STM32的模塊化嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究

楊雁冰

摘 ? 要：嵌入式系統(tǒng)是目前市場(chǎng)上的常見(jiàn)技術(shù)之一，以STM32芯片為核心，采用模塊化思想設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的嵌入式的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以讓每個(gè)模塊相互獨(dú)立?；诖?，本文針對(duì)STM32的模塊化嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究，從設(shè)計(jì)思想入手，分析具體的設(shè)計(jì)過(guò)程，并且提出嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：模塊化 ?嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái) ?STM32 ?計(jì)算機(jī)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP319 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（a）-0139-02

STM32系列芯片具有高性能、低成本、低功耗等特點(diǎn)，將其應(yīng)用在嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，可以充分發(fā)揮出這一平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用效果，讓嵌入式產(chǎn)品可以更好的應(yīng)用于工業(yè)控制、智能驅(qū)動(dòng)、智能顯示等領(lǐng)域。

1 ?STM32的模塊化設(shè)計(jì)思想

1.1 MCU控制模塊選擇

在進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)研發(fā)的過(guò)程中，MCU控制模塊的選擇非常重要，目前市場(chǎng)上MCU控制模板的種類較多，且功能、價(jià)格各不相同，要從其中選擇一個(gè)高性能、低成本、低功耗的控制芯片，才能夠保證開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)平臺(tái)較為順利。STM32是目前市面上最滿足上述特點(diǎn)的芯片。STM32芯片基于ARM技術(shù)，近幾年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用，不僅如此，豐富的應(yīng)用實(shí)例和應(yīng)用接口代碼也是在教學(xué)科研中的應(yīng)用原因之一。在設(shè)計(jì)研發(fā)嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，還需要考慮到開(kāi)發(fā)所需要的性能以及在設(shè)計(jì)過(guò)程中的便捷性問(wèn)題。針對(duì)上述需求分析，不難發(fā)現(xiàn)STM32芯片是最滿足嵌入式的一種控制芯片。比如：ARM公司推出的Cortex- M系列微處理器可最高時(shí)鐘頻率為72MHz，具有優(yōu)先級(jí)搶占權(quán)，讓中斷控制器得到全面的發(fā)展，不僅支持中斷自動(dòng)嵌套，同時(shí)也能夠完成現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和恢復(fù)，整體性價(jià)比較高，在進(jìn)行核心設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以將供電電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等多個(gè)電路構(gòu)成在一塊核心板內(nèi)，最大程度支持嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)運(yùn)行，提高開(kāi)發(fā)平臺(tái)的實(shí)際效率[1]。

1.2 模塊化的設(shè)計(jì)思想

現(xiàn)如今，市面上很多嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)都將核心控制芯片和多個(gè)外設(shè)進(jìn)行集成統(tǒng)一開(kāi)發(fā)，但是在不同環(huán)境下，每一個(gè)使用人員對(duì)開(kāi)發(fā)板本身的使用需求都存在一定差異，因此在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，大部分使用者只會(huì)使用一部分開(kāi)發(fā)板的基礎(chǔ)功能，如：鍵盤(pán)、LED、串口通信、ADC和DAC等。開(kāi)發(fā)板上的其他功能就會(huì)出現(xiàn)閑置的情況。不僅如此，一些外設(shè)只能夠在一個(gè)開(kāi)發(fā)板上使用，無(wú)法提供給其他開(kāi)發(fā)板或者核心芯片。比如：一個(gè)嵌入式開(kāi)發(fā)板需要同時(shí)檢測(cè)多個(gè)溫度，就需要使用多個(gè)溫度傳感器，但現(xiàn)有的溫度傳感器無(wú)法外借給其他開(kāi)發(fā)板或者核心芯片使用，就會(huì)導(dǎo)致外設(shè)無(wú)法復(fù)用。上述兩種情況在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中就會(huì)導(dǎo)致使用成本出現(xiàn)浪費(fèi)的情況，應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)思想，從科研教學(xué)等方面出發(fā)，可以將開(kāi)發(fā)平臺(tái)各部分的功能劃分成獨(dú)立的模塊，組成一個(gè)嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在這樣的情況下，就可以根據(jù)實(shí)際使用需求，科學(xué)應(yīng)用各個(gè)部分，同時(shí)將所應(yīng)用到的部分和控制系統(tǒng)相連接，促進(jìn)智能硬件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)[2]。

1.3 STM32的模塊化設(shè)計(jì)作用

基于STM32的模塊化嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，有效避免了模塊閑置情況的發(fā)生，模塊利用率得到了大幅度提高，同時(shí)模塊之間相互獨(dú)立。不僅如此，在部分模塊的硬件芯片升級(jí)時(shí)，也不會(huì)影響到其他芯片，最大程度減少新片更新升級(jí)產(chǎn)生不必要的折損率。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，可靠性、安全性、低成本、高質(zhì)量等方面都有著嚴(yán)格的要求，嵌入式平臺(tái)最常應(yīng)用于嵌入專業(yè)教學(xué)科研工作中，一般情況下，將嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)中集成多個(gè)開(kāi)發(fā)板，以此滿足嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)需求。

