嵌入式STM32仿真实训竞赛平台

姚世豪 孙岚岚 杨亚男 王瑶 吴振辉

摘要：该文介绍了一款以Proteus仿真软件为基础，基于STM32嵌入式控制理器为核心的嵌入式实验教学平台。面向电子信息类专业《嵌入式开发与应用》课程实验教学、综合实训、竞赛训练。该仿真平台借助Proteus+STM32CubeMX+Keil MDK-ARM软件，可完成GPIO、LCD显示屏、外部中断、定时器、串口通信、I2C通信、A/D转换等多种实验，设计功能丰富，提高了学生嵌入式微控制器实操的便携性，降低了相关专业嵌入式微控制器课程实操的难度和成本，同时也适用于疫情期间线上课堂实践操作应用型教学。该平台也已应用到了“蓝桥杯大赛”嵌入式设计与开发组的学习和训练中。

关键词：STM32F401RBT6嵌入式蓝桥杯大赛 Proteus仿真

中图分类号：F590-4;G434文献标识码：A       文章编号：1672-3791（2022）01（a）-0000-00

Embedded STM32 Simulation Training CcompetitionPlatform

YAO Shihao1 SUN Lanlan1YANG Yanan2*WANG Yao1WUZhenhui1

（1. Technology & Media University of Henan Kaifeng;2. Yellow River Conservancy Technical Institute， Kaifeng， Henan Province， 475002 China）

Abstract： This article introduces an embedded experimental teaching platform based on Proteus simulation software and based on STM32 embedded control processor. It is oriented to experimental teaching， comprehensive practical training and competition training of embedded microprocessor courses for electronic information majors. With the help of Proteus+STM32CubeMX+Keil MDK-ARM software， the simulation platform can complete various experiments such as GPIO， LCD display， external interrupt， timer， serial communication， I2C communication， A/D conversion， etc. It has rich functions and improves students. The portability of the practical operation of embedded microcontrollers reduces the difficulty and high cost of related professional embedded microcontroller courses. It is also suitable for online classroom practical operation and application-oriented teaching during the epidemic. This platform has also been applied The "Lanqiao Cup" embedded design and development team is studying and training.

Key Words： STM32F401RBT6; Embedded;Lanqiao Cup competition; Proteus simulation.

在人工智能技术、5G、物联网迅猛发展的时代背景下，人与人之间的通信，物与物之间的协同，都离不开嵌入式技术，嵌入式技术也正在创造一个新的时代[1]。嵌入式开发与应用相关课程是电子信息类、计算机类专业的核心课程。也是一门实践较强的应用型课程，包括硬件电路设计、软件电路设计，以及需要考虑和实际应用的结合[2]。

目前多数学校的嵌入式开发与应用相关课程的教学依然是以偏向理论应用为主，实验课在实验室用试验箱教学。理论课与实践脱节，学生上课感觉枯燥。实验课在实验室实验，多人用一台实验箱，且时间有限，学生无法充分学习和练习。另外，疫情期间也无法顺利完成理论教学与实验教学的匹配[3]。

该文将Proteus、STM32CubeMX、Keil MDK-ARM软件联合使用，实现在嵌入式开发与应用课程中进行模拟仿真实验的实践学习。通过该文设计的嵌入式仿真实验平台，可以使学生在课堂上学习一个知识点的理论内容之后及时进行实践操作，让学生即学即用，提高了教学效率和学生的学习效率。另外，学生可以在自己电脑上运行，不受实验室的限制，增加了学习的便捷性，降低学习的成本。该平台部分设计，参考了蓝桥杯大赛—嵌入式设计与开发指定电路图设计，学生在学习的同時也可以顺便进行参赛的学习训练。

