單片機(jī)通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

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摘要：文章在STM32單片機(jī)的基礎(chǔ)上，明晰通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)原則與功能模塊分布，此系統(tǒng)以“核心板+功能模塊”為設(shè)計(jì)核心，將STM32F103ZET6單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)定為系統(tǒng)控制中心，并依次完成電源、輸入輸出、有線通信、無(wú)線通信以及信源編碼譯碼等模塊規(guī)劃，確保STM32單片機(jī)仿真與下載實(shí)驗(yàn)的有效性。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明，此系統(tǒng)集成度較高、覆蓋范圍較廣、適用性較為普及，能夠在多種實(shí)踐性系統(tǒng)與平臺(tái)的應(yīng)用中進(jìn)行推廣。

關(guān)鍵詞：STM32；模擬實(shí)驗(yàn)；試驗(yàn)系統(tǒng)；通信技術(shù)

1通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

為設(shè)計(jì)實(shí)用性更強(qiáng)、擴(kuò)展范圍更廣、性價(jià)比更高的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，明確以下開(kāi)發(fā)原則。首先，明確“以芯為主，軟硬結(jié)合”的開(kāi)發(fā)理念。通過(guò)設(shè)計(jì)輸入輸出模塊、有線與無(wú)線通信模塊、信源編譯碼模塊，保證普通通信試驗(yàn)的正常運(yùn)行。其次，明確“核心板+功能模塊”的設(shè)計(jì)方法。將價(jià)格偏貴的通信模塊安裝在PCB板的排座上，安裝在此處的目的在于：排座結(jié)構(gòu)便于安裝與拆卸，能夠在其他系統(tǒng)中進(jìn)行重復(fù)利用。最后，保證系統(tǒng)設(shè)備的小而精與內(nèi)部資源的大而全。通過(guò)STM32單片機(jī)閑置口的排針引出，便于將其設(shè)定為母板，對(duì)其他外部設(shè)備進(jìn)行有效控制，豐富實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型[1]。

2通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.1STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)

STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)的構(gòu)成元素包括STM32F103ZET6單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、I/O擴(kuò)展接口以及JTAG接口共同組成。STM32F103ZET6單片機(jī)是32位微控制器，能夠接受JTAG與SWD的調(diào)試；時(shí)鐘電路的晶振頻率是8MHz；復(fù)位電路中具有按鍵復(fù)位與上電復(fù)位；I/O擴(kuò)展接口負(fù)責(zé)將閑置的I/O口進(jìn)行引出，便于與其他設(shè)備的連接；JTAG接口的作用是為STM32單片機(jī)下載固件，同時(shí)也能對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。

2.2輸入輸出模塊

系統(tǒng)中輸入輸出模塊的設(shè)計(jì)視為了完成人機(jī)交互作業(yè)，其中包含平面轉(zhuǎn)換、屏幕接口、LED流水燈、獨(dú)立按鍵以及蜂鳴器，通過(guò)以上裝備的組裝，能夠實(shí)現(xiàn)按鍵與觸摸輸入，聲、光輸出。IPS觸摸屏接口主要安裝于LCD彩色屏幕上，就有快速響應(yīng)、視角寬闊、色彩逼真、綠色環(huán)保等特點(diǎn)。

2.3有線通信模塊

有線通信模塊由串行通信電路、以太網(wǎng)接口、CAN收發(fā)器以及溫濕度傳感器構(gòu)建而成。串行通信電路利用CH340G芯片完成TTLUART串行總線的轉(zhuǎn)變，且通過(guò)USART1端口與計(jì)算機(jī)連接；以太網(wǎng)接口主要用來(lái)安裝連接以太網(wǎng)模塊，通過(guò)SPI1將STM32單片機(jī)與以太網(wǎng)模塊接口進(jìn)行連接，其中，單片機(jī)屬于主設(shè)備，其他通信模塊屬于副設(shè)備；CAN接收器的關(guān)鍵組成部分是高速CAN收發(fā)器TJA1042，能夠連接控制器與物理總線，并具備接收與發(fā)送功能；溫濕度傳感器中最關(guān)鍵的核心元件是濕敏電容數(shù)字溫濕度芯片，傳感器能夠?qū)χ車h(huán)境濕度與溫度進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)單總線通信試驗(yàn)。

