謝永超

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

0 引言

由于學(xué)?，F(xiàn)有的模/數(shù)電實(shí)驗(yàn)箱、單片機(jī)(嵌入式)開發(fā)板等電子類專業(yè)“可移動(dòng)”實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，只能滿足模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)等電子類專業(yè)單項(xiàng)專業(yè)技能的實(shí)訓(xùn)要求，缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力、專業(yè)復(fù)合能力、綜合應(yīng)用能力等能力的培養(yǎng)。而大型的綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，具有功能可拓展性差、需要配備專門的實(shí)訓(xùn)室管理人員、設(shè)備利用率低等缺陷。為提高學(xué)生對(duì)電子專業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力水平和創(chuàng)新能力，提升實(shí)訓(xùn)設(shè)備的利用率，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的便攜性，設(shè)計(jì)了基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)[1-10]。

1 基于STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)架及原理

1.1 基于STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)架

借助“電子積木”和“塔式系統(tǒng)”的理念，設(shè)計(jì)一種基于嵌入式系統(tǒng)STM32的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)功能模塊化的，能夠滿足電子產(chǎn)品的裝配與檢驗(yàn)、數(shù)字電子技術(shù)類實(shí)訓(xùn)、傳感器技術(shù)應(yīng)用類實(shí)訓(xùn)、單片機(jī)小系統(tǒng)類實(shí)訓(xùn)等相關(guān)專項(xiàng)能力的實(shí)訓(xùn)，還可以方便地進(jìn)行知識(shí)綜合應(yīng)用及創(chuàng)新型實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力[1]。

基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)包括 “口袋實(shí)驗(yàn)室式”STM32核心控制板和“電子積木”式功能模塊。系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

1.2 基于STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺(tái)的原理

基于STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺(tái)選用STM32F103ZET6作為主控模塊，配備模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電力電子技術(shù)、智能家居等10個(gè)“電子積木”式功能模塊。STM32核心控制板的I/O口、“電子積木”式功能模塊的硬件接口均設(shè)計(jì)為2×20的接插件連接形式，便于基于STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺(tái)在使用過程中，核心控制板(STM32)與“電子積木”式功能模塊的硬件連接。在實(shí)際使用過程中，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的需要，選用10個(gè)模塊中的若干個(gè)子模塊與STM32核心控制板進(jìn)行硬件連接，搭建滿足實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目需要的硬件系統(tǒng)，然后設(shè)計(jì)滿足實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目需要的軟件系統(tǒng)，并將編制的軟件通過JTAG下載器電路燒至核心控制板(STM32)，最終完成實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的軟件和硬件聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的預(yù)期功能[1]。

基于STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺(tái)通過“電子積木”式功能模塊與核心控制板(STM32)的靈活組合，可以搭建不同難度等級(jí)、不同應(yīng)用場(chǎng)景、不同綜合程度的綜合應(yīng)用項(xiàng)目，極大地提升了電子技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)的拓展功能，能夠有效提升學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

2 嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板的設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板主控電路

嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板選用STM32F103ZET6作為核心控制芯片(主電路如圖2所示)，主要包括電源電路(如圖3所示)、晶振電路、JTAG下載器電路、12864液晶顯示電路等相關(guān)電路組成。

圖2 STM32核心控制板主電路

2.2 嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板電源電路

電源電路提供+3.3 V和+5 V的2路直流電壓給相關(guān)單元電路(集成芯片)提供工作電壓。由三端穩(wěn)壓器LM7805提供+5 V的電源電壓，開關(guān)型集成穩(wěn)壓器LM2576提供3.3 V的電壓。

圖3 電源電路圖

2.3 嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板鍵盤電路

鍵盤電路由獨(dú)立鍵盤和4×4矩陣鍵盤2部分組成，其中，獨(dú)立鍵盤由SW1、SW2、SW3和SW4組成，矩陣鍵盤包括S1-S16(如圖4所示)。

圖4 鍵盤電路

2.4 嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板USB轉(zhuǎn)串口電路

USB轉(zhuǎn)串口電路(如圖6所示)采用CH340T芯片，實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口的功能。CH340T的主要作用是升級(jí)更新已有串口的外圍設(shè)備，也可以結(jié)合USB數(shù)據(jù)總線為STM32核心控制板提供附加的新增串口。同時(shí)還可以在外加電平轉(zhuǎn)換元件的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)外加RS422、RS485、RS232等通信接口的功能[2]。

圖5 USB轉(zhuǎn)串口電路

2.5 嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板串口電路

串口電路(如圖6所示)選用經(jīng)典的MAX3232串口芯片，提高嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板的可靠性。MAX3232內(nèi)部輸出級(jí)使用專用的低壓差(3.0～5.5 V)發(fā)送器，給雙電荷泵提供3.0～5.5 V供電直流電壓源，就可以實(shí)現(xiàn)RS-232性能。同時(shí)，外接電路簡(jiǎn)單，只需要外接4個(gè)0.10.1 uF的外部小尺寸電荷泵電容[3]。

