程師進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計的首選方案[3]。

4 系統(tǒng)拓展與前瞻

本平臺旨在為高校嵌入式系統(tǒng)實訓(xùn)提供有效的補(bǔ)充，幫助學(xué)生進(jìn)行合理的自主學(xué)習(xí)。本文中只對硬件平臺進(jìn)行了介紹，軟件系統(tǒng)的設(shè)計比較靈活，可以進(jìn)行各種裸機(jī)程序?qū)嵱?xùn)，也可以移植各種嵌入式操作系統(tǒng)，進(jìn)行多任務(wù)程序設(shè)計。

在硬件電路的設(shè)計中，從成本的角度出發(fā)，主要考慮了功能的完整性，在實際應(yīng)用中，硬件電路的設(shè)計通常需要做各種保障性設(shè)計，在本平臺中并未得到實現(xiàn)。所以在平臺的使用中，需要教師具有比較豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗，對實際中硬件電路的設(shè)計思路進(jìn)行補(bǔ)充講解，讓學(xué)生理解實驗室和工程領(lǐng)域的差別，樹立完整的職業(yè)理念。

[1] 意法半導(dǎo)體公司.STM32F103xx advanced ARM-based 32-bit MCUs Datasheet[Z].2009.

[2] Explanation of Maxim RS-485 Features-Application Note，Maxim Integrated Products，2010.

[3] 意法半導(dǎo)體公司.STM32F10x Standard Peripherals Library[Z].2011.

Design of Low-cost Portable Training Platform for Embedded Microcontroller in Colleges and Universities

Gong Zhihong1, Zheng Yawei2

(1.ShanxiInstituteofEconomicManagement；TaiyuanShanxi030024,China; 2.ShanxiCadreInstituteofEconomicManagement,TaiyuanShanxi030024,China)

This paper describes a fully functional, low cost platform for electronic information students in colleges and universities to make training independently with embedded single-chip technology. The platform integrates STM32F107VET6 microcontroller and its various commonly used peripheral circuits and interfaces, simulators, power supply and man-machine interface. Students can use the platform to do a wealth of embedded single-chip principle learning and skills training; and teachers can use the platform to make the embedded single-chip teaching work with half effort.

embedded; single chip; STM32; RS485; RS232; USB; Ethernet; power supply; emulator

2017-04-08

弓志紅(1969- )，男，山西沁源人，講師，研究方向為應(yīng)用電子技術(shù)。

1674- 4578(2017)03- 0016- 04

TN98

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