面向高校教学需求的STM32实验箱设计

杨帆+胡又农

摘 要 实验箱整体为箱体结构，易于管理和收纳。实验箱设有实验板和底板，采用层级积木式拼接方式，可拼接组成较为复杂的系统。实验板有“核心板”“显示按键板”，底板有“连接板”和“功能底板”。实验系统有可扩展性，使用者可自主设计“实验板”或“功能底板”。STM32实验箱的设计符合教师教学、学生学习、实验管理人员的要求，可为STM32教学的教育装备设计提供思路借鉴。

关键词 教育装备；单片机；实验箱；STM32

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）16-0038-03

Abstract The experimental box is a box structure as a whole， whichis easy to manage and store. The experimental box contains experi-mental board and base board and it adopts Hierarchical building block tosplice more complicated system. The experimental boardcontains core board， display and button board. Meanwhile， the baseboard consists of wiring board and function board. The experimentalsystem has expandability， which means users can design experi-mental board or baseboard by themselves. The design of STM32 experimental box accords with the needs of teaching， learning and experimental management and also inspires the design of STM32 educational equipment in teaching practice.

Key words educational equipment； single chip； experiment box； STM32

1 前言

STM32自意法半导体于2007年推出第一颗芯片以来，得到广大使用者的青睐。很多高校也紧跟技术发展潮流，对单片机教学内容实施改革，将教授了近30年的51系列单片机逐渐转换为资源更为丰富的STM32系列。市场上的商品开发板具有功能齐全、价格低廉、采购便捷的特点，成为高校支持教与学的首选教育装备。

开发板具有丰富的接口和模块，可进行多种外设的实验和开发，可满足大数据存储和众多应用的需求。开发板提供的功能不仅涵盖了高校教学所涉及的内容，还有大量单片机基础教学中涉及不多的内容，如游戏手柄接口、摄像头模块、OLED模块、立体声音频输出和录音输入接口、音频编解码芯片、485接口、以太网接口、USB-HID接口、SD卡接口等。

虽然开发板外设丰富、资源充足，可以满足多种应用的需要，但是开发板上丰富的外设不可能在教学中全部涉及。对于高校而言，这带来的是设备成本增加和学生使用难度增大。开发板将板内资源最大限度地展现出来，目的是为产品研发人员检验硬件电路和相关软件是否正确提供方便。由于其设计思想的原因，开发板在提供丰富外设的同时，某个外设模块的功能却未必全面。此外，开发板一般是专业用户单独使用，而在高校教学中，要面对大量初学者交替使用的要求，其便暴露出诸多不适应的情况。因此，设计一款适合学生学习特点、设计得当、在规定时间内可完成规定实验内容、成本低的实验设备就显得尤为重要。

2 教育活动参与者对STM32实验箱的要求

教师教学对实验箱的要求 在整个教学过程中，教师需要对课程的内容和课时、教学方法、目标和进度做合理设计和安排，为此对实验箱提出以下几点要求。

1）符合教学要求，实验内容与教学内容密切配合。实验内容和教学内容必须密切配合，教育装备的设计必须根据教学内容进行。高校中传统的单片机教学课程内容涉及开发环境和系统搭建、流水灯、LED数码管、扫描键盘、时钟系统、GPIO逻辑端口、定时器、中断、串口通信、A/D、D/A、SPI等。因此，实验箱必须能够支持上述实验。

2）技术水平应符合当今情况。高校是为社会输送人才的基地，高校教育教学水平应当符合当今技术水平。相比传统的8位机资源少、模块和接口技术过时等缺点，STM32实验箱的设计需支持部分新型硬件，如点阵LCD及触摸屏、加速度传感器等。对于某些老式的接口，如8255、8253、8259、串口转并口、PS2等，可以予以精简。