2.4無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊是由RFID接口、Wi-Fi接口、藍(lán)牙接口、紅外接收電路、無(wú)線通信接口以及GPRS+GPS接口共同組成。其中，RFID接口采用的是MFRC522模塊，此模塊的內(nèi)部安裝了讀寫卡芯片RC522，利用SPI1端口和RFID模塊，STM32能夠?qū)崿F(xiàn)短距離通信試驗(yàn)；Wi-Fi接口內(nèi)部所應(yīng)用的關(guān)鍵性元件是由樂(lè)鑫公司產(chǎn)出的ESP8266EX，通過(guò)USART2端口，將STM32單片機(jī)與核心元件進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)或移動(dòng)終端的連接；藍(lán)牙接口是建立在HC-05藍(lán)牙模塊的基礎(chǔ)上，應(yīng)用性能優(yōu)良，屬于一體式的藍(lán)牙串口模型，通過(guò)USART3端口，將STM32單片機(jī)與藍(lán)牙串口模塊相連接，實(shí)現(xiàn)智能終端設(shè)備的數(shù)據(jù)傳遞與交換；紅外接收頭電路是建立在一體化接收頭1838T的基礎(chǔ)上，通過(guò)PG9，將STM32單片機(jī)與紅外接收頭的I/O端頭相互連接，完成軟件系統(tǒng)的解碼實(shí)驗(yàn)；無(wú)線通信接口是建立在nRF24L01短距離無(wú)線通信模塊的基礎(chǔ)上，關(guān)鍵性元件是Nordic公司制造出的射頻收發(fā)器，型號(hào)為nRF24L01，其頻射范圍在2.4GHz-2.5GHz之間。通過(guò)SPI1端口，將STM32單片機(jī)與無(wú)線模塊進(jìn)行連接，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線模塊的有效調(diào)控；GPRS+GPS接口是建立在GPRS+GPSA7模塊的基礎(chǔ)上，通過(guò)USART4端口與USART5端口，將STM32單片機(jī)與此模塊進(jìn)行連接，就能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)終端設(shè)備的信息傳送、上網(wǎng)、定位等試驗(yàn)[2]。

2.5信源編譯碼模塊

信源編碼、譯碼模塊中包含模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入、輸出電路。其中，輸入電路是一個(gè)多圈電位器阻抗值在10kΩ，輸入電路將3.3V的電壓進(jìn)行分壓處理，之后再傳輸至STM32單片機(jī)的引腳處，通過(guò)STM32單片機(jī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；輸出電路同樣是通過(guò)STM32單片機(jī)傳輸至相應(yīng)的引腳后，生成模擬信號(hào)，之后再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，將輸出電路所連接的引腳與LED相連，通過(guò)LED的亮度變化，明確電壓的實(shí)際大小，此方法同樣適用于輸出信號(hào)波形監(jiān)測(cè)。

2.6電源模塊

電源模塊的主要構(gòu)成元件是電源接口與MP2303ADN-LF-Z。當(dāng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)對(duì)模塊數(shù)量要求不高、所需電流不超過(guò)0.5A時(shí)，可以直接將計(jì)算機(jī)中的USB電源作為通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的供電方；當(dāng)實(shí)驗(yàn)工作使用模塊較多，且工作點(diǎn)電流大于0.5A，則通過(guò)5V直流電源進(jìn)行供電。由于STM32單片機(jī)的工作電流通常都需要3.3V供電。因此，使用轉(zhuǎn)換效率較高的電源轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)直流電壓由5V到3.3V的轉(zhuǎn)換。PCB板功能模塊的具體分布結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其應(yīng)用成效

3.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

ST-LINK/V2仿真器是用于評(píng)估、建設(shè)STM8及STM32的一款開(kāi)發(fā)工具，具有在線模擬與下載功能。通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作模式如圖2所示。STM32單片機(jī)利用JTAG接口與ST-LINK/V2仿真器相連，ST-LINK/V2與計(jì)算機(jī)相連，在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行相關(guān)軟件，能夠進(jìn)行編程功能，展開(kāi)仿真或下載工作。同時(shí)，應(yīng)定期監(jiān)查I/O口連接狀態(tài)與變量數(shù)據(jù)的變化。

3.2應(yīng)用成效

首次，此系統(tǒng)能夠輔助使用者學(xué)習(xí)有線通信、無(wú)線通信以及編碼譯碼；其次，應(yīng)用于STM32單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)，此系統(tǒng)的關(guān)鍵核心就是STM32F103ZET6單片機(jī)，它不僅能夠完成基礎(chǔ)性的通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)，還能將其他系統(tǒng)進(jìn)行添加，實(shí)現(xiàn)綜合性的嵌入式通信技術(shù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；最后，此系統(tǒng)具有較強(qiáng)的應(yīng)用性與擴(kuò)展性。將系統(tǒng)中閑置I/O口進(jìn)行拆卸重組，可以使系統(tǒng)具有其他應(yīng)用功能。拆卸重組后的STM32單片機(jī)可以有效控制其他設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的擴(kuò)展。

4結(jié)語(yǔ)

此通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠有效輔助學(xué)生對(duì)單片機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)智能通信等技術(shù)展開(kāi)實(shí)踐性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。通過(guò)明晰STM32單片機(jī)的模塊構(gòu)成及其相關(guān)功能，完善學(xué)生對(duì)通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的認(rèn)知，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)

[1]樓順天,龐斯琪,李明昱.基于物聯(lián)網(wǎng)的單片機(jī)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技,2020,33(11):1-6+23.

[2]文灝.無(wú)線通信技術(shù)在單片機(jī)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].信息記錄材料,2020,21(05):198-199.

作者：李麗榮 薄立康 單位：邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院