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2024-03-30

嵌入式实训室建设的探讨

  嵌入式实训室是一个专门用于嵌入式系统教学和实训的场所。这种实训室通常配备了各种嵌入式系统开发平台、传感器模块、嵌入式处理器开发板以及相关的仪器设备等硬件设施。此外,为了提供完善的实训环境,实训室还会配备相应的软件平台,如嵌入式操作系统、开发工具链和仿真平台等。

在嵌入式实训室中,学生可以进行各种嵌入式系统的实验和实训项目,例如GPIO实验、定时器实验、看门狗实验、实时时钟实验等。通过这些实验和实训,学生可以深入了解嵌入式系统的基本原理和开发流程,提高嵌入式系统开发能力和创新意识。

此外,嵌入式实训室还可以用于开展相关的竞赛训练、创新创业项目和教师科研等活动。这有助于学生将所学知识应用于实际项目中,提升实践能力和综合素质。

随着物联网和人工智能的快速发展,嵌入式技术迎来了发展机遇的同时,也给高校的嵌入式系统课程带来了挑战。嵌入式系统具有体积小、功能强、可靠性高等特点,已经广泛应用于各个领域,深入人们生活方方面面,对应培养多样化、高端化人才的需求。因此,越来越多高校开设了嵌入式系统技术与应用课程。以新兴应用型本科院校为例,信息工程学院计算机科学与技术专业设置了嵌入式技术的理论课程、实验课程、课程设计和系统集成项目实训,目的是培养同时具备嵌入式系统软硬件综合开发与应用能力的高素质嵌入式应用系统开发人才。

嵌入式系统实训室是进行嵌入式系统课程教学的重要场所,它为学生提供一个专业的嵌入式系统学习实训环境。实训室一般设置有嵌入式系统开发平台、各种传感器模块、嵌入式处理器开发板、仪器设备等硬件设施。同时还配备了完善的软件平台,如嵌入式操作系统、开发工具链、仿真平台等。

在实训室内,学生可以接触各种主流的嵌入式处理器和微控制器,如ARM、MIPS、AVR、DSP等,学习嵌入式系统硬件电路设计、嵌入式操作系统移植、驱动程序开发、系统仿真、应用程序设计等内容。通过完成一系列的嵌入式系统课程设计实训,学生可以较系统地掌握嵌入式系统开发方法,培养解决实际嵌入式系统开发问题的能力。

实训室还要注重培养学生的动手能力和团队合作精神。学生需要通过团队形式开展项目实训,在指导教师的指导下,从需求分析、系统设计到项目实现全过程中练习嵌入式系统开发。这不仅巩固了学生的专业知识,也提高了实际能力,对今后从事嵌入式系统开发工作非常有帮助。

第一部分 嵌入式实训室概念及背景

1.1什么是嵌入式

嵌入式系统(embedded system),是一种嵌入机械或电气系统内部、具有专一功能和实时计算性能的计算机系统。嵌入式系统常被用于高效控制许多常见设备,被嵌入的系统通常是包含数位硬件和机械部件的完整设备,例如汽车的防锁死煞车系统。相反,通用计算机如个人电脑则设计灵活,可以智能处理各式各样的运算情况,以满足广大终端用户不同的需要。

现代嵌入式系统通常是基于微控制器(如含集成内存和/或外设接口的中央处理单元)的,但在较复杂的系统中普通微处理器(使用外部存储芯片和外设接口电路)也很常见。通用型处理器、专门进行某类计算的处理器、为手持应用订制设计的处理器等,都可能应用到嵌入式系统。常见的专用处理器有数字信号处理器。

嵌入式系统的关键特性是处理特定的任务,因此工程师能对其进行优化,以降低产品的体积和成本,提升可靠性和性能。

嵌入式系统的物理形态包括便携设备如计步器、电子手表和MP3播放器,大型固定装置如交通灯、工厂控制器,大型复杂系统如混合动力汽车、磁共振成像设备、航空电子设备等。它们的复杂度低至单片机,高至大型底盘或外壳内安装有多个部件、外设和网络。

嵌入式系统的主要特征包括:

代码体积小,可以在嵌入式系统的有限存储空间内运行;
提供统一的应用程序接口,简化应用程序的开发;
实现模块间的解耦合,不同模块可以灵活组合和拆卸;
具备优异的实时性,可以应用于各类实时控制场景;
系统可靠稳定,能够无人值守独立运行,及时处理各种事件与故障。
1.2 嵌入式知识结构

嵌入式系统分为四层结构,分别为:硬件层、驱动层、操作系统层和应用层。

硬件层:

包括处理器、存储器、微控制器、I/O、DAC ADC、电源、总线、定时器 计数器等等。此外根据不同的应用场景,嵌入式硬件会集成不同的传感器,例如摄像头、雷达、GPS等等。

基于ARM平台的设计开发(Cortex-A8/Cortex-A9/Cortex-A53/Cortex-M系列等)

基于TI DSP平台的设计开发(2000/5000/6000系列、DM6446/DM6447 达芬奇系列)

基于FPGA 平台的设计开发(Altere/Xilinx 系列)

驱动层:

基于Linux操作系统的Bootloader、平台支持代码、各类设备驱动

基于 Windows CE/Mobil/phone 平台的驱动定制、开发

Cortex-M系列的uC/OS、FreeRTOS

VxWorks BSP 开发

操作系统层:

Linux 内核开发(内存管理、文件系统、进程管理、进程通信、电源管理、实时性改进等)

Android框架层开发

应用层:

Android应用开发

QT/E的应用与开发

VxWorks 应用开发

IOS应用开发

Windows CE应用开发

1.3嵌入式技术与应用专业人才培养

本专业培养面向软件和信息技术服务业的嵌入式系统设计工程技术人员、软件和信息技术服务人员等职业群,能够从事智能终端、物联网等嵌入式系统应用开发、测试、集成、技术支持与维护等工作的高素质技术技能人才。

掌握以下知识:

(1)掌握必备的思想政治理论、科学文化基础知识和中华优秀传统文化知识。

(2)熟悉与本专业相关的法律法规以及环境保护、安全消防、文明生产等知识。

(3 )掌握数模电路基础及常用传感器基本原理。

(4)掌握计算机程序设计基础。

(5)熟悉单片机、ARM系统结构基本原理。

(6)熟悉嵌入式操作系统基本原理。

(7 )掌握物联网技术原理。

(8)掌握Android应用程序开发基本原理。

(9)掌握嵌入式系统应用开发基本原理。

具备以下能力:

(1 )具有探究学习、终身学习、分析问题和解决问题的能力。

(2)具有良好的语言、文字表达能力和沟通能力。

(3)具有良好的文档策划、编写及图像处理能力。

(4)具有计算机语言程序编程能力。

(5)具有单片机系统设计与开发能力。

(6 )具有Android应用程序开发能力。

(7 )具有嵌入式应用软件测试及撰写测试报告能力。

(8)具有移动智能终端产品开发及测试能力。

(9)具有嵌入式系统应用开发能力。

(10)具有嵌入式系统集成、技术支持及维护能力。

(11)具有综合应用专业知识进行创新创业的能力。



DB-STM32 嵌入式单片机实验箱

一、概述
  嵌入式单片机实验箱基于STM32单片机,从单片机实验教学的特点出发,基础功能实验电路采用一体化设计方式,创新拓展型实验电路采用独立模块方式,需要时接入主板,既兼顾演示验证性实验、又考虑到综合设计和创新研究性实验的需要。嵌入式单片机实验箱主板上自带CPU编程下载接口,是一款灵活性极强的集编程下载调试与一体的新型单片机实验教学平台,适合各层次学生进行单片机原理和应用方面的实验和创新。
嵌入式单片机实验箱
嵌入式单片机实验箱
特点
1、完整的实验指导
专门针对此实验箱编制详细的实验指导书,相信您有了专业的单片机开发板和详细的指导书,会迅速掌握好单片机技术,一定能快速入门,达到事半功倍的效果。
功能模块完全独立
根据我们多年来的开发经验,和取听广大用户的建议,此款开发板采用最新理念——各功能模块完全独立,互不干扰,减小初学者编程误区。板载丰富的实验硬件资源和接口,并对外全部开放I/O口,既可简单的使用短路帽进行默认的资源连接(方便初学者直接使用),也可以取下短路帽后采用杜邦线连接单片机的任意I/O口线,轻松搭建自己的电路。配合本公司精心编写的大量C语言实验例程,可使用户快速掌握单片机原理及其实用接口技术。同时可加强初学者对主板硬件电路的认识,尽快熟悉硬件电路。
支持多种CPU开发实验
标配STM32F103VET6核心板,根据客户需求可以选配其它单片机核心板,从而实现对各种CPU芯片的支持扩展。
四、详细硬件配置
4.1   实验箱底板
4.1.1单色流水灯模块:8 个高亮绿色LED 灯 
4.1.2 双色流水灯模块:6 个高亮LED灯,红黄绿三种颜色    
4.1.3 双色LED灯模块:红绿双色LED 灯 
4.1.4 8 位数码管模块:2 个四位一体共阳极数码管,2个74HC595 驱动芯片 
4.1.5 1 位数码管模块:1 个 8 段数码管,共阳极,0.56 英寸 
4.1.6 红绿双色点阵模块:3 个74HC595 驱动芯片,一个红绿双色点阵显示屏
4.1.7 LCD1602 液晶屏模块:标准 LCD1602 液晶屏接口,1 个带背光的  LCD1602 液晶屏 
4.1.8 LCD12864 液晶屏模块:标准LCD12864 液晶屏接口,支持串行、并行液晶屏 
4.1.9 OLED 显示模块:0.96 寸  OLED 液晶屏,128*64 显示   
4.1.10 TFT 彩屏模块:彩屏接口支持8 位、16 位TFT ,支持触摸屏控制,带背光开关配套  2.8 寸彩屏,带触屏功能,262K 色,8 位数据端   
4.1.11 8 个独立按键:8 个独立按键,带上拉电阻 
4.1.12 4X4 矩阵键盘:4行4列矩阵键盘,带上拉电阻 
4.1.13 五向摇杆:一个五向摇杆,具有上、下、左、右、中五个方向 
4.1.14 蜂鸣器模块:无源蜂鸣器 
4.1.15 DS1302 时钟模块:DS1302 芯片,模块带后背电池座
4.2   传感器模块  
4.2.1 两路DS18B20 模块:两路 DS18B20 温度传感器接口  
4.2.2 光敏传感器模块:集成 LM393 比较器,基准电压可调电阻、模拟量输出接口、数字量输出接口、模拟量指示LED灯,支持光敏二极管、光敏电阻等光电开关器件 
4.2.3 火焰传感器模块:集成 LM393 比较器,基准电压可调电阻、模拟量输出接口、数字量输出接口、模拟量指示LED 灯,支持火焰传感器    
4.2.4霍尔传感器模块:集成 LM393 比较器,基准电压可调电阻、模拟量输出接口、数字量输出接口、模拟量指示LED 灯,支持霍尔传感器
4.3  电器控制模块 
4.3.1路直流电机接口:ULN2003 驱动芯片。一路可调速直流电机接口; 一路可调速、可调向双功能电机接口
4.3.2 2路步进电机接口:2 个ULN2003驱动芯片。两个标准5线4相步进电机接口