1 系统主要组成及开发平台

该平台组成部分使用Proteus软件、以STM32F401RBT6为核心处理器，设计了一款功能较为完善的实践竞赛训练平台。平台基础学习部分设计有8位LED灯，4位独立按键，1位有源蜂鸣器，1个2.4寸的LCD液晶显示器;平台传感器学习部分设计有2路滑动变阻器，2路IIC通信传感器：EEPROM存储器AT24C02、数字电位器MCP4017，温度传感器DS18B20，陀螺仪传感器ADXL345;扩展学习部分设计有1路串行通信接口，2路PWM输入接口，2路PWM输出接口，以及扩展引脚便于学习者外接其他外设模块进行学习和创作。

该文选用的ST公司的STM32F401RBT6作为主控MCU，程序开发可以选用STM32CubeIDE、IAR Embedded Workbench等开发工具[4]。为了降低学生初期的学习难度，结合现阶段社会的需求情况，该文教学采用STM32CubeMX+Keil MDK-ARM作为开发工具，让学生少关注芯片底层寄存器相关配置，更多的时间专注于功能应用的开发。

2综合仿真平台基础学习部分硬件电路设计

2.1 GPIO输出功能学习模块设计

LED灯是生活中最为常见的光源，学习者对于微处理器的学习基本均是从LED灯的控制开始[5]，对LED的控制也是学习嵌入式微处理器GPIO输出功能的最简单的外设器件。

该文仿真平台采用8路LED灯共阳极设计，LED灯负极连接74HC573锁存器的数据输入引脚，通过74HC573锁存器控制其亮灭。74HC573锁存器的输入引脚连接主控MCU的PC8—PC15引脚，74HC573锁存器的使能引脚连接主控MCU的PD2引脚，MCU通过控制PD2、PC8—PC15引脚，控制LED灯的亮灭。如图1（a）所示。

2.2 GPIO输入功能学习模块设计

作为人机交互的关键部件，按键是是各类产品设计中都不可缺少，对按键的识别也是学习嵌入式微处理器GPIO输入功能的最简单的外设器件[6]。

该文采用4路触动按键低电平有效设计作为输入电路，触动按键的一端接系统GND，按键的另一端通过一个10K的上拉电阻与MCU的PB0、PB1、PB2、PA0这4个引脚连接。在没有按键按下的时候，因上拉电阻的作用，GPIO口检测电平为低电平。当按键按下的时候，GPIO口检测电流为低电平。电路设计如图1（b）所示。

2.3 蜂鳴器电路设计

蜂鸣器是一种电子讯响器件，仿真平台采用有源蜂鸣器设计，蜂鸣器的负极输入端连接电路板的系统GND，蜂鸣器的正极端是MCU的PB3引脚控制一个NPN三极管的饱和截止来控制蜂鸣器的开启，电路设计如图1（c）所示。

2.4 LCD液晶显示屏学习模块设计

LCD液晶显示器是广泛使用的一种字符型液晶显示器件，可以进行各种字符的显示，嵌入式开发与应用课程的学习也离不开对于高分辨率显示器的应用。

该仿真平台设计采用Proteus提供的2.4〞RGB显示屏，驱动为ILI9341，分辨率为320*240，可以使学生更加充分地进行内容的显示。该文设计显示屏的底层驱动直接提供给学生，使学生无需关注底层硬件的初始化，直接调用相关显示屏函数进行LCD显示屏的操作。该电路设计LCD显示屏的数据引脚与MCU的PC0—PC16连接，控制引脚CS、SCL、WR、RD与MCU的PB9、PB8、PB5、PA8引脚连接，使用16位数据线和控制线进行操作。电路设计如图2所示。

3综合仿真平台传感器学习部分硬件电路设计

3.1 IIC总线学习外设模块设计

IIC总线是嵌入式开发中应用非常广泛的一种同步串行通信协议，存在多种传感器和芯片的使用中。

该文设计EEPROM存储器AT24C02芯片和数字电位器MCP4017芯片两个IIC通信设备，挂载在一条IIC通信总线上，使学习者可以充分地学习IIC通信协议、地址操作等，同时学习常用存储器件EEPROM数据存储应用，以及数字电位器的原理和使用。电路设计IIC通信总线的时钟线为连接MCU的PB6引脚，数据总线连接MCU的PB7引脚。AT24C02电路设计如图3（a）所示，MCP4017电路设计如图3（b）所示。