3）实验工作量要符合课时的要求。目前单片机教学学时多为32或48学时，因此，不可能给实验课安排较充裕的课时。这就要求实验箱的外设种类不必很多，符合教学内容即可。但是要求每次实验必须在规定的时间内完成，即每次实验不能过于复杂或过于简单，实验工作量要符合课时要求。比如开发板上的LED灯和按键数量如果过少，便会造成实验过于简单，实验课时利用不充分的情况。为此可以增加LED灯的数量和按键的数量，把简单的LED灯亮灭实验改成跑马灯实验，把简单按键实验变成扫描按键实验。

4）可进行扩展性设计。在教学活动中，教师间、学校间、教学班级间会有各自教学特色和侧重点，若实验箱没有支持特色教学所需的硬件，就会给教学工作带来诸多不便。为了适应不同教学需求，就要求实验箱有扩展能力，允许教师设计自己的个性化实验板。

学生学习对实验箱的要求 学生是学习的主体，在教学中要以学生为中心。无论是教学活动的安排还是教育裝备的设计，都要从学生的认知能力、动手能力和兴趣出发，具体来说有以下几点。endprint

1）容易观察电信号。初学者在进行STM32的程序设计和开发时很难保证一次成功，实验的过程经常伴随出错和检查，通常要经过多次的调试和查错来修正自己的实验。当没有出现既定的实验现象时，需要检查是硬件连接问题，还是程序编写有误。使用软件仿真的确可以调试检测，但其无法完全仿真与硬件相关的部分。检验错误的方式有很多种，最简单、最符合初学者认知的还是直接测量电信号的情况。实验箱硬件是否连接正确、有无损坏，可使用仪表进行测量，而程序是否正确，需要通过引脚信号来判断。这就要求实验箱设计有容易观察电信号的手段——测试点，适合初学者进行观察学习和检测错误。

2）符合阶段性学习的特点。针对学生阶段性学习的特点，教学实验的安排也应由易到难、逐步深入。从简单GPIO输入输出实验到传感器信号的检测实验，再到复杂的信号处理及控制实验，实验箱需要提供支持从简到繁、层层深入的配套硬件资源来保障学生完成整个课程的实验。

3）直观性和趣味性。考虑学生的认知能力，实验现象的表达要有一定直观性。如将PWM实验以呼吸灯或者以小车车轮转速的形式表达出来，比显示数值的变化更加生动和直观。同时在实验箱的设计上注重趣味性，如设计避障、循迹、无线遥控功能的小车功能板，既可以让学生学习到丰富的外设知识，又可促使学生进行主动探究，锻炼思维能力、创新能力。

管理者管理和维护对实验箱的要求 对教育装备进行管理和维护是教学工作正常进行的有力保障，具体来说有以下几点。

1）具有保护性设计。对于实验箱的使用，初学者的误操作和学生之间交替使用很容易造成设备的损坏。实验箱应当具备一定的保护性设计，如为电路板增加保护板，并且设计保护电路，如过流和短路保护等。

2）易于实验环境的布置。实验箱的设计需要考虑实验环境的布置。在实验室中各种仪器设备种类众多，实验室管理者需要在有限的空间合理摆放设备以方便实验进行。实验箱的设计需要考虑实验室环境，箱体结构易于实验设备的拿取和收纳。

3）标准化与易于维护管理。设备在使用过程中出现损坏是在所难免的。为了保障教学的正常进行，实验设备出现坏损，最便捷的方式就是现场维修或更换零件。实验箱内使用的元器件和功能模块宜使用市场常见、容易采购、标准化水平高的。教育装备标准化是实现科学管理和现代化管理的基础[1]。若损坏的器件是模块化或是通用标准的，那么只需把对应坏损的模块或者元器件更换下来，既不会花费太多维修费用和时间，又可以保障实验正常进行。