圖6 MAX3232串口電路

在設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板時(shí)，把STM32F103ZET6所有I/O口用統(tǒng)一的2×20的插件接口引出，并能夠兼容“積木式”模塊電路的插件接口。同時(shí)為了兼顧主流的接口(USB)調(diào)試方法，嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板直接集成了JTAG下載口，以便實(shí)現(xiàn)“口袋實(shí)驗(yàn)室”的便攜功能。

3 “積木式”功能模塊電路設(shè)計(jì)

“積木式”功能模塊包括輸入與輸出功能模塊(鍵盤、開關(guān)等)、顯示功能模塊(LCD、LED、數(shù)碼管、液晶等)、模擬電子技術(shù)功能模塊(放大、濾波、信號(hào)產(chǎn)生等)、數(shù)字電子技術(shù)功能模塊(門電路、計(jì)數(shù)器、A/D、D/A等)、電力電子技術(shù)模塊(交流電壓檢測(cè)、交流電流檢測(cè)、脈沖觸發(fā)、三相電能檢測(cè)等)、傳感器類功能模塊(溫濕度、壓力、光照、霍爾、壓力、超聲波等)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能模塊(開關(guān)電路、繼電器、電機(jī)等)、工業(yè)通信功能模塊(485總線、232總線、CAN總線等)、智能家居模塊(智能窗簾、燈光智能控制器、家庭智能監(jiān)控系統(tǒng)等)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)模塊(WiFi、Zigbee組件、智能立體車庫(kù)、鐵道車輛車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)等)等[11-16]。

同時(shí)，每個(gè)“積木式”功能模塊又包含若干個(gè)獨(dú)立的“子模塊”功能電路。學(xué)生可選擇“積木式”功能模塊的若干個(gè)模塊與嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板共同實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距、鐵道車輛車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)組網(wǎng)等綜合型創(chuàng)新項(xiàng)目。由于包含的模塊電路較多，故不在文章中詳述各模塊電路的工作原理。

4 “模塊化”程序庫(kù)開發(fā)

基于嵌入式系統(tǒng)STM32的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)除了硬件電路外還需要配套的軟件設(shè)計(jì)(如圖7所示)。對(duì)于高職院校的學(xué)生來說，軟件編程最缺乏編程的思想、思維和方法，編寫的程序邏輯性、可讀性差，更缺乏系統(tǒng)的思維。針對(duì)高職學(xué)生這一普遍遇到的難題，我們將“積木式”功能模塊對(duì)應(yīng)的程序代碼進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的封裝，實(shí)現(xiàn)程序“模塊化”。學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中，只需要編寫主程序，然后基于應(yīng)用層流程去調(diào)用相應(yīng)的子程序模塊[1]，從而實(shí)現(xiàn)編程的簡(jiǎn)化處理，提高學(xué)生的編程水平。

圖7 “模塊化”的程序庫(kù)開發(fā)流程圖

基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺(tái)的“模塊化”程序庫(kù)設(shè)計(jì)主要目的是解決學(xué)生程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)和編制困難的問題。其主要方法是將主程序、各模塊的子程序封裝成系列化的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)，學(xué)生在程序過程中，首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目、綜合應(yīng)用項(xiàng)目的需要，參照主程序庫(kù)中的程序，編制主程序，然后調(diào)用各模塊的子程序，即可完成滿足實(shí)驗(yàn)/實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目需要的系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。通過“模塊化”程序庫(kù)設(shè)計(jì)，規(guī)范了學(xué)生的編程思維，極大地提升了學(xué)生的程序設(shè)計(jì)與編制能力。

5 基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果與應(yīng)用成效分析

1)平臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果：

在“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺(tái)設(shè)計(jì)完成后，首先對(duì)基于STM32F103ZET6的核心控制板及電源電路、晶振電路、JTAG下載器電路、12864液晶顯示電路、鍵盤電路、USB轉(zhuǎn)串口電路、MAX3232串口電路等外圍電路進(jìn)行了功能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，基于TM32F103ZET6的核心控制板能夠進(jìn)行正常的程序下載與運(yùn)行，12864液晶顯示電路能夠?qū)崿F(xiàn)顯示功能，鍵盤電路能夠進(jìn)行相關(guān)量的輸入，MAX3232串口電路能夠正常的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到了核心控制板預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

