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基于CKS32微控制器的嵌入式教学平台设计

2024-04-20 54 上传者：管理员

摘要：该文介绍新工科理念下高校嵌入式教学实验改革的背景，针对以工程应用型人才为培养导向的教学目标，采用低耦合模块化设计原则，设计研制一款基于国产CKS32F407ZGT6微处理器的综合性嵌入式教学实验平台，内置功能模块丰富，模块相互之间可根据实际需求灵活组合。以项目驱动为导向，设计4个层次的实验例程，由浅入深，循序渐进，为学生动手实践、系统设计、创新思维等能力的提升奠定良好的基础。

关键词：
CKS32F407ZGT6
实验平台
嵌入式教学
新工科理念
项目驱动
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新工科理念的提出，对高校工科类人才的培养和课程建设提出了更高的要求[1,2]。近年来，学校与企业不断以实际产业需求为导向，相互协同合作，在开展校企共建课程和人才联合培养等方面积极探索，取得了一定的成效[3]。嵌入式系统相关课程作为电子信息、电气工程、通信工程等专业的必修课，具有较强的综合性，涵盖了电路、自动控制、计算机编程和电力电子等学科的专业知识，内容抽象，软硬件结合，具有实践与理论高度融合的特点[4]。当前国内高校普遍依然使用以8051为核心的实验平台[5]，大多以核心最小系统板或开发评估板为主，这种模式由于尺寸约束，所集成的外设模块种类和数量受到限制，使得相关实验设置得较为单一，可复用性差，设计的实验项目缺乏体现嵌入式系统思想，无法同时满足不同场景的教学需求，限制了教师和学生的发挥。

本文设计开发一款基于国产CKS32F407ZGT6微处理器的嵌入式教学实验平台。立足于教学大纲与工程实践相结合，可支持工业控制、电机变频、人机交互和物联网应用等方面的开发和教学。通过整个箱体内部的模块化设计，相比传统的开发板具备更丰富的扩展模块，支持更多层次的案例课程设置，适用于嵌入式课堂培训、竞赛训练及项目开发。

1、实验平台整体设计

为满足不同嵌入式课程教学学习需要、可携带性，以及系统的通用性、可扩展性与可维护性，教学实验平台整体设计包含箱体、通用底板、MCU核心板和各个模块子板，如图1所示。箱体内设置独立的附件区域，用于收纳各个实验所需的电源、导线、调试工具和电机等附件。

2、硬件设计

2.1核心板

核心板如图2所示，主控CKS32F407ZGT6微控制器由中科芯集成电路有限公司推出，具有168 MHz主频、FPU浮点单元、DSP指令集等高性能特性，相比8051和Cortex-M3具有更多的外设资源及IO接口，可以实时处理各项任务。电路中采用了外置25 MHz晶振和32.768 k Hz晶振，所有的GPIO通过四周排针引出，方便教学扩展。为了减小干扰，PCB布局时模拟电源和数字电源做了滤波和分割处理，有效提高系统的稳定性。

核心板集成了音频模块、SD卡、EEPROM、SPI FLASH、纽扣电池、4路用户LED灯及三色灯、4路用户按键、可变电阻器、LCD模组、RS232串口、RS485、CAN总线、以太网、USB接口和电容触摸按键等外设。在不连接底板的情况下，MCU核心板本身也能独立完成多个实验教学例程。

图1教学实验平台系统组成框图

图2核心板

2.2通用底板

通用底板用于连接更多典型的应用模块，可以经过教师和学生的灵活配置，模拟出多种应用场景，适用于常见的单片机系统、嵌入式开发、自动控制原理、电路与系统、无线通信和电机类实验课程。一套平台覆盖多个课程知识，省去不同课程分别设置匹配实验系统和资源的工作。如图3所示，系统划分多个带独立电源开关控制的应用功能区域，底板安装有固定螺钉，可以方便集成于实验箱中，核心板和各个模块子板通过接插件结构安装在通用底板上，实现信号连接和控制交互。

