金國華, 畢 勝, 王 璐, 張大力

(1. 大連海事大學 國家級電工電子教學示范中心, 遼寧 大連 116026;2. 大連理工大學 航空航天學院, 遼寧 大連 116024)

單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點,廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域。由于51系列單片機應用較早,技術較成熟,當前很多高校的單片機課程、實驗、課程設計都是圍繞著51系列單片機開展[1-4]。隨著單片機應用領域對單片機功耗、運算性能、開發(fā)工具、系統(tǒng)整合等方面的要求越來越高,意法半導體(ST)公司推出的STM32F1系列超低功耗32位ARM微控制器,采用Cortex-M3內核,具有較低的電壓范圍、高速的運算能力、優(yōu)異的實時性能、杰出的功耗控制、極低的開發(fā)成本、豐富的外設等優(yōu)點,在嵌入式系統(tǒng)中、低端領域特別是醫(yī)療、汽車、家電、儀器儀表等領域的應用日漸廣泛[5-7],因此許多高校開始進行單片機課程的教學改革,引入STM32F1系列單片機的教學。在微機單片機課程的教學過程中實驗和實踐環(huán)節(jié)非常重要，如何確定一套最適宜學生使用的實驗設備,在復雜性、典型性、方便性、可靠性以及設備成本間如何取得最佳均衡是一個需要教學工作者認真研究的問題[8]。市面上STM32教學實驗平臺不能很好滿足本校課程的要求，實驗內容不能自定義、平臺價格昂貴、維修不便、編譯軟件不符合主流設計的要求等諸多缺點[9],因此我們決定根據微機單片機實驗室對實驗、實踐課程的要求量身定做、自主研發(fā)設計一款兼容STM32和51單片機的實驗教學平臺。

1 實驗教學平臺系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)框架模型

實驗教學平臺設計采用模塊化、結構化的理念,系統(tǒng)設計主要由STM32/51單片機核心板、I/O擴展板和外設集成底板構成。系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 實驗教學平臺系統(tǒng)框圖

1.2 STM32核心板

STM32芯片種類很多,綜合考慮外設資源、運算能力、功耗、成本、學生的學習能力等方面,決定采用基于ARM CORTEXTM-M3 內核的、意法半導體(ST)公司原裝進口的高性能MCU——STM32F103ZET6。為了方便學生操作并節(jié)省成本,在設計核心板時把J-LINK仿真電路附帶上,因此不需要單獨配置仿真器。STM32核心板結構示意圖和實物圖見圖2。

圖2 STM32核心板的結構示意圖和實物圖

1.3 51核心板

51芯片種類很多,跟STM32相比相對簡單,容易上手,綜合考慮外設資源、運算能力、成本、學生的學習能力等方面,選用宏晶科技的LQFP44封裝、支持硬件在線仿真的IAP15F2K61S2。設計的51核心板做到了軟啟動下載程序,而且能夠進行硬件仿真(不需要仿真器),設計了一個轉接板電路后該核心板能夠兼容89C51至12C5A中所有型號單片機。51核心板結構示意圖和實物圖如圖3所示。

圖3 51核心板結構示意圖和實物圖

1.4 I/O擴展板

為了在主板面積一定的情況下，盡可能多地加入更多的外設模塊電路、節(jié)約主板的面積,實驗教學平臺單獨設計了一塊I/O擴展板。 I/O擴展板主要包括STM32單片機I/O區(qū)域、51單片機I/O區(qū)域、系統(tǒng)電壓區(qū)域、攝像頭及觸摸屏數據線接口區(qū)域、連接端子區(qū)域。I/O擴展板結構示意圖和實物圖見圖4。

1.5 外設集成板

根據本校微機單片機實驗和實踐教學的需求,實驗教學平臺設計的外設集成板中包含了20個模塊,分別是LED模塊、RGB LED模塊、TM1638鍵盤數碼管模塊+獨立按鍵、24.4 mm(0.96英寸)OLED模塊、81.3 mm(3.2英寸)TFT觸摸屏模塊、LCD1602模塊、無源蜂鳴器模塊、DS18B20測溫模塊、SD卡模塊、ADC應用模塊、電容觸摸按鍵模塊、VS1838B紅外遙控模塊、雙路繼電器模塊、串口模塊、HC-06藍牙透傳模塊、NRF24L01 2.4 G無線傳輸模塊、CAN總線模塊、RS485模塊、以太網模塊、OV7670攝像頭模塊(帶FIFO)。外設集成板的結構示意圖和實物圖見圖5。

圖4 I/O擴展板結構示意圖和實物圖

圖5 外設集成板結構示意圖和實物圖

外設集成板承載了許多實驗模塊電路,但是各模塊間不相關,只有系統(tǒng)電源的連接,各模塊電路的輸入輸出全部由端子引出。這樣設計的目的一是避免了黑箱教學,學生在實驗時需要自己連線、搭建硬件電路,再根據電路編程,能夠通過短暫的實驗加深對實驗內容的理解;二是方便進行二次開發(fā),為后續(xù)的單片機相關的課程設計和畢業(yè)設計提供很好的平臺。

1.6 實驗教學平臺

實驗教學平臺實物圖見圖6。

圖6 實驗教學平臺實物圖

2 實驗設計

針對該款實驗教學平臺設計了基礎驗證性實驗、綜合擴展性實驗、創(chuàng)新設計性實驗3個層次的實驗?；A驗證性實驗包括LED流水燈、蜂鳴器、按鍵中斷、矩陣鍵盤、數碼管顯示、ADC、串行通信等?；A驗證性實驗幫助學生理解和掌握基礎知識、基本原理、基本的程序編寫和調試技能。綜合擴展性實驗包括電子時鐘、溫濕度檢測、電子萬年歷、PWM控制、電子稱、出租車計價器、觸摸屏、OLED屏幕顯示等。綜合擴展性實驗重在提高學生的綜合應用能力，以及軟硬件開發(fā)設計、調試、測試等技能。創(chuàng)新設計性實驗包括智慧公交系統(tǒng)、霧霾檢測系統(tǒng)、航樓控制系統(tǒng)、智能門禁系統(tǒng)、智能輸液監(jiān)測與控制系統(tǒng)等。創(chuàng)新設計性實驗重在培養(yǎng)學生的分析問題解決問題的能力、動手能力、創(chuàng)新設計思維和團隊協(xié)作意識[10]。

3 結語

本實驗教學平臺采用模塊化、結構化、開放式的創(chuàng)新設計理念,相比于市面產品具有如下優(yōu)勢：兼容兩種MCU,采用插拔式MCU核心板的設計,方便后期維護;STM32核心板板載J-Link下載器;51核心板做到軟啟動下載程序,而且能夠進行硬件仿真(不需要仿真器)，能夠兼容89C51至12C5A中所有型號單片機;I/O口全部引出,并有單獨的I/O擴展板可供插線,節(jié)約底板面積,方便實驗操作;底板做了可靠的電源保護,并且有電壓電流監(jiān)測;底板外設資源豐富,集成了20個模塊和2個模塊擴展槽。該平臺具有良好的可擴展性和穩(wěn)定性,為實驗、課程設計、科研、電子設計競賽、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練等提供一個靈活可靠的硬件及軟件調試的平臺。