2 ?STM32的模塊化嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

嵌入式平臺(tái)主要應(yīng)用于嵌入式專業(yè)，幫助專業(yè)內(nèi)的學(xué)生學(xué)習(xí)有關(guān)知識(shí)，完成前期項(xiàng)目研發(fā)，因此本文主要研究的是STM32的模塊化嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，因此除了STM32核心控制模塊確定之外，其他內(nèi)容還需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行具體分析。在進(jìn)行設(shè)計(jì)工作前，要針對(duì)外設(shè)功能需求，對(duì)外設(shè)模塊進(jìn)行劃分，一般情況下可以分為：數(shù)碼管模塊、LED指示燈模塊、蜂鳴器模塊、串口通信模塊、數(shù)碼管模塊、ADC接口模塊、觸屏模塊、溫濕度模塊、WIFI模塊、CAN總線模塊、繼電器模塊以及USB接口模塊等。在基礎(chǔ)上，還要明確每個(gè)模塊的電路圖，從而后續(xù)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)應(yīng)用情況，外設(shè)模塊還可以劃分為基礎(chǔ)模塊和拓展模塊兩大類，上文中提及模塊的前六種屬于基礎(chǔ)模塊，后六種屬于拓展模塊，需要注意的是，ADC模塊中較為特殊，可以預(yù)留轉(zhuǎn)換接口，以此連接不同的傳感器。溫濕度模塊也只預(yù)留了溫濕度接口，以此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以直接選擇集成好的溫濕度傳感器，如：ASM2301，就可以有效減少平臺(tái)設(shè)計(jì)成本和時(shí)間成本。在這些模塊中最為重要的就是WIFI模塊和繼電器模塊，前者可以讓嵌入式產(chǎn)品和智能設(shè)備終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和通信，后者可以實(shí)現(xiàn)電路的自動(dòng)化控制，能夠?qū)φ麄€(gè)平臺(tái)起到安全保護(hù)、自動(dòng)調(diào)節(jié)的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)上對(duì)觸屏需求不斷增加，因此觸屏模塊的應(yīng)用次數(shù)也在逐漸增加，觸屏模塊不僅滿足了市場(chǎng)需求，也可以讓信息更好的展現(xiàn)給用戶，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。最后，也是最為重要的部分，就是CAN總線接口模塊，通過(guò)這個(gè)接口可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外通信，該模塊使用的是TJA1050芯片，保證平臺(tái)可以繼續(xù)使用?？v觀上文對(duì)嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)中模塊的分析，可以看出通過(guò)STM32的模塊化嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想，可以讓很多嵌入式開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)得到落實(shí)。

以功能模塊傳輸設(shè)計(jì)為例，基于STM32的模塊化嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要考慮到每個(gè)模塊之間的綜合應(yīng)用，保證模塊獨(dú)立性的同時(shí)，讓模塊形成具體的智能硬件。因此可知，不同模塊之間要建立起可行有效的傳輸渠道，在充分考慮基本功能的基礎(chǔ)上采用模塊化的思想進(jìn)行智能平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，由此實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換傳輸。

3 ?STM32的模塊化嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

由上可知，嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)主要應(yīng)用在科研和教學(xué)活動(dòng)中，尤其是在教學(xué)過(guò)程中，需要應(yīng)用到相應(yīng)的開(kāi)發(fā)板進(jìn)行嵌入式知識(shí)的學(xué)習(xí)，甚至于很多學(xué)生會(huì)利用其完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，因此嵌入式開(kāi)發(fā)板的選擇和應(yīng)用十分重要。根據(jù)上文研究，想要將嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)的各個(gè)部分設(shè)計(jì)成為獨(dú)立存在，就要在設(shè)計(jì)研發(fā)的過(guò)程中，結(jié)合嵌入式產(chǎn)品的實(shí)際需求，靈活組合應(yīng)用相應(yīng)模塊，以此完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。比如：將STM32和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行組合就可以得到四軸飛行器，又或者將STM32和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、智能傳感模塊等進(jìn)行族和，可以構(gòu)成智能機(jī)器人。現(xiàn)如今，STM32的模塊化嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)已經(jīng)在智能家居、智能汽車、醫(yī)療保健等領(lǐng)域中得到應(yīng)用。比如：可以將STM32和鍵盤(pán)、LED指示燈、數(shù)碼管模塊之間建立平臺(tái)，通過(guò)這一嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)掃面、LED、數(shù)據(jù)管、終端等基礎(chǔ)性核心實(shí)驗(yàn)。

4 ?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，很多嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)中都存在無(wú)法復(fù)用或者外設(shè)閑置的情況，而本文采用了模塊化思想，利用STM32芯片，設(shè)計(jì)出一個(gè)獨(dú)立的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)。這種平臺(tái)有效解決了傳統(tǒng)嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)的缺陷，還節(jié)省了大量的經(jīng)濟(jì)成本，根據(jù)實(shí)際使用效果來(lái)看，該平臺(tái)還實(shí)現(xiàn)了模塊之間的靈活組合，能夠完成各類實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 查艷芳，劉輝，安峰.基于STM32的模塊化嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（33）：57-58.

[2] 查艷芳，劉輝，陳強(qiáng).基于STM32的模塊化硬件設(shè)計(jì)在嵌入式專業(yè)中的應(yīng)用[J].科技視界，2018（28）：43-44.