基于ARM Cortex-M3的电路维修智能教辅系统的研制

蔡妍娜

(无锡机电高等职业技术学校，江苏 无锡 214028)

基于ARM Cortex-M3的电路维修智能教辅系统的研制

蔡妍娜

(无锡机电高等职业技术学校，江苏 无锡 214028)

设计并实现了“学生易学，老师易评”的电路维修智能教辅系统。该系统以STM32处理器为核心，实现了检测数据的采集、A/D转换和存储，应用基于BC417芯片构成的蓝牙模块对信号进行无线传输，用Android手机进行数据存储显示并引导学习。基于Eclipse开发手机软件，内置两种故障排除模式。使用结果表明，系统达到了设计要求，具有简易、智能、有趣、低价的特征。

教学辅助；智能手机；蓝牙；STM32F103

0 引言

电路故障的检测与维修是电子实训的教学重点与难点，主要使用万用表来进行检测。学生能力强弱不均，很难把印制板实物和电路原理图上的测试点建立直观联系。而且以往老师只能对学生是否修复电路做出成果性评价，不能科学地对学生排故能力做过程性评价。

为解决上述问题，本文从“学生易学，老师易评”的角度出发，基于STM32处理器和智能手机，研制新型教辅系统，使学生可以选择不同的难度模式进行学习，软件能帮助学生建立测量点与电路图之间的思维联系，使老师能够获得学生故障检修与测量的过程数据，为实训成绩的评定提供数据支持。

1 总体设计方案

随着时代的发展，智能手机已经在学生中普及开来，作为信息传播的新媒介，其作用毋庸置疑。能否让手机作为一个链接工具，参与到教学活动中来呢？这就是本系统功能需求的设计初衷，主要解决以下几个问题：

(1)简易：安装简便，直接替换万用表的表棒就能完成安装。

(2)智能：在测量过程中，系统能智能记录检测点的参数与测试点的顺序，为评价检测过程提供数据依据。

(3)有趣：手机应用中提供相应的难度等级选项，学生可以根据自己的学习能力进行选择，在保证绝大多数学生能完成任务的同时，提高学习的趣味性。

(4)低价：成本小，易于推广。

系统包括硬件检测电路和手机教辅软件两大部分，硬件检测电路主要包括核心控制模块(含A/D转换)、电源电路、蓝牙模块，整体结构设计如图1所示。

图1 系统构架

系统选用了STM32F103RBT6芯片作为主控芯片[1]。通过芯片自带的12位高精度A/D对待检测数据进行高速A/D采集，其采集参数通过DMA通道送入ARM芯片内置的1 KB高速内部RAM中。通过主控芯片进行数字滤波后，把得到的数据经过蓝牙模块上传至Android智能手机，与手机端的故障排除助手APP协同工作。

2 硬件设计

2.1 电路主控核心及A/D转换的实现

从设计需求考虑，希望主控芯片资源丰富、尽可能地减少外围元器件，使系统实现小型化，同时要具备相当强的处理能力，能缓存A/D数值并通过蓝牙上传。为此选定意法半导体公司的STM32F103RBT6芯片作为控制核心，采用高性能ARM®CortexTM-M3 32位RISC内核，最高可在72 MHz的频率操作[2]。采用内部振荡，电路最小系统只需搭建最简单的复位操作，复位信号从NRST引脚输出。

使用内部12位A/D转换，由于待检测的电路电压最大为12 V，超出A/D转换的量程范围，使用高精度电阻电路进行分压后再送入主控芯片[3]。采集到的数据通过DMA通道传递到内部RAM中。

2.2 电源管理

从便携和灵活操作需求出发，整体电路与万用表表棒一般大小，手持检测设备配备锂电池对系统供电，根据需要提供3.3 V的电源。

锂电池向电路供电时，通过XC6206电压调制器输出稳定的3.3 V电压，供给系统工作。在每路电源引线处都并联一个104的电容用于消除电源的高频干扰。对锂电池进行充电时，通过芯片TP4057完成，单节锂电池充满时电压固定于4.2 V，由于芯片具有防倒充功能[4]，因此外部元件简单、不需要另加隔离二极管和检测电阻器。将高电位通过按键引到主控芯片的PA0管脚，可以在待机状态下按下按键快速唤醒系统，并通过程序将按键信号送出作为参数记录标记。

2.3 蓝牙通信电路

操作采集并存储的数据要上传到智能手机，都在同一个操作台，属于短距离的无线通信，蓝牙技术功耗低且传输快，最为适用。本设计选用CSR公司的BC417芯片[5]，硬件电路如图2所示。由于整个系统通过锂电池供电，为了尽可能降低整体功耗，3.3 V电源不直接供给蓝牙芯片，而是由STM32主控芯片的PA8来控制，当需要启动蓝牙通信时，PA8输出低电平，三极管Q2导通，蓝牙芯片获得工作电压，并与主控芯片共地，开始工作。发送引脚TX与主控芯片的PA10/RX相连，接收引脚RX与主控芯片的PA9/TX相连，将主控芯片中A/D采集并存储的数据通过蓝牙传送给智能手机。