图3通用底板与模块子板

2.3模块子板

模块子板主要包括16个外围功能模块。

①电源子板。设计有12 V转5 V的DC-DC和5 V转3.3 V的LDO电路，5.5～36 V的宽输入电压范围，提供整个教学实验平台的电源管理。②继电器子板。设计有基于ULN2003L驱动芯片的常开、常闭共计3路继电器电路，LED作为负载提供继电器状态指示。③电机驱动子板。包含1个基于H桥的直流电机驱动电路和1个基于达林顿管的步进电机驱动电路，可用于学习直流有刷电机的PWM开闭环控制以及4相8拍步进电机的基础控制算法。④热敏打印机子板。集成了1个热敏打印机产品的雏形，涉及步进电机驱动算法、FLASH字库读写，串口通信、报警中断、按键中断和ADC温度检测等学习内容。⑤4G通信模组子板。基于AT指令集操作，通过移远EC200N LTE无线模组实现4G网络数据透传、云端服务器连接。⑥矩阵键盘子板。集成了4×4矩阵键盘，通过8个GPIO口，采用行列动态扫描的方法实现键盘功能。可用于模拟计算器、工控控制面板等实验教学。⑦2.4 G射频通信子板。采用2.4 G无线模块NRF24L01，可进行点对点组网通信，适用于无线通信、物联网相关课程教学。⑧交通灯子板。4组LED模拟真实的十字路口红绿灯，由GPIO口单独驱动，可用于逻辑控制算法相关的课程学习。⑨红外遥控子板。集成了38 kHz红外传感器HX1838接收电路，配合实验箱内的红外遥控器，对信号进行解码，可实现各种遥控类互动实验，适用于信号处理相关课程学习。⑩蜂鸣器子板。集成了1个无源蜂鸣器和1个有源蜂鸣器电路，通过定时器PWM输出和GPIO进行控制。1〇段式数码管子板。设计有8位数码管电路，可以配合其他实验使用，比如显示温湿度、显示时间、计时器等。12〇光敏传感器子板。集成了光敏电阻、可调电阻、比较器，可实现不同灵敏度检测出光强变化。13〇点阵LED子板。集成了8×8的LED点阵，通过74HC595控制，适用于字符图形的动态显示编码和算法教学。14〇温湿度子板。使用数字湿度传感器DHT11分别检测温度及湿度信息，单总线协议传输。15〇热释电传感器子板。集成人体红外热释电传感器，可以探测人体的红外辐射，可用于光电类课程实验学习。16〇超声波传感器子板。使用超声波测距模块HC-SR04检测障碍物距离，适用于智能寻迹避障小车等电子设计项目学习。

3、开发环境和调试工具

3.1开发环境介绍

CKS32系列MCU开发环境一般使用通用IDE(Integrated Development Environment，集成开发环境），开发环境主要用于代码编写、下载、调试等，目前使用比较多的是Keil MDK和IAR Embedded Workbench。

Keil是自8051时代就广泛使用的IDE，由Keil公司推出，后更名为Keil MDK。Keil MDK包括uVision IDE、调试器、C/C++编译器和基本中间件，支持国内外MCU厂商数千款MCU产品，具有易于学习和使用的特点。

IAR Embedded Workbench是瑞典IAR Systems公司为微处理器开发的一个集成开发环境，提供多种架构的支持，为该公司最著名的产品之一。IAR开发环境集成了编译器、汇编器、链接器、C-SPY调试器、CPU模拟器、C-STAT静态分析器和C-RUN动态检查等工具，以一体式形式提供文件编辑、项目管理、在线调试和状态监视等功能[6]。

实验平台同时提供以上2种开发环境的例程代码，通过目录的组织优化，共用同1套源代码，满足不同开发环境教学的同时，方便维护和管理。

3.2调试工具

实验平台配套中科芯原厂自主推出的CKS-Debugger调试下载器（图4），该调试器内部以中科芯CKS32F103CBT6为主控，集成了在线仿真、在线编程、USB转串口工具3种主要功能。调试器通过USB 2.0全速接口连接到电脑主机，标准即插即用免安装驱动，由SWD或JTAG接口连接到目标MCU进行调试编程。包括芯片设置、单步调试、全速运行、FLASH断点设置、寄存器访问和Flash编程等操作，并兼容如Keil MDK、IAR等主流开发工具IDE，可以较好地支撑实验教学的日常使用。

