高校嵌入式单片机低成本便携实训平台的设计

弓志红，郑雅伟

(1.山西经贸职业学院，山西 太原 030024；2.山西经济管理干部学院，山西 太原 030024)

高校嵌入式单片机低成本便携实训平台的设计

弓志红1，郑雅伟2

(1.山西经贸职业学院，山西 太原 030024；2.山西经济管理干部学院，山西 太原 030024)

本文阐述了一种功能齐全，成本低廉的高校电子信息类专业学生自主进行嵌入式单片机技术实训的平台。该平台集成了STM32F107VET6单片机及其各种常用的外围电路与接口、仿真器、电源，人机界面。学生可以利用该平台，进行丰富的嵌入式单片机原理学习与技能实训；教师能够利用该平台，使嵌入式单片机的教学工作变得事半功倍。

嵌入式；单片机；STM32；RS485；RS232；USB；以太网；电源；仿真器

1 技术背景

嵌入式系统技术是一门以嵌入式MCU/CUP为核心，电子电路技术、接口技术、通信技术、多媒体技术等多种技术融合的应用技术，是现代信息技术发展的核心技术之一。从信息高速公路概念的提出，到目前物联网、云计算技术高速发展的今天，嵌入式系统技术一直扮演着非常重要的角色。

近十几年来，高校电子信息类专业对嵌入式系统技术课程都表现出了足够的重视。高等院校在嵌入式系统实训教学中，基本都采用实训课的形式，在完整的实训平台上进行嵌入式软件设计。嵌入式教学仪器厂家基本都会为高校提供一套稳定可靠的嵌入式系统实训平台，大大缩短了学生的系统实训周期，方便了教学的完成，学生在学习过程中，更多侧重对软件的设计和完善。

嵌入式系统技术对相关人才的基础理论水平和实践能力，都有着很高的要求，尤其是实践能力，直接决定了嵌入式系统工程师在实际应用中分析问题和解决问题的能力。现代工业中，与嵌入式技术相关的项目，通常都是完整的软硬件系统的开发，教学仪器厂家提供的平台，往往过于完善，学生在实训过程中，往往会缺少真正发现问题和解决问题的机会。本设计将为学生提供一种学生能够随时随地自主进行实训，方便快捷、成本低廉的实训平台，作为常规实训室实训的有效补充，提高学生学习和教师教学的效率。

2 系统方案

2.1 平台系统架构

图1 平台系统架构

整个系统由STM32单片机及其外围通信电路组成，主要实现了以下通信接口：RS458、RS232、控制局域网CAN总线、以太网通信接口、USB通信接口和数字输入输出DI/DO，以上通信接口在实际应用中非常广泛，能够使学生的自主实训更加具有时效性。

2.2 单片机选型

STM32F1系列单片机是基于ARM Cortex-M3内核的，专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的32位MCU，这个系列的单片机市场占有率高，运行稳定可靠，是高校单片机实训平台的主流MCU之一。

STM32F103VET6是本实训平台的主控MCU，系统时钟频率为72 MHz，内部集成了Flash程序存储器类型512 K Bytes；数据存储器RAM64 K Bytes；16-bit 定时/计数器4个；高速同步串行通信总线SPI 3路，通用异步串行通信总线USART 5路，两线式同步串行通信总线I2C 2路；音频总线I2S 2路；通用串行总线USB 1路；控制局域网串行总线CAN 1路，安全数字输入输出卡SDIO接口 1路；通用数字输入/输出接口GPIO 80路，采用了LQFP100形式，供电电压为2 V～3.6 V，具备了比较完善的外设接口和通用的工作电压[1]，是高校嵌入式ARM处理器教学的首选单片机之一。

3 硬件电路设计

3.1 最小系统

在最小系统中，主要实现了STM32单片机工作所需的基本单元，主要包括时钟电路，JTAG仿真电路、BOOT电路以及通用的LED指示灯和拨码开关电路。

3.2 串行通信电路

串行接口中，实现了RS232和RS485两种常用的通信接口。

RS485电路(图2)采用了市场上常用的MAX3485芯片[2]，差分信号两极分别通过上拉和下拉电路实现了信号的抗干扰性，并通过120 Ω的极间电阻，避免了信号的反射干扰。