图2 蓝牙通信电路

3 软件设计

3.1 电路检测端STM32内部程序

使用KeilμVision4 IDE开发平台，用C语言设计完整的程序。程序流程如图3所示，主程序中首先完成系统的上电初始化，之后按照蓝牙发送、A/D采样、休眠计时的顺序工作。与智能手机进行蓝牙连接，将采集并储存的数据发送给手机，然后继续采集存储，在有检测操作的情况下，循环进行蓝牙发送、A/D采样步骤，如果3分钟内一直没有采集工作，则进入休眠状态，直到被休眠唤醒电路唤醒。

3.2 手机端故障排除助手软件

使用Eclipse平台开发安卓上位机软件[6]。手机端软件开启后，先通过蓝牙与手持设备进行连接。而后通过选择界面让学生选择故障排除模式，软件内置两种故障排除模式。具体软件流程如图4所示。

图3 检测设备程序流程图

图4 手机端程序流程图

(1)自由模式

适用于专业能力较弱的学生，自主选择测试点，软件直接接收手持设备测量的各项物理参数，并将其显示在软件界面上；学生根据测试数据自主判断电路故障位置，进行维修。

(2)引导模式

适用于专业能力较强的学生，先选择待测设备的故障现象，通过软件算法分析可能的故障位置，引导学生使用手持检测设备对其进行检测。测试结果与软件中存储的正确数据进行比对。若检测结果在正常范围之内，则继续引导学生检测下一可能故障位置。若检测结果不在范围内则缩小故障范围直至找到故障点。

4 数据滤波

为确保检测电压转换数据的准确性，A/D采样程序中采用了均值滤波算法，通过对实时检测的A/D值进行滤波，最终获得平滑稳定的A/D采样数据。主要代码如下：

void DataTransfer(u32 *p)

{

u32 AdcChannel1=0;

u8 i;

for(i=0;i<128;i++)

{

AdcChannel1+=ADC_ConvertedValue[i];

}

*p=AdcChannel1;

}

5 结论

为有效地教会学生看懂电路原理图和使用排故流程图，并帮助老师收集学生维修检测的过程数据，研制了本电路维修辅助教学系统，进行了实践教学对比实验，对比结果如表1所示。对比验证结果表明，使用本系统后，学生针对不同种类的故障排故用时都有明显的缩短，全体学生的维修成功率得到显著提升。系统符合设计目的，手机APP开启后，通过蓝牙与手持设备进行连接，选择故障排除模式。使用手持检测设备进行故障检测，ARM芯片与蓝牙发送模块协同工作，手机软件直接接收到手持设备测量的各项物理参数，并在屏幕上正常显示，引导学生进一步操作。

表1 系统使用前后对比

[1] 徐自远. RTX操作系统在STM32RBT6芯片中的移植与应用[J]. 课程教育研究,2015(35):248-249.

[2] 王永超. 基于STM32F103RBT6的电动汽车电池管理系统研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学,2015.

[3] 王慧,陈长征. 基于STM32F103RBT6的振动信号采集系统[J]. 环境技术,2013(5):56-58.

[4] 霍新新. 压电换能器并联输出特性及接口电路研究[D].大连：大连理工大学,2014.

[5] 吕立亚,王兆伍. 基于蓝牙的汽车CAN网络信号无线测量系统[J]. 计算机测量与控制,2009,17(2):281-283+286.

[6] 刘洪星,谢玉山. Eclipse开发平台及其应用[J]. 武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2005,27(2):89-92.

Design of intelligent education assistant system for circuitmaintenance based on ARM Cortex-M3

Cai Yanna

(Wuxi Machinery and Electron Higher Professional and Technical School，Wuxi 214028，China)

This article designed and achieved an intelligent education assistant system which let the students easier to learn and the teachers easier to assessment. The system takes STM32 processor as the core, realizes the data acquisition, A / D conversion and storage, transfers the wireless signal with Bluetooth module based on BC417, and takes an Android phone for data storage, displaying and guideing learning. Mobile phone software is developed based on Eclipse, and two troubleshooting modes are built in. The results show that the system has reached the design requirements, with simple, smart, fun, low-cost features.

education assistant；smartphone；Bluetooth；STM32F103

TP274；TN925

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.06.009

蔡妍娜. 基于ARM Cortex-M3的电路维修智能教辅系统的研制[J].微型机与应用，2017,36(6)：26-28.

2016-09-20)

蔡妍娜(1982-)，女，工程硕士，讲师，主要研究方向：电子与通信工程。