4.3.3 2路继电器:ULN2003 驱动芯片,两个5V 继电器,两个3P 接线端子
4.4  数据传输、存储模块
4.4.1 2路串口:SP3232 芯片,SOP16 封装,+3.0v-+5V 工作电压,公头串口座一个,母头串口座一个,状态指示灯4 个
4.4.2 AT24C02 存储模块:AT24C02 芯片,SOP8 封装
4.4.3 模拟量输入模块:0V-5V 输入可调,0R-10K 电阻值可调
4.4.4 串转并模块:74HC164 芯片,SOP14 封装
4.4.5 并转串模块:74HC165 芯片,SOP16 封装
4.4.6 SD 卡模块:标准SD卡卡槽,SPI 控制,4-bit 传输模式
4.4.7 MAX485 模块:MAX485 芯片,1 组  2P 接线端子输出,1 组插针输出。
4.4.8 红外发射模块:红外发射二极管
4.4.9 红外接收模块:HX838 红外一体化接收头
4.4.10 PCF8591 AD/DA 模块:PCF8591 芯片,4路模拟量输入,1 路模拟量输出,IIC通信。
4.4.11 锁存器模块:74HC573 锁存芯片,兼容标准CMOS    
4.4.12 三八译码器:74LS138 芯片,TTL 电平
4.4.13 核心板扩展接口:接口插座29P 两排,IO 扩展插针  28P 两排
4.5   电源模块
4.5.1 3V3 电源电路:LM1117-3V3 稳压芯片
4.5.2 1V8 电源模块:LM1117-1V8 稳压芯片  
4.5.3 电源引出:GND/5V/3V3/1V8 电源各一组,每组  6 路引出   
4.5.4 模块名称:USB 接口,mini USB,A 型母头,D+ ,D-    
4.5.5 自恢复保险丝:断开电流300ma 
4.6 机箱
4.6.1坚固型铝合金框架,厚实的 ABS 塑料包角,参考外形尺寸 480×360×120mm
4.6.2有70mm×350mm 的零配件存放区。
五、的实验项目  
5.1基础实验
跑马灯、流水灯实验 
彩色流水灯、交通灯实验
红、绿两种颜色显示 
电子钟显示、数码管多位显示、74HC595 驱动等实验 
1 位数码管显示实验 
可以做双色点阵屏显示实验,滚动、静态显示字符、汉字符号等 
LCD1602 液晶屏显示实验,可以显示字符、数字等 
LCD12864 液晶屏显示实验,可以显示汉字、字符、数字 
OLED 显示实验,可以显示  4 行汉字,可以显示图片
TFT 彩屏图像、文字显示。可以做人机交互界面实验
按键控制、外部中断等实验 
矩阵键盘实验,可用作控制、教学实验等 
可以用作游戏控制杆、实现独立按键等功能
音乐播放、报警提示等
电子表、万年历实验
5.2 传感器实验
温度测量
光电开关实验
火灾报警、火焰检测等实验 
测速、电磁检测等实验
5.3电器控制实验 
直流电机调速、调向的驱动实验 
步进电机调速、调向、调角度的驱动实验 
继电器控制实验
5.4 数据传输、存储模块功能
串口通信,TTL 转  RS-232 实验 
外部存储、IIC 总线学习 
串行转并行实验,可以扩展IO 
并行数据转串行的实验 
SD 卡的读写、文件系统的学习实验。 
配合多组 485 模块,可以进行  485 通讯实验 
可以发射不同载波频率的红外信号 
红外接收解码实验
AD/DA 两种转换 
8 位数据锁存实验,可以做  CPU 与外围模块的驱动、缓冲模块 
可以 IO 扩展,学习译码实验
5.5 工业组态软件MCGS编程实验 
5.6 工业组态软件MCGS在单片机控制中的应用实验      
1)步进电机控制实验_总线控制
2)直流电机控制实验_总线控制
3)工业顺序控制实验_位控制
4)数据采集实验_总线控制
5)数据采集实验_总线控制
6)数字电压表实验
7)液体混合控制实验
8)交通灯控制实验
5.7工业组态软件和微控制器的接口编程实验
六、实验箱配置表

序号 名称 说明 数量
1 嵌入式单片机实验箱 含箱体、电源、STM32核心系统、实验模块电路。 1套
2 杜邦排线 8芯30cm 4根
3 杜邦排线 5芯30cm 3根
4 单根杜邦 40cm 10根
5 XH2.54排线 5芯12cm 1根
6 RS232串口通信线(2、3直通) 1.5m(下载线) 1根
7 交流电源线 1.5m 1根
8 遥控器   1个
9 RS232串口通信线(2、3交叉) 1.5m(配示波器模块时要的示波器通信线) 1根
10 配套软件 KEIL C 软件和组态软件各一张 1套
11 实验指导书   1本