本站小編為你精心準備了通信技術實驗系統設計研究參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：提出一種基于STM32單片機的通信技術實驗系統設計方案，系統采取“核心板+功能模塊”的設計理念，以STM32F103ZET6單片機最小系統為控制中心，集成電源模塊、輸入輸出模塊、有線通信模塊、無線通信模塊及信源編譯碼模塊，能夠完成通用STM32單片機的仿真與下載實驗。實驗結果表明，本系統具有集成度高、覆蓋面大、適用性廣等優點，能夠有效提高學生的工程實踐素質與創新思維能力，可在單片機、嵌入式系統、移動通信和物聯網技術等課程的實踐教學中推廣使用。

關鍵詞：STM32單片機；通信技術；實驗系統；仿真實驗；下載實驗

近年，互聯網+、智能制造2025、工業4.0等概念的提出，加大了對電子信息技術人才的需求[1]。高等教育是知識傳播、應用和創新的主要途徑，也是培養創新創業人才的重要途徑[2-3]。很多高校電子信息類專業都開設單片機、嵌入式系統、移動通信、物聯網技術等課程。實驗儀器是實踐教學必不可少的裝備，而市場上現有的設備基本都是實驗箱或實驗臺，通常存在價格貴，體積大，硬件電路資料不夠公開等問題，不利于學生全面學習課程知識。例如：移動通信實驗箱多側重于原理方面的驗證，不利于做二次開發[4]；物聯網實驗箱則側重于傳感檢測、短距離無線通信[5]，且通常追求功能大而全，不利于推廣；單片機實驗系統有很多，以51單片機和AVR單片機居多，STM32單片機也有，但側重于通信技術應用的單片機實驗系統目前還沒有；即使涉及通信技術的單片機實驗板，也只是單純的某種通信技術而已，不夠全面。此外，因為實驗箱或實驗臺造價高、體積大，通常只能存放在實驗室，不可能隨時向學生開放，所以利用率不高。與傳統的51系列單片機相比較，資源更為豐富的STM32單片機日益受到企業和消費者的青睞[6]。因此，本文設計了一款基于STM32單片機的小型通信技術實驗系統，以滿足創新實踐教學的需求。

1總體設計思路與方案

為了讓設計的實驗系統具有較強的適用性、擴展性及性價比，主要從下面幾個方面構思功能模塊及硬件電路：（1）遵循“以芯為主，軟硬結合”的設計原則[1]。系統集成輸入輸出模塊、有線通信模塊、無線通信模塊及信源編譯碼模塊等，能夠完成常見的通信實驗。（2）采用“核心板+功能模塊”的設計理念，軟硬件可剪裁，便于組裝、拆卸和升級[7]。價格較貴的通信模塊都沒有焊接在PCB板，而是安裝在PCB板上的排座，方便拆卸，以在其他系統中重復使用。（3）系統“小而精”，可擴展至“大而全”。STM32單片機的閑置I/O口由排針引出，方便操作者以其為母板，控制其他外設，拓展實驗項目。

2系統硬件結構

實驗系統電路結構連接關系見圖1[8]。

2.1STM32單片機最小系統

STM32單片機最小系統由STM32F103ZET6單片機、時鐘電路、復位電路、JTAG接口、I/O口擴展接口構成。STM32F103ZET6是基于ARMCortex-M3內核的32位微控制器，具有512KB片內Flash，64KB片內RAM；多達80個I/O，4個通用定時器，3路SPI接口，2路I2S接口，2路I2C接口，5路USART，1個USB從設備接口，1個CAN接口，SDIO接口；3路共16通道的12位AD輸入，2路共2通道的12位DA輸出；支持JTAG和SWD調試[9]。時鐘電路采用的晶振頻率為8MHz，復位電路包含上電復位和按鍵復位。JTAG接口用于給STM32單片機下載固件，或調試程序。I/O口擴展接口將單片機閑置的I/O口引出，以方便使用者連接其他外設。