“模塊化”功能模塊測(cè)試主要是對(duì)放大、濾波、信號(hào)產(chǎn)生、交流電壓檢測(cè)、交流電流檢測(cè)、脈沖觸發(fā)、三相電能檢測(cè)、溫濕度、壓力、光照、霍爾、壓力、超聲波、智能窗簾、燈光智能控制器、家庭智能監(jiān)控系統(tǒng)等功能模塊進(jìn)行功能測(cè)試，并通過工業(yè)通信功能模塊(485總線、232總線、CAN總線等)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能模塊(開關(guān)電路、繼電器、電機(jī)等)完成綜合項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)施。下面以基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺(tái)搭建的溫濕度自動(dòng)檢測(cè)裝置為例闡述“模塊化組合應(yīng)用”的效果。

基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的溫濕度自動(dòng)檢測(cè)裝置硬件結(jié)構(gòu)由STM32F103ZET6的核心控制板、按鍵電路、12864液晶顯示電路和溫濕度檢測(cè)模塊構(gòu)成。首先，在平臺(tái)上將按鍵電路、12864液晶顯示電路和溫濕度檢測(cè)模塊等“積木式”功能模塊與核心控制板(STM32)通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口電路連接，即可以完成基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的溫濕度自動(dòng)檢測(cè)裝置硬件系統(tǒng)的搭建，然后完成溫濕度自動(dòng)檢測(cè)裝置主程序的編制，溫濕度檢測(cè)子程序只需要調(diào)用“模塊化”、“標(biāo)準(zhǔn)化”子程序即可。完成基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的溫濕度自動(dòng)檢測(cè)裝置軟硬件聯(lián)調(diào)后，對(duì)不同溫度和不同濕度的樣本進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。測(cè)試結(jié)果表明，基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的溫濕度自動(dòng)檢測(cè)裝置能夠自動(dòng)完成土壤溫度和土壤濕度的自動(dòng)測(cè)試，測(cè)試誤差滿足了設(shè)計(jì)需求。

表1 溫度測(cè)試結(jié)果表

表2 濕度測(cè)試結(jié)果

2)平臺(tái)應(yīng)用成效:

通過基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用，學(xué)生不僅僅能夠完成模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電力電子技術(shù)、智能家居等相關(guān)技術(shù)的轉(zhuǎn)型訓(xùn)練，提升模擬/數(shù)字電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電力電子技術(shù)、智能家居等專項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用能力，還可以通過不同模塊與核心控制板之間的有效組合，完成不

同難度等級(jí)、不同應(yīng)用場(chǎng)景、不同綜合程度的綜合應(yīng)用項(xiàng)目，提升跨學(xué)科的綜合應(yīng)用能力。同時(shí)，學(xué)生可自主進(jìn)行不同模塊與核心控制板之間的有效組合，搭建自己感興趣的綜合應(yīng)用項(xiàng)目，提升自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺(tái)在設(shè)計(jì)完成后，在湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院的應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)、電子信息工程技術(shù)專業(yè)的2018級(jí)、2019級(jí)的學(xué)生中進(jìn)行了推廣和應(yīng)用，學(xué)生在《傳感器技術(shù)應(yīng)用》、《嵌入式技術(shù)應(yīng)用》等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)過程中，在基于嵌入式系統(tǒng) STM32 的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新平臺(tái)上按照課程教學(xué)計(jì)劃完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，也可以在自主該平臺(tái)上進(jìn)行拓展性實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、搭建和驗(yàn)證。通過近3年的實(shí)施發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、專業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力明顯提升。學(xué)生在專業(yè)技能競(jìng)賽中屢創(chuàng)佳績(jī)，在全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽中獲得國(guó)家一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、省級(jí)一等獎(jiǎng)4項(xiàng)；在全國(guó)職業(yè)院校技能競(jìng)賽中，獲電子設(shè)計(jì)與制作賽項(xiàng)全國(guó)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，在其他賽項(xiàng)的比賽中累計(jì)獲得省級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)20余項(xiàng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于嵌入式系統(tǒng)STM32的“模塊化”電子技術(shù)綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了如下創(chuàng)新：1)實(shí)現(xiàn)了“積木式”功能模塊電路設(shè)計(jì)。通過“積木式”功能模塊電路設(shè)計(jì)使得學(xué)生可以通過“搭積木”的方式構(gòu)建實(shí)際的應(yīng)用項(xiàng)目，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和專業(yè)復(fù)合能力。2)將“口袋實(shí)驗(yàn)室”的理念融入到嵌入式系統(tǒng)STM32核心控制板設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了核心控制板接口與“積木式”功能模塊電路接口標(biāo)準(zhǔn)化，為學(xué)生隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)提供方便。3)將程序進(jìn)行“模塊化”設(shè)計(jì)。為滿足大學(xué)教學(xué)簡(jiǎn)潔、易懂、強(qiáng)化實(shí)踐性的要求，針對(duì)高職學(xué)生這一普遍遇到的難題，我們將“積木式”功能模塊對(duì)應(yīng)的程序代碼進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的封裝，實(shí)現(xiàn)程序“模塊化”。學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中，只需要編寫主程序，然后基于應(yīng)用層流程去調(diào)用相應(yīng)的子程序模塊[1]。