图4 CKS-Debugger调试器

4、实验例程设计

4.1 CKS32 MCU固件库

随着MCU集成度不断提升，片内外设资源和功能也越来越丰富。若采用传统的直接操作寄存器方法进行开发，则会带来代码可读性差、开发进度慢等问题。因此，实验平台的软件例程采用CKS32 MCU固件库进行设计，以方便用户使用和学习。

CKS32 MCU固件库是一个固件函数包，它由程序、数据结构、宏组成，对CKS32 MCU所有外设的寄存器的操作组合进行了软件层封装。每个外设驱动都由一组API函数合集组成，这组API函数合集覆盖了该外设的所有功能实现，这些API函数的结构、名称、参数都进行过标准化处理。通过调用固件库，用户无须深入理解每一个寄存器的细节，也可以轻松应用每一个外设，大大提升了学习和开发效率。CKS32F407系列的固件库架构示例见表1。

4.2实验例程设计

实验例程的设计与专业课程内容及教学目标密切相关，不仅要有系统性和实践性，还要紧跟行业应用，才能真正体现理论实践一体化的新工科理念要求[7]。本实验平台根据上述需求配套设计了基础例程、高级例程、综合例程和创新例程4个层次的阶梯式实验项目，循序渐进，帮助学生和工程师更好地掌握嵌入式系统知识与设计方法，实验例程清单见表2。

表1 CKS32F407系列固件库CKS32F4xx＿StdPeriph＿Lib架构

表2实验例程设计清单

基础例程紧扣课程教学大纲，主要目标是培养学生嵌入式开发的基本技能。高级例程一般是和专业相关联的系统级实验，重点在于软硬件联合开发调试的知识和技能。综合例程会围绕实验平台现有的硬件资源，集合实际工程应用需求进行综合应用练习。创新例程在上述实验基础上可以和毕业设计环节结合，以项目的形式锻炼学生自己搭建一个新的并且完整的嵌入式系统的能力。

5、结束语

针对新工科背景下嵌入式教学实验设备存在的问题，依托国产MCU微控制器，基于模块化设计思想，设计研制了一款综合性教学实验箱平台，平台硬件具有良好的完整性、可扩展性、抗干扰性。丰富的功能模块和多层次设置的教学实验内容难易结合，层层递进，可以满足不同学习水平学生的实验要求，同时还支持电路、自动控制、计算机编程和电力电子等高校课程的配套教学演示及电子竞赛类项目研发，在嵌入式系统课程的实践中可以发挥积极的作用。有助于不断深化嵌入式教学改革，建立以企业为主体、市场为导向、产学研深度融合的技术创新体系，积累与高校协作培养人才的成功经验。

参考文献:

[1]孙英浩,谢慧.新工科理念基本内涵及其特征[J].黑龙江教育(理论与实践),2019(7):11-15.

[2]张欢,宋慧娜,滕旭阳,等.新工科背景下的嵌入式系统实验教学探索[J].电脑知识与技术,2023,19(3):166-168.

[3]刘海成,迟凤阳,邹海英,等.校企协同的嵌入式与智能硬件课程在线教学模式研究[J].单片机与嵌入式系统应用,2022,22(9):26-28.

[4]安玲玲.应用型本科高校“单片微机原理与接口技术”课程教学改革研究[J].现代制造技术与装备,2017(11):161-162.

[5]刘清,郭津津,杨秀萍,等,基于STM32微处理器的嵌入式教学实验平台开发[J].中国现代教育装备,2016(17):20-22.

[6]吴昌昊,范云,黄菊,等,IAR开发环境下添加SM9B100MAL处理器支持的原理与方法[J].兵工自动化,2021,40(7):28-38.

[7]李磊,邓洪波,王云,等.新工科理念下嵌入式系统实验教学的改革与探索[J].实验科学与技术,2019,17(5):81-84,98.

文章来源:郭晶,朱珂玮.基于CKS32微控制器的嵌入式教学平台设计[J].科技创新与应用,2024,14(11):45-48.