基于STM32CubeMX嵌入式实验教学改革实践

罗清龙，冯 敏，李清涛

（聊城大学 物理科学与信息工程学院，山东 聊城 252000）

0 引 言

嵌入式系统指用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置，它具有软硬件可裁剪的特点，可以满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等多种约束[1-3]。嵌入式技术作为计算机科学技术、电子信息工程、自动化等专业的重要专业课程被引入教学体系，其讲授内容依次经历着从8位到16位、32位、64位MCU的提升 演 进[4-6]。NXP、TI、Samsung、Atmel、ST、Intel等大公司也相继推出自己的嵌入式平台，给嵌入式实验教学提供了丰富的选择。

目前，国内嵌入式系统教学大多选择基于ARM核的开发平台，其中又以ST的32位产品为主。这是由于STM32产品广泛应用于工业控制、消费电子、物联网、通讯设备、医疗服务、安防监控等应用领域，其优异的性能进一步推动了生活和产业智能化的发展[7-8]。截至2016年10月，STM32全球出货量已超过20亿颗[9]。可以预见随着物联网和人工智能的迅猛发展，嵌入式教学将迎来新的契机和挑战。

1 嵌入式系统实验教学现状分析

当前国内高校的嵌入式系统实验教学大都定位于32位MCU。以采用ARM内核的STM32系列产品为例，开设基础实验内容涉及GPIO输入输出实验、串口实验、中断实验、定时器实验、I2C接口实验、SPI实验、CAN控制器实验等[10]。依托的实验硬件以开发板为主，采用寄存器开发或库函数开发实现具体应用，表1为两种开发形式的优缺点对比。

表1 寄存器开发与库函数开发优缺点对比

通过对比分析可知，库函数开发采用分层的思想，实际是基于CMSIS标准新建了与芯片生产商无关的硬件抽象层，可以为接口外设、实时操作系统提供简单的处理器软件接口，屏蔽了硬件差异，这对软件的移植有极大的好处。STM32固件库就是按照CMSIS标准建立的。

鉴于以上情况，在实际的实验教学中大都采用基于库函数的开发方式。存在的问题是学生需要面临复杂的STM32初始化配置，形成相应的模板才能进行后续实验开发。学生普遍反映两个问题：第一，配置模板的过程比较繁琐；第二，实验中时钟和引脚的配置不够直观。笔者联合使用ST公司2014年推出的STM32CubeMX和ARM公司推出的Keil Vision解决了上述问题。

2 教学改革思路

以STM32F103为例，对比改革前后嵌入式实验教学流程的差异，见图1。

图1 嵌入式实验教学流程对比图

通过对比可见，基于STM32CubeMX的实验教学流程较传统基于标准库函数的开发模式更简洁，效率更高。

3 教学改革实施

通过经典的流水灯实验，可以详细说明基于STM32CubeMX的实验教学实施方案。

图2给出利用STM32CubeMX新建工程，选择芯片型号，通过图形化下拉菜单初步设置引脚类型；图3给出设置时钟、引脚具体设置、生成Keil文件的过程。可以看到，通过图形化设置的方法，大大简化了开发设置流程。

利用Keil μVision打开由STM32CubeMX辅助生成的工程文件，然后进行用户程序的编写，见图4。

图2 STM32CubeMX图形化设置

图3 利用STM32CubeMX进行初始化设置

4 教学改革效果

为评价实践效果，笔者选取电子信息工程专业大三的30名学生，分成两组进行教学实验，分别测试“流水灯实验”（简单实验）、“PWM实验”（较复杂实验）。A组利用基于STM32CubeMX的实验方法，B组利用基于标准库函数的实验方法。实验情况见图5，其中图5（a）给出简单实验的进展情况，在2小时实验课程内，采用基于STM32CubeMX的实验方法的A组学生较采用基于标准库函数方法的B组学生较快、较好地完成了实验。这种领先优势随着实验难度的加大愈发明显，见图5（b）。考虑到个体差异，A、B组互换实验方法重新进行了实验，得到了类似结果。

通过对学生实验主观感受的反馈可以发现：学生普遍认为基于STM32CubeMX的方法在初始化配置时更加直观、形象，步骤更加清晰、明确。配置完成后在用户编程阶段，编程更加方便、具体。调试成功率也大大提高。

5 结 语

将STM32CubeMX引入嵌入式实验教学后，学生实验用时普遍缩短了13%～18%。学生反映实验更加直观、形象。通过基于STM32CubeMX嵌入式实验教学改革实践，大大提高了实验教学的效率和学生对嵌入式系统的学习兴趣，有助于学生把握当前嵌入式系统发展趋势，提升实验动手能力，取得实验教学的良好效果。

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