“嵌入式系统”教学实验开发板的设计

陆小飞 孙海燕

摘  要：该文介绍了一款以新唐NUC140VE3AN微控制器为核心，配合外围电路形成的嵌入式系统教学实验开发板。该实验开发板自带USB调试下载器，可完成GPIO、串口通信、SPI通信、I2C通信、A/D轉换等多种实验，功能丰富，适合学生在多种场合灵活使用。初步的教学和实践证明，开发板可以有效调动学生的学习兴趣，提升学生的创新能力，改善“嵌入式系统”课程教学的教学效果。

关键词：实验开发板  实验教学  Cortex-M0  ARM  嵌入式系统

中图分类号：G642           文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）07（c）-0049-03

Design of Experiment Teaching Development Board Based on “Embedded System ”Course

LU Xiaofei1  SUN Haiyan2

（1.Xinglin College of Nantong University; 2.School of Information Science and Technology， Nantong University， Nantong， Jiangsu Province， 226019 China）

Abstract： This article introduces an experiment teaching development board formed by Nuvoton NUC140VE3AN microcontroller as the core and peripheral circuits. The experiment development board is equipped with a USB debugging downloader， which can complete various experiments such as GPIO， UART， SPI， I2C， A/D conversion， etc. It has rich functions and is suitable for students to use flexibly on various occasions. Preliminary teaching and practice have proved that the development board can effectively mobilize students interest in learning， enhance students' innovative ability， and improve the teaching effect of "embedded system" course teaching.

Key Words： Experimental development board; Experiment teaching; Cortex-M0; ARM; Embedded system

1  总体设计

“嵌入式系统”课程教学中，实验开发板起着重要的作用，是理论课和实验课联系的桥梁。目前普遍存在学生只有在实验室才能使用嵌入式开发板，实践操作的时间少等问题，不便于学生课下自学，教学效果也会打折扣。为了改善这一现象，设计了用于嵌入式实验的开发板，方便学生课后实验与实践环节使用。

在设计教学实验开发板时，我们主要综合考虑了以下几点。

（1）体积小、方便携带，学生可以在多种场合灵活使用。

（2）自带USB调试下载功能，便于操作。

（3）能与实验室现有的开发板功能兼容，能完成教学大纲中规定的实验内容。

（4）具有可扩展性，以便及时增加新的实验内容，也便于学生用于课外实践活动。

（5）开发板元器件易于购买，同时成本低，价格学生能够承受，PCB板易于焊接调试等。

嵌入式系统实验开发板的整体系统框图如图1所示，包括了调试下载器和嵌入式系统概论课程教学中的基本模块。

2  硬件设计

2.1 主控电路

实验室采用的开发板是新唐公司的Nu-LB-NUC140学习板，主控芯片为NUC140VE3AN微控制器。为了与嵌入式课程的教学内容相配套，该开发板也采用了相同型号的主控芯片。NUC140VE3AN是一款基于Cortex-M0的32位微控制器，片上Flash存储器的容量是128K字节，SRAM的容量为16K字节，有4K字节用于存储ISP引导代码的ROM。另外还具备丰富的片上外设，如全速USB 2.0和CAN总线、SPI、I2C、12位ADC等功能。NUC140VE3AN微控制器具有较宽的工作电压（2.5～5.5V），最高可运行至50MHz，采用LQFP100封装。

开发板电路中NUC140VE3AN微控制器采用了外置12MHz晶振和32.768kHz晶振。开发板上设置了两路可调电位器用作ADC实验，为了减小干扰，PCB布局布线时模拟电源和数字电源做了滤波及分开处理，有效提高系统的稳定性。

2.2 调试/下载电路

新唐Nu-Link是基于SWD（串行调试）接口的USB调试下载器，可以支持ICP烧录，支持常见的第三方的开发工具如Keil RVMDK和IAR EWARM等。Nu-Link支持内存与闪存读写，可以实时直接控制寄存器，设置硬件/软件断点，步进调试等功能。该开发板采用Nu-Link作为开发板的调试下载器。

Nu-Link调试下载器采用的主控芯片为NUC12SRE3AN，市场上无法直接购得。经过实验发现NUC12SRE3AN可以采用NUC120RE3AN来代替。NUC120RE3AN出厂时内部没有自带软件，需要刷入Nu-Link的固件。开发板内部通过SWD接口来调试和下载程序，除了给板上的NUC140VE3AN微控制器进行程序下载和调试，开发板也将Nu-Link的SWD接口通过插座引出，方便对其他新唐微控制器进行下载和调试。

2.3 外围电路

开发板上设置了有源蜂鸣器、红外发射接收器、2路可调电位器、LM75温度传感器、EEROM存储器、FLASH存储器、按键、拨码开关、RGB三色LED、数码管等功能模块，可以满足现有课程大纲规定的教学需要。实验板除了能满足基本的实验和实践教学要求外，还需预留出IO扩展接口方便功能扩充，NUC140VE3AN微控制器外围的一圈黄色插座是IO扩展口，引出了NUC140VE3AN微控制器的76个IO引脚。

2.4 实物图

嵌入式实验开发板的实物如图2所示。开发板分为两部分，右上方是Nu-Link部分，通过USB接口直接连到电脑进行调试和下载。开发板的PCB设计经过合理布局，现实了体积小、方便操作。开发板的PCB上通过白色丝印标注出每个模块和接口的具体位置，方便学生辨识各个功能模块。

3  结语

该文设计的实验开发板便于携带、使用方便，学生在宿舍即可进行仿真调试，使学生在课后有较多的时间完成更多的实验，发挥学生的学习自主性。开发板可以用于课前预习、课堂教学、实验教学和课外实践等教学环节，明显提高嵌入式课程的教学效果。

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