“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板的設(shè)計(jì)

陸小飛 孫海燕

摘? 要：該文介紹了一款以新唐NUC140VE3AN微控制器為核心，配合外圍電路形成的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板。該實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板自帶USB調(diào)試下載器，可完成GPIO、串口通信、SPI通信、I2C通信、A/D轉(zhuǎn)換等多種實(shí)驗(yàn)，功能豐富，適合學(xué)生在多種場(chǎng)合靈活使用。初步的教學(xué)和實(shí)踐證明，開(kāi)發(fā)板可以有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力，改善“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)? Cortex-M0? ARM? 嵌入式系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）07（c）-0049-03

Design of Experiment Teaching Development Board Based on “Embedded System ”Course

LU Xiaofei1? SUN Haiyan2

（1.Xinglin College of Nantong University; 2.School of Information Science and Technology， Nantong University， Nantong， Jiangsu Province， 226019 China）

Abstract： This article introduces an experiment teaching development board formed by Nuvoton NUC140VE3AN microcontroller as the core and peripheral circuits. The experiment development board is equipped with a USB debugging downloader， which can complete various experiments such as GPIO， UART， SPI， I2C， A/D conversion， etc. It has rich functions and is suitable for students to use flexibly on various occasions. Preliminary teaching and practice have proved that the development board can effectively mobilize students interest in learning， enhance students' innovative ability， and improve the teaching effect of "embedded system" course teaching.

Key Words： Experimental development board; Experiment teaching; Cortex-M0; ARM; Embedded system

1? 總體設(shè)計(jì)

“嵌入式系統(tǒng)”課程教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板起著重要的作用，是理論課和實(shí)驗(yàn)課聯(lián)系的橋梁。目前普遍存在學(xué)生只有在實(shí)驗(yàn)室才能使用嵌入式開(kāi)發(fā)板，實(shí)踐操作的時(shí)間少等問(wèn)題，不便于學(xué)生課下自學(xué)，教學(xué)效果也會(huì)打折扣。為了改善這一現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了用于嵌入式實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)板，方便學(xué)生課后實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐環(huán)節(jié)使用。

在設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板時(shí)，我們主要綜合考慮了以下幾點(diǎn)。

（1）體積小、方便攜帶，學(xué)生可以在多種場(chǎng)合靈活使用。

（2）自帶USB調(diào)試下載功能，便于操作。

（3）能與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的開(kāi)發(fā)板功能兼容，能完成教學(xué)大綱中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（4）具有可擴(kuò)展性，以便及時(shí)增加新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也便于學(xué)生用于課外實(shí)踐活動(dòng)。

（5）開(kāi)發(fā)板元器件易于購(gòu)買(mǎi)，同時(shí)成本低，價(jià)格學(xué)生能夠承受，PCB板易于焊接調(diào)試等。

嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板的整體系統(tǒng)框圖如圖1所示，包括了調(diào)試下載器和嵌入式系統(tǒng)概論課程教學(xué)中的基本模塊。

2? 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控電路

實(shí)驗(yàn)室采用的開(kāi)發(fā)板是新唐公司的Nu-LB-NUC140學(xué)習(xí)板，主控芯片為NUC140VE3AN微控制器。為了與嵌入式課程的教學(xué)內(nèi)容相配套，該開(kāi)發(fā)板也采用了相同型號(hào)的主控芯片。NUC140VE3AN是一款基于Cortex-M0的32位微控制器，片上Flash存儲(chǔ)器的容量是128K字節(jié)，SRAM的容量為16K字節(jié)，有4K字節(jié)用于存儲(chǔ)ISP引導(dǎo)代碼的ROM。另外還具備豐富的片上外設(shè)，如全速USB 2.0和CAN總線(xiàn)、SPI、I2C、12位ADC等功能。NUC140VE3AN微控制器具有較寬的工作電壓（2.5～5.5V），最高可運(yùn)行至50MHz，采用LQFP100封裝。

開(kāi)發(fā)板電路中NUC140VE3AN微控制器采用了外置12MHz晶振和32.768kHz晶振。開(kāi)發(fā)板上設(shè)置了兩路可調(diào)電位器用作ADC實(shí)驗(yàn)，為了減小干擾，PCB布局布線(xiàn)時(shí)模擬電源和數(shù)字電源做了濾波及分開(kāi)處理，有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 調(diào)試/下載電路

新唐Nu-Link是基于SWD（串行調(diào)試）接口的USB調(diào)試下載器，可以支持ICP燒錄，支持常見(jiàn)的第三方的開(kāi)發(fā)工具如Keil RVMDK和IAR EWARM等。Nu-Link支持內(nèi)存與閃存讀寫(xiě)，可以實(shí)時(shí)直接控制寄存器，設(shè)置硬件/軟件斷點(diǎn)，步進(jìn)調(diào)試等功能。該開(kāi)發(fā)板采用Nu-Link作為開(kāi)發(fā)板的調(diào)試下載器。

Nu-Link調(diào)試下載器采用的主控芯片為NUC12SRE3AN，市場(chǎng)上無(wú)法直接購(gòu)得。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)NUC12SRE3AN可以采用NUC120RE3AN來(lái)代替。NUC120RE3AN出廠(chǎng)時(shí)內(nèi)部沒(méi)有自帶軟件，需要刷入Nu-Link的固件。開(kāi)發(fā)板內(nèi)部通過(guò)SWD接口來(lái)調(diào)試和下載程序，除了給板上的NUC140VE3AN微控制器進(jìn)行程序下載和調(diào)試，開(kāi)發(fā)板也將Nu-Link的SWD接口通過(guò)插座引出，方便對(duì)其他新唐微控制器進(jìn)行下載和調(diào)試。

2.3 外圍電路

開(kāi)發(fā)板上設(shè)置了有源蜂鳴器、紅外發(fā)射接收器、2路可調(diào)電位器、LM75溫度傳感器、EEROM存儲(chǔ)器、FLASH存儲(chǔ)器、按鍵、撥碼開(kāi)關(guān)、RGB三色LED、數(shù)碼管等功能模塊，可以滿(mǎn)足現(xiàn)有課程大綱規(guī)定的教學(xué)需要。實(shí)驗(yàn)板除了能滿(mǎn)足基本的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)要求外，還需預(yù)留出IO擴(kuò)展接口方便功能擴(kuò)充，NUC140VE3AN微控制器外圍的一圈黃色插座是IO擴(kuò)展口，引出了NUC140VE3AN微控制器的76個(gè)IO引腳。

2.4 實(shí)物圖

嵌入式實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板的實(shí)物如圖2所示。開(kāi)發(fā)板分為兩部分，右上方是Nu-Link部分，通過(guò)USB接口直接連到電腦進(jìn)行調(diào)試和下載。開(kāi)發(fā)板的PCB設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)合理布局，現(xiàn)實(shí)了體積小、方便操作。開(kāi)發(fā)板的PCB上通過(guò)白色絲印標(biāo)注出每個(gè)模塊和接口的具體位置，方便學(xué)生辨識(shí)各個(gè)功能模塊。

3? 結(jié)語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板便于攜帶、使用方便，學(xué)生在宿舍即可進(jìn)行仿真調(diào)試，使學(xué)生在課后有較多的時(shí)間完成更多的實(shí)驗(yàn)，發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。開(kāi)發(fā)板可以用于課前預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課外實(shí)踐等教學(xué)環(huán)節(jié)，明顯提高嵌入式課程的教學(xué)效果。

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