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单片机通信技术实验系统设计实现

摘要:文章在STM32单片机的基础上,明晰通信技术实验系统的开发原则与功能模块分布,此系统以“核心板+功能模块”为设计核心,将STM32F103ZET6单片机最小系统设定为系统控制中心,并依次完成电源、输入输出、有线通信、无线通信以及信源编码译码等模块规划,确保STM32单片机仿真与下载实验的有效性。最终实验结论表明,此系统集成度较高、覆盖范围较广、适用性较为普及,能够在多种实践性系统与平台的应用中进行推广。

关键词:STM32;模拟实验;试验系统;通信技术

1通信技术实验系统设计原则

为设计实用性更强、扩展范围更广、性价比更高的实验系统,明确以下开发原则。首先,明确“以芯为主,软硬结合”的开发理念。通过设计输入输出模块、有线与无线通信模块、信源编译码模块,保证普通通信试验的正常运行。其次,明确“核心板+功能模块”的设计方法。将价格偏贵的通信模块安装在PCB板的排座上,安装在此处的目的在于:排座结构便于安装与拆卸,能够在其他系统中进行重复利用。最后,保证系统设备的小而精与内部资源的大而全。通过STM32单片机闲置口的排针引出,便于将其设定为母板,对其他外部设备进行有效控制,丰富实验项目类型[1]。

2通信技术实验系统结构组成

2.1STM32单片机最小系统

STM32单片机最小系统的构成元素包括STM32F103ZET6单片机、时钟电路、复位电路、I/O扩展接口以及JTAG接口共同组成。STM32F103ZET6单片机是32位微控制器,能够接受JTAG与SWD的调试;时钟电路的晶振频率是8MHz;复位电路中具有按键复位与上电复位;I/O扩展接口负责将闲置的I/O口进行引出,便于与其他设备的连接;JTAG接口的作用是为STM32单片机下载固件,同时也能对程序进行调试。

2.2输入输出模块

系统中输入输出模块的设计视为了完成人机交互作业,其中包含平面转换、屏幕接口、LED流水灯、独立按键以及蜂鸣器,通过以上装备的组装,能够实现按键与触摸输入,声、光输出。IPS触摸屏接口主要安装于LCD彩色屏幕上,就有快速响应、视角宽阔、色彩逼真、绿色环保等特点。

2.3有线通信模块

有线通信模块由串行通信电路、以太网接口、CAN收发器以及温湿度传感器构建而成。串行通信电路利用CH340G芯片完成TTLUART串行总线的转变,且通过USART1端口与计算机连接;以太网接口主要用来安装连接以太网模块,通过SPI1将STM32单片机与以太网模块接口进行连接,其中,单片机属于主设备,其他通信模块属于副设备;CAN接收器的关键组成部分是高速CAN收发器TJA1042,能够连接控制器与物理总线,并具备接收与发送功能;温湿度传感器中最关键的核心元件是湿敏电容数字温湿度芯片,传感器能够对周围环境湿度与温度进行测量,实现单总线通信试验。

2.4无线通信模块

无线通信模块是由RFID接口、Wi-Fi接口、蓝牙接口、红外接收电路、无线通信接口以及GPRS+GPS接口共同组成。其中,RFID接口采用的是MFRC522模块,此模块的内部安装了读写卡芯片RC522,利用SPI1端口和RFID模块,STM32能够实现短距离通信试验;Wi-Fi接口内部所应用的关键性元件是由乐鑫公司产出的ESP8266EX,通过USART2端口,将STM32单片机与核心元件进行连接,实现网络或移动终端的连接;蓝牙接口是建立在HC-05蓝牙模块的基础上,应用性能优良,属于一体式的蓝牙串口模型,通过USART3端口,将STM32单片机与