3.2 ADC模数转换学习外设模块设计

ADC模数转换是生产生活中常用功能之一，该文使用滑动变阻器进行模数转换的学习，工作原理是通过改变接入电路部分改变电阻的阻值，从而改变输出的电压值。

该文设计2路10K阻值的滑动变阻器，使学习者可以学习多通道AD采集的应用，滑动变阻器的电阻两段分别与系统电源VCC连接和系统GND连接，两个滑动变阻器分压管脚分别与MCU的PA1、PA3引脚引脚连接，电路设计如图3（c）所示。

4综合仿真平台扩展学习部分硬件电路设计

4.1 串口通信学习外设模块设计

串口通信作为嵌入式学习过程中不可或缺的通信协议，在Proteus平台下进行串口通信的学习需要计算机安装VSPD虚拟串口软件联合使用。

该文设计使用STM32F401RBT6芯片的UART1作为串行通信引脚，调用Proteus软件的VirtualTermnal控件监控串行口数据的收发信息作为调试接口，同时也可以在LCD显示屏进行显示。为充分模拟实际电路板，电路设计同时使用Proteus提供的COMPIM控件并在计算机上安装的VSPD虚拟串口工具、配合串口调试助手联合调试，电路设计如图4-（a）所示。

4.2 PWM输入与检测学习外设模块设计

STM32微控制理器拥有功能丰富的定时器资源，PWM的输入和检测是对定时器功能的充分学习最为合适。

该文使用NE555组合电路波形发生器，设计两路PWM输入通道，可分别使用滑动变阻器调节其频率和占空比，该两路输入通道分别接入MCU的PA15、PB4引脚。两路PWM输出通道设计使用MCU的PA2和PA4引脚。四路PWM输入输出引脚调用Proteus的虚拟示波器控件进行对比验证。其中一路PWM产生电路设计如图4（c）所示，Proteus的虚拟示波器控件如图4（b）所示。

4.3 其他外设模块预留扩展引脚

该文设计嵌入式虚拟仿真平台设计，已可以满足整个学期的教学任务实验需求，便于学习者在课下进行更多其他外设的学习，预留PA5、PA6、PA7、PA11、PB10、PB14等引脚，学生可以自行使用Proteus添加模块进行实践和创作。

5 结语

限于篇幅，该文关于系统软件设计方面未能做详细介绍。该文设计的嵌入式STM32仿真实训竞赛平台，历经一个学期的教学使用，提高了学生嵌入式微控制器实操的便携性，降低了课程实操的难度，满足了学生课下随时学习的需求，效果显著。该平台也为嵌入式微处理器相关课程在疫情期间线上教学提供了教学方案，同时也已应用到了“蓝桥杯大赛”嵌入式设计与开发组的学习和训练中。

参考文献

[1] 马云莺.基于便携开发板的嵌入式实验课程教学改革[J].通讯世界，2020，27（6）：157，159.

[2] 龙祖连.基于STM32CubeMX图形化编程教学改革的研究[J].电子制作，2021（10）：47-49.

[3] 顾恺琦，韩建峰，徐福敬，等.嵌入式开发创新教学平台的设计与实现[J].物联网技术，2018，8（10）：116-118，120.

[4] 陆小飞，孙海燕.“嵌入式系统”教学实验开发板的设计[J].科技资讯，2020，18（21）：49-50，54.

[5] 罗清龙，冯敏，李清涛.基于STM32CubeMX嵌入式实验教学改革实践[J].计算机教育，2018（1）：155-158.

[6] 欧建开，杨吟野，岑伟富，等.基于Proteus的STM32嵌入式虚拟实验平台设计[J].电子技术与软件工程，2019（10）：195-196.