积木式模块化结构的嵌入式系统实验教学研究

党　会

(燕山大学　电气工程学院，河北　秦皇岛　066004)



积木式模块化结构的嵌入式系统实验教学研究

党会

(燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛066004)

各高校嵌入式系统实验多采用外购实验箱，成本高，实验项目单一，不利于后期更新和维护。该文提出采用积木式模块化结构开发基于STM32F103ZCT6的实验板，在主板的基础上，通过不断地扩充相关的硬件模块，可以实现很多仪器仪表、工业控制等设备样机。与传统的实验设备相比，包含了很好的设计理念，更有利于培养学生动手能力和创新能力，同时，便于根据嵌入式系统行业发展进行同步更新，极大地降低了后续投资成本，更适合高校发展的需要。

STM32嵌入式实验板；积木式模块化结构；创新能力培养；实验教学

嵌入式系统是一个针对特定的应用而“量身定做”的专用计算机系统，涉及先进的计算机技术、自动控制技术、通信技术、电子信息技术等领域，知识覆盖面广，综合性、实践性强，应用领域广[1-2]。目前，随着我国嵌入式系统市场需求的快速增长，针对嵌入式领域的人才需求旺盛。但由于普通高校嵌入式方向师资力量薄弱，教师软硬件知识兼通的较少，资金、设备投入小，只是针对个别专业开设了嵌入式系统的相关课程，且实践环节多采用外购的实验箱，成本高，利用率低，不易维护。

本文采用积木式模块化结构，应用STM32F103ZCT6开发了嵌入式系统教学实验板，包括LED、按键、蜂鸣器、串口、I2C接口等几部分，支持JTAG/JLINK调试，满足嵌入式系统的基础实验教学。它可外接温/湿度检测、超声波测距等硬件模块，便于不断扩充和更新的同时减少了后续经费的投入额度，与传统的实验设备相比有一定的设计理念，更利于学生工程实践能力和创新能力的培养[3-6]。该实验板在燕山大学嵌入式系统的基础实验教学及本科生的创新能力培养中，取得了很好的实践效果。

1　嵌入式系统教学实验板开发

结合本科基础实验教学及创新能力培养的需要，采用积木式模块化结构，开发了一套基于ARM Cortex-M3内核的嵌入式系统教学实验板。该实验板针对性强，除可完成基础I/O口实验、中断控制实验、定时实验和串行口通信实验外，通过扩展相应的功能模块还可用于学生的创新能力培养、工程实训等。

1.1教学实验板结构

实验板基于STM32F103ZCT6微控制器芯片，主要有LED、按键、蜂鸣器、串口、I2C接口等几部分，通过20引脚标准JTAG调试接口，结合IAR集成开发环境和JLINK调试器进行程序下载及调试。实验板实物图如图1所示。

图1　嵌入式系统教学实验板实物图

1)CPU。

采用ST公司的32位微控制器STM32F103 ZCT6，最高频率可达72 MHz。

2)I2C接口。

可外接ROM存储器、温度传感器等。

3)JTAG调试接口。

用于程序下载调试。

4)RS232串行口。

采用最简单的三线连接，通信波特率最高可达115.2 kb/s。

5)外设。

包括4个按键开关、4个LED指示灯和1个蜂鸣器，可完成基础实验教学。

1.2基础实验案例

GPIO口操作是嵌入式系统实验教学最重要也是最基础的环节。在IAR Embedded Workbench for ARM V5.30软件开发环境下，使用通用定时器控制IO口依次输出频率为262，294，330，349，392，440，494 Hz的方波，控制蜂鸣器发出哆、唻、咪、发、嗦、拉、西音符。PE0口作为输出，实验连接示意图如图2所示。采用STM32标准固件库，实验步骤如下:

1)系统初始化。

使用外部晶振，将系统时钟倍频至72 MHz。

2)GPIO初始化配置。

2 MHz推挽输出模式，用于输出控制LED的亮灭。

3)NVIC初始化配置。

使能TIM2中断请求通道。

4)TIM2初始化配置。

①使能APB1时钟、使能TIM2时钟。

②设定计数器模式、自动重装载寄存器赋初值(需提前计算，16位整形)、TIM2时钟频率除数的预分频值(16位整形)、采样分频。

③使能TIM2中断，启动定时器TIM2。

图2　蜂鸣器发音连接示意图

部分主函数和中断函数如下:

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　创新能力培养

创新能力培养[7-11]侧重于学生的动手能力和

解决实际问题的工程能力，以实验主板为基础，根据需要外接各功能模块，实现积木式模块化设计，便于根据嵌入式系统行业发展进行同步更新。

创新项目以实用与常见的电子设备、测量仪器、家用电器等为设计目标，每个项目配备相应的功能模块，如表1所示。学生结合已学的基础知识，并查阅相关资料，补充适当的理论知识来完成项目。项目完成后，上交结题报告，并制作PPT进行答辩，由指导教师对实验成果进行验收。

表1　创新能力培养项目设计

3　结束语

本文设计的基于STM32F103ZCT6的嵌入式系统教学实验板在满足基础实验要求的基础上，立足于学生的创新能力培养，为学生培养专业兴趣、拓宽专业知识、开阔视野、培养创新能力搭建了一个广泛的活动平台。实验板采用积木式模块化设计，便于根据嵌入式系统行业发展进行同步更新，极大地减小了后续投资成本，更适合高校发展的需要。

[1]荀艳丽，嵌入式系统实验教学方法的研究与改进[J].佳木斯教育学院学报，2012(12)：11-14.

[2] 韩桂明.独立学院嵌入式系统教学模式探讨[J].电子世界，2012(12):166.

[3]罗怡桂.基于问题解决的嵌入式系统实验教学实践[J].实验室研究与探索，2012，31(10)：377-379.

[4]刘泽平，羊四清.计算机专业嵌入式方向课程体系建设[J].计算机教育，2013(6):103-105.

[5] 冼进，贾德良，毕盛.嵌入式系统实验课的教学改革初探[J].实验室研究与探索，2011，30(8)：282-284，288.

[6]文笃石.嵌入式系统实验教学改革[J].科技信息，2010(18)：90-91.

[7]陈威.项目化教学模式在嵌入式系统开发实验中的应用[J].实验室科学，2011，14(6)：162-165.

[8]宋春林，刘富强，郭爱煌.“旨在提高工程实践与创新能力”的多层次嵌入式系统实验体系[J].计算机教育，2012(22)：86-88.

[9] 徐武雄.基于CDIO的地方高校嵌入式系统仿真实验室建设研究[J].中国电力教育，2012(19)：98-99.

[10]李宏才.高校实验室建设与卓越工程人才培养[J].技术与创新管理，2012(2)：210-214.

[11]王永生.高水平特色大学卓越工程人才培养模式的研究与实践[J].中国高等教育，2011(6) ：15-18.

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

党会(1983-)，女，硕士，实验师，主要从事红外探测、图像处理、嵌入式系统方面的研究。

G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.046