2.2輸入輸出模塊

輸入輸出模塊主要用于實現人機交互功能，它包括IPS（In-planeswitching，平面轉換）液晶觸摸屏接口、4位LED流水燈、1×4獨立按鍵和蜂鳴器，可完成聲、光輸出，及按鍵和觸摸輸入。IPS觸摸屏接口用于安裝127mm（5英寸）TFT（thinfilmtransistor，薄膜晶體管）電容觸摸液晶彩屏，它具有響應速度快、可視角度大、色彩真實、畫面出色、觸摸無水紋、環保節電、色彩準確等優點。

2.3有線通信模塊

有線通信模塊包括UART串行通信電路、以太網模塊接口、CAN（controllerareanetwork、控制器局域網絡）收發器電路和數字溫濕度傳感器電路。UART串行通信電路通過CH340G芯片，將USB總線轉成TTLUART串行總線，讓STM32單片機通過USART1口與計算機進行串行通信。以太網模塊接口用于安裝W5500以太網模塊，STM32單片機通過SPI1口連接W5500模塊，完成以太網通信實驗[10]。RFID模塊和nRF24L01無線模塊也使用SPI1口，它們與W5500模塊共用SPI1口的MOSI、MISO和SCK，3個模塊的片選及中斷輸出引腳由單片機的其他I/O口獨立控制，單片機為主設備，各通信模塊為從設備。CAN收發器電路的核心是一款高速CAN收發器TJA1042，它是CAN控制器和物理總線之間的接口，為CAN控制器提供差動發送和接收功能。數字溫濕度傳感器電路核心器件是奧松公司生產的濕敏電容數字溫濕度芯片AM2302，可完成單總線（1-Wire）通信實驗，測量環境溫濕度[11]。

2.4無線通信模塊

無線通信模塊包括RFID模塊接口、Wi-Fi模塊接口、藍牙模塊接口、紅外接收頭電路、nRF24L01短距離無線通信模塊接口和GPRS+GPS模塊接口。RFID模塊接口安裝RFID模塊MFRC522，該模塊內置應用于13.56MHz非接觸式通信中高集成度的讀寫卡芯片RC522，STM32單片機通過SPI1口與RFID模塊通信，完成近場通信實驗。Wi-Fi模塊接口安裝串口Wi-Fi模塊ESP8266，其內置核心器件是樂鑫公司的ESP8266EX，STM32單片機通過USART2口連接Wi-Fi模塊ESP8266，可以通過該模塊上網，或連接智能手機。藍牙模塊接口安裝HC-05藍牙模塊，它是匯承信息科技公司設計的一款高性能、主從一體藍牙串口模塊。STM32單片機通過USART3口連接串口藍牙模塊，可以與智能手機、帶藍牙功能的計算機等智能終端交換數據。紅外接收頭電路由一體化紅外接收頭1838T構成，STM32單片機通過PG9連接1838T接收頭的I/O引腳，即可用軟件完成紅外接收、解碼實驗。nRF24L01短距離無線通信模塊接口安裝nRF24L01短距離無線通信模塊。其核心器件是Nordic公司的單片射頻收發器nRF24L01，工作于2.4GHz~2.5GHz免許可證的ISM頻段[12-13]。單片機通過SPI1口連接該無線模塊，即可控制nRF24L01無線模塊與其他實驗系統的nRF24L01無線模塊通信。GPRS+GPS模塊接口安裝安信可科技推出的GPRS+GPSA7模塊。STM32單片機通過USART4和USART5這兩個串口與該模塊連接，即可完成手機短消息收發、GPRS上網及GPS定位導航實驗。

2.5信源編譯碼模塊

信源編譯碼模塊包括模數轉換輸入電路及數模轉換輸出電路。模數轉換輸入電路為一個阻值為10kΩ的精密多圈電位器，它將3.3V的電壓進行分壓，再送到STM32的PF7引腳，利用STM32單片機內置的12位模數轉換器，實現信源編碼（模擬信號數字化）。數模轉換輸出電路利用STM32單片機內置的12位數模轉換器，由PF6引腳輸出模擬電壓，實現信源譯碼。PF6引腳接LED，通過觀察LED的亮度，可感受輸出電壓的大小；也可用示波器觀測輸出信號波形。