图2 RS485电路

RS232电路(图3)采用了MAX3232芯片，外围使用了四个储能电容，在物理电平转换中，四个电容与芯片内部的电路，共同达到了电平抬升的作用。

3.3 数字量输入输出电路

在数字输入/输出接口中，DO电路(图4)采用了光电耦合器TLP521，通过前级单片机IO接口对光耦前级输入的控制，实现了后级的PN结无源输出，实现完整的DO输出，需要在外部提供相应的电源和限流电阻。DI电路(图5)同样采用了光电耦合器TLP521，无源数字量输入信号由光耦的前级输入，对光耦的后级PN结的通/断进行控制，将输入信号转换为与单片机IO匹配的电平信号。

图3 RS232电路

图4 DO输出电路

图5 DI输入电路

3.4 以太网通信电路

以太网通信电路(图6)采用了W5200芯片，该芯片于单片机通过同步串行总线SPI接口相连，其内部集成了TCP/IP协议栈，在应用中，用户只需要实现应用层软件的设计即可，缩短了软件开发周期，使学生对以太网通信协议的理解更加一目了然。

3.5 USB通信电路

USB是非常流行的串行通讯协议，通过USB接口，单片机可以与PC实现方便的通信，可用于软件系统的配置和跟踪。在USB电路(图7)设计中，采用了FT230芯片，该芯片外围电路简单明了，内部集成了UART-USB的透明传输，是目前众多智能设备中常用的接口设计方案。

图6 以太网通信电路

图7 USB通信电路

3.6 开发环境搭建

开发环境的选择有若干种方案，本平台推荐采用IAR Embedded Workbench编译环境，此开发环境与MDK是当下最流行的ARM单片机开发环境，该平台用户数量庞大，操作方便，参考资料丰富，是众多单片机工程师进行软件系统设计的首选方案[3]。

4 系统拓展与前瞻

本平台旨在为高校嵌入式系统实训提供有效的补充，帮助学生进行合理的自主学习。本文中只对硬件平台进行了介绍，软件系统的设计比较灵活，可以进行各种裸机程序实训，也可以移植各种嵌入式操作系统，进行多任务程序设计。

在硬件电路的设计中，从成本的角度出发，主要考虑了功能的完整性，在实际应用中，硬件电路的设计通常需要做各种保障性设计，在本平台中并未得到实现。所以在平台的使用中，需要教师具有比较丰富的工程应用经验，对实际中硬件电路的设计思路进行补充讲解，让学生理解实验室和工程领域的差别，树立完整的职业理念。

[1] 意法半导体公司.STM32F103xx advanced ARM-based 32-bit MCUs Datasheet[Z].2009.

[2] Explanation of Maxim RS-485 Features-Application Note，Maxim Integrated Products，2010.

[3] 意法半导体公司.STM32F10x Standard Peripherals Library[Z].2011.

Design of Low-cost Portable Training Platform for Embedded Microcontroller in Colleges and Universities

Gong Zhihong1, Zheng Yawei2

(1.ShanxiInstituteofEconomicManagement；TaiyuanShanxi030024,China; 2.ShanxiCadreInstituteofEconomicManagement,TaiyuanShanxi030024,China)

This paper describes a fully functional, low cost platform for electronic information students in colleges and universities to make training independently with embedded single-chip technology. The platform integrates STM32F107VET6 microcontroller and its various commonly used peripheral circuits and interfaces, simulators, power supply and man-machine interface. Students can use the platform to do a wealth of embedded single-chip principle learning and skills training; and teachers can use the platform to make the embedded single-chip teaching work with half effort.

embedded; single chip; STM32; RS485; RS232; USB; Ethernet; power supply; emulator

2017-04-08

弓志红(1969- )，男，山西沁源人，讲师，研究方向为应用电子技术。

1674- 4578(2017)03- 0016- 04

TN98

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