3 STM32实验箱的设计

针对教育活动参与者对STM32实验箱的要求，笔者参考目前市场上销售的相关产品，为高校设计一款易于教与学和实验室管理维护的STM32实验箱。

实验箱的总体设计

1）总体设计概述。实验箱采用箱体结构，易于管理和收纳；采用层级积木式拼接方式，实验板可以拼接组成较复杂的系统；实验箱注重标准化、模块化设计，如发生故障，只需更换对应坏损的板子，这样便于快速维修和减少维修成本；实验箱具有扩展能力，可以方便地为新的实验内容提供支持；实验箱具有保护性设计，在不需要测量的位置设计保护板，在硬件电路设计上增加保护电路；实验箱设有关键测量点，提供测量电信号的手段。

实验箱提供了高校单片机基础教学的外设，外设数量符合要求，外设芯片符合当今技术水平。

2）总体设计详解。实验箱中有两种板，一种为实验板，一种为底板。实验板是整合各功能的小板，例如：“核心板”，完成下载和部分实验功能；“显示按键板”，实现显示和按键等人机接口功能。底板分为“连线板”和“功能底板”。其中，“连线板”是一块25 cm*25 cm的底板，可接插四块10 cm*10 cm实验板，并为这四块实验板提供连线功能。“连线板”的设计目的是为电信号测量和观察提供方便。“功能底板”是可自主设计的，除了连线的作用外，还具有提供特殊实验功能的电路（如小车板、示波器板、机器手控制板、3D打印机板等）。“扩展板”和“功能底板”是为整合不同用户要求所设计的，可满足未来扩展的需要，使用者可根据需要自行设计。

實验板和底板有多种拼接方式，板子底部设计了排针插座，将除了晶振、复位等以外的引脚引出，方便与其他板子的拼接；在每块板子的上面设计了排针，方便与其上面的板子叠接。各板子之间的接插方式有两种：一种为平铺接插式，如图1所示，平铺的方式有利于实验测量；另一种为叠接或平铺叠接方式，如图2所示。这两种方式的设计使板子的利用率得到提升。

实验板设计和支持的实验 实验板是指“核心板”“显示按键板”和“扩展板”，它们的尺寸相同，可以叠接使用。

“核心板”作为实验必备板，板上的资源有STM32的最小系统（晶振、复位、下载、调试接口等），同时具有一般实验中用到的接口和基本外设，如LED灯、SPI接口、串行通信接口。使用“核心板”所能实现的是简单且最为基础的实验。

“显示按键板”的显示部分支持2.8寸LCD或8位数码管或8LED灯。“显示按键板”的按键部分支持4*4扫描键盘。

“扩展板”是一个具有扩展实验功能的空板，师生在它的上面做自主设计。若需要多个扩展板共同使用，可以使用积木式叠接方式相互连接。

“核心板”和“显示按键板”的资源及实验内容见表1。

功能底板的扩展设计——以“小车功能底板”为例 为了增加趣味性，提升动手操作和组装能力，可扩展设计属于自己的功能底板。以“小车功能底板”为例，其与“连接板”不同的是，它通过与所需实验板叠接的方式共同构成STM32小车，如图3所示。“小车功能底板”的板载资源及实验内容如表2所示。

小车底板配合“核心板”可构成基本的小车实验，如叠接“显示按键板”，又可以实现小车状态数据的显示功能。“小车功能底板”的设计为机器人竞赛和深入学习小车算法，提供了教育装备的支持。

4 总结

以教育装备理论为指导，综合教师教学、学生学习、实验管理人员等多用户需求，设计一款适合高校教学的STM32实验箱。本实验箱具有箱体结构，易于管理和收纳。箱内设有实验板和底板，采用层级积木式拼接方式，可拼接组成较为复杂的系统。实验板有“核心板”“显示按键板”，底板有“连接板”和“功能底板”。实验系统具有可扩展性，使用者可自主设计“实验板”或“功能底板”。本实验箱的设计思路可为相关教育装备设计提供借鉴。

参考文献

[1]胡又农.教育装备的标准化设计[J].中国教育技术装备，2011（26）：10-13.endprint