電源模塊

電源模塊主要由5V電源接口及MP2303ADN-LF-Z構成。如果實驗使用的模塊不多、工作電流小于0.5A時，系統可直接采用計算機USB電源；反之，則采用普通5V直流電源供電。因為STM32單片機及大部分模塊采用3.3V供電，故用轉換效率高的DC-DC電源變換器MP2303ADN，將5V直流電壓轉換成3.3V輸出。

3實驗系統功能模塊布局

圖2是實驗系統PCB板各功能模塊布局示意，STM32單片機位于中央，IPS液晶觸摸屏覆蓋在單片機上方。用于供電和通信的USB接口位于左邊，JTAG口位于右邊，各模塊分布于PCB板的四周。實驗系統PCB板長171.2mm，寬152.5mm，上下兩邊各有3個銅柱安裝孔，用于安裝6角銅柱及螺母，以支撐PCB板。也可將PCB板直接安裝在實驗箱上，方便長期保存、使用。

4實驗系統使用

借助ST-LINK/V2仿真/編程器，實驗系統可以完成表1所示的18個實驗項目。ST-LINK/V2是意法半導體為評估、開發STM8和STM32系列MCU設計一款集在線仿真與下載為一體的開發工具[14]。如圖3所示，STM32單片機通過JTAG/SWD接口與ST-LINK/V2連接，ST-LINK/V2通過高速USB2.0與計算機連接，在計算機端運行ST-LINKUtility、STVD、STVP、IAREWARM或KeilRVMDK等軟件，可以實現編程功能，進行JTAG/SWD下載，或實現仿真功能，進行全速運行、單步調試、斷點調試等，實時查看I/O狀態、變量數據[15]。

5應用效果

圖4為實驗系統照片，其應用效果如下：（1）用于學習多種有線通信、無線通信技術和通信編譯碼技術。有線通信包括以太網、CAN總線、單總線、UART總線、SPI總線等；無線通信包括短距離無線通信技術，有藍牙、Wi-Fi、紅外、RFID等；遠距離無線通信技術有GPRS、GSM和GPS等；通信編譯碼技術包括信源編譯碼（AD轉換和DA轉換）信道編譯碼（差錯控制編譯碼）。（2）用于學習STM32單片機、嵌入式系統。實驗系統的控制核心是STM32F103ZET6單片機，它除了可以當單片機使用、完成基礎性的單片機實驗外，還可以將μC/OS-III操作系統、eCos、μCLinux、FreeRTOS和djyOS（都江堰操作系統）移植至其中，完成綜合性的嵌入式系統實驗[16]。（3）擴展性強。實驗系統將STM32閑置I/O口擴展引出，各模塊拆下來后，其接口也可以另作他用。只需用杜邦線將其他設備與PCB板上的I/O口擴展接口或各模塊拆下來后的接口連接，即可用STM32單片機控制其他設備，如ZigBee模塊、北斗模塊等，完成擴展的實驗項目。（4）用途廣泛。實驗系統可在“實驗教學、課程設計、科技創新、學術競賽、畢業設計、教師科研”等環節使用。近兩年，我院學生獲得省級一、二、三等獎共16項；獲得國家級、省級大學生創新創業訓練計劃項目，廣東省大學生科技創新培育專項資金項目合計15項；獲得授權專利12項。

6結語

本實驗系統具有綜合性強、性價比高、功能強大等特點。該實驗系統對單片機、嵌入式系統、移動通信和物聯網技術等課程的實踐教學及學生課外科技創新活動也有促進作用。本系統已獲得國家專利，在第四屆全國高等學校自制實驗教學儀器設備評選中獲三等獎，得到校內外同行的認可。

作者：朱向慶 何昌毅 朱萬鴻 鐘創平 單位：嘉應學院