嵌入式课程设计模式探索

马明星+张玉婷+雷祥

摘要：针对传统嵌入式课程设计的弊端，给出一种新的以ARM开发板为硬件基础的嵌入式课程设计方案，方案以介绍开发流程为主线，引入嵌入式实时操作系统，使学生能够从整体把握嵌入式开发流程。实践表明，以开发板为硬件基础的嵌入式课程设计，能够提高学生的开发兴趣和自主开发能力，达到嵌入式教学目标。

关键词：STM32；μC/OS-III；ARM；嵌入式开发；课程设计

中图分类号：TP338 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）06-0177-02

1概述

嵌入式课程是高等院校电子和信息专业一门非常重要的课程。嵌入式技术应用规定了嵌入式这门课程应该侧重于工程性和应用性。然而目前嵌入式教学仍然处于以理论学习为主，课程设计为辅的局面。这导致了学生的实践能力得不到提升，缺乏对嵌入式课程的学习兴趣[1]。其次，现有的嵌入式课程设计多以教学试验箱为主，这类教学试验箱配备的微处理器性能低下，难以满足复杂项目的开发需求。这些缺点都限制了学生对嵌入式课程的学习热情，嵌入式教学难以达到预期效果[2]。使用开发板进行嵌入式教学将有效解决上述问题。首先，从接触硬件开始，学生有一定的开发兴趣，其次，目前市面上的教学开发板都配备了当前主流单片机，这类单片机具备卓越的处理性能和丰富的外设接口，能够设计更为复杂和实用的系统。最后，规范化的嵌入式开发流程也可以提高学生的动手能力和开发兴趣[3]。本文以远洋电子工作室出品的野火STM32开发板为例，设计一个加入嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅲ的课程设计，目的在于使学生能够接触当前主流的ARM芯片的结构并且学习复杂工程的基本开发流程，提高学生工程开发能力和开发兴趣。

2 开发环境介绍

硬件方面，野火开发板上的微处理器使用的是意法半导体公司的STM32F103ZET6。该处理器是Cortex-M3内核的32位微处理器，最高工作频率可达72MHz，内置512K的FLASH和64K的SRAM，11个定时器，同时具有多达13个通信接口。该开发板以总线的方式引出IO，这样的设计可以方便用户进行通信接口的外接工作，隔离跳帽设计可以方便用户进行DIY设计。开发板可以用于完成跑马灯、文件系统移植、微型实时操作系统移植等一系列复杂的实验，这些实验可以增强学生的动手能力和自主学习能力，同时培养他们对于嵌入式开发的兴趣。

软件方面，以μC/OS-Ⅲ嵌入式操作系统为开发环境。μC/OS以其开源、可裁剪、可固化、稳定性和安全性高的特点，在嵌入式领域有着极其广泛的应用，该嵌入式系统也以短小简洁而著称，适合引入嵌入式课程设计。μC/OS-Ⅲ作为μC/OS的最新版本，较前面的版本加入了许多新的特性。比如，不再限制最大任务数目，允许相同优先级存在，加入时间片任务调度算法等。新的特性使得μC/OS-Ⅲ的功能更为强大，也方便了开发者的使用[4]。

3 μC/OS-Ⅲ在STM32上的应用

μC/OS-Ⅲ的代码量大约在6K～24K。野火STM32开发板的上512K字节FLASH和64K字节的SRAM运行μC/OS-Ⅲ是非常充足的，本次课程设计采用的是μC/OS-Ⅲ的V3.02.00版本。经过测试，该版本系统在STM32上可以可靠运行，并且非常稳定。下面将介绍课程设计的主要内容。

3.1 功能要求

根据图2所示的开发板上LED灯的硬件原理图，在给定的MDK工程中进行编程，实现以下要求：

开发板上电以后，三个绿色的LED小灯将进行间隔为200ms的闪亮，表示系统已经运行。使用PortHelper上位机软件，输入LED灯编号和长亮时间，对应的LED灯将进行定时长亮。长亮完毕后，LED灯将继续进行200ms的间隔闪亮。

3.2 设计分析

按照从下往上的原则，首先进行板级代码的编写工作，主要内容是LED的控制和串口的配置部分。之后进行应用级编程，在应用级代码中创建相应的任务，实现数据接收和长亮控制。具体编程步骤：首先编程实现板级驱动控制。然后在μC/OS-Ⅲ中建立启动任务，在启动任务中继续创建三个LED1～LED3灯的闪亮任务。上位机通过串口发送控制数据到内存中，各个LED任务通过检测内存中的数据来确定是否进行长亮和进行长亮的时间。

需要指出的是，在使用串口中断进行数据传输时，如果操作较快可能会出现数据出错的现象。鉴于此，将串口配置为DMA（Direct Memory Access）方式传输数据，这种方式可以有效提高传输速度和稳定性。

最后，为各个任务分配相应的任务优先级，分配方案如下表1所示：

3.3 编程流程

按照从下往上的编程原则首先进行板级代码编程，在MDK工程的bsp项目组中新建两个源文件和对应的头文件，这两个源文件分别是LED灯对应端口的配置程序和串口的配置程序。

对于LED灯的编程，为了方便移植，使用带参宏定义LED对应引脚：

#define Reset（p，i） {p->BRR=i；}

#define Set（p，i） {p->BSRR=i；}

BRR和BSRR寄存器是STM32的GPIO端口对应的设置/清除寄存器。寄存器只能进行写1操作，在对应的端口输出低/高电平，写0将不产生影响。上述宏定义将控制引脚的电平高低，实现LED点亮和熄灭操作[5]。

串口用来连接上位机和开发板，在串口编程中主要包括串口配置、DMA配置和printf（）函数的重定向编程。串口配置为波特率是115200，1个停止位，8个数据位，没有校验位，不使用硬件流控制。这种常用的配置方式既安全又高效[6]。

最后，对printf（）函数进行重定向。printf（）函数作为C语言的格式化輸出函数，将数据发送到标准输出设备以达到显示的目的。在嵌入式开发中，对于没有标准输出设备的情况，需要重定向该函数，即将待发送数据发送至串口，利用串口助手进行显示。

在完成了板級代码的编程工作之后，进行应用级编程。嵌入式实时操作系统环境下将以线程为单位进行编程，线程也可以称之为任务。每个任务都有自己的任务控制块，操作系统通过任务控制块去感知和控制任务。根据任务优先级和任务的状态，μC/OS-Ⅲ进行任务调度，以保证各个任务都能被执行。对于每一个具体的任务，都要声明相应的任务控制块并且给任务分配堆栈，任务控制块保存任务的基本属性，任务堆栈用于保存临时变量和中断现场。任务堆栈的大小一般可以设置为128。在线程编程中，一般在主函数板级代码之后进行起始任务的创建工作，其余各个任务将在起始任务内部进行创建。因此，需要设置启动任务作为起始任务[7]。各个LED闪亮任务完成检测内存中的数据和执行定时长亮操作。具体方式是轮询查看全局数组中的控制数据，并对数据进行处理，判断数据是否是发给本任务。如果不是，将继续执行200ms的闪亮任务。如果是则对数据中的字符进行转换，计算长亮时间，调用系统延时函数进行精确的定时长亮操作。定时长亮操作执行完毕后，继续进行200ms的闪亮操作。至此，设计要求完成。

3.4 实验结果

给开发板上电，使用MDK编译代码，然后，并且利用ULINK2将代码下载到开发板上。然后对开发板进行复位。可以看到三个绿色的LED小灯将进行200ms的周期性亮灭。打开PC端的串口助手PortHelper，选择COM3端口，在输入对话框中输入“L3 30”字样。点击发送，可以看到LED2小灯将停止闪烁，并点亮，点亮时长为30秒。30秒后，LED2小灯将继续进行200ms间隔的闪亮。下图2为实验截图：

4 结束语

以STM32开发板为硬件基础，学生接触当前主流的嵌入式开发芯片，课程设计中引入嵌入式实时操作系统，并且涉及开发板底层硬件驱动以及应用级软件编程。使学生能够从硬件到软件、从底层到上层、从裸机程序到系统编程全面接触嵌入式开发总体流程，对嵌入式工程开发的原理、流程和要点有整体性的把握，从而达到嵌入式教学的教学目标。

参考文献：

[1] 胡仕刚，曹会祎，吴笑峰，等.基于开发板的嵌入式系统课程教学模式探索[J].信息通信，2016（7）：160-161.

[2] 陆庆，肖堃，聂晓文.嵌入式课程实验教学体系的改革与创新[J].实验科学与技术，2011（S1）：201-203，216.

[3] 王超，骆德汉，郑魏，等.基于STM32的嵌入式智能家居无线网关设计[J].计算机技术与发展，2013（3）：241-244.

[4] 杨伟，肖义平.基于STM32F103C8T6单片机的LCD显示系统设计[J].微型机与应用，2014（20）：29-31，34.

[5] 常薇，孙颖，孙爱东.嵌入式课程设计开放性实验建设—嵌入式SD卡接口系统设计实验[J].实验室研究与探索，2007（12）：225-227.

[6] Chen Tiejun，YangShaoming. Implementation of the Modbus/TCP Protocol on the STM32[J].Journal of Convergence Information Technology，2013，82.

[7] Bush，Steve. NXP reveals 150MHz ARM Cortex M3[J].Electronics Weekly，2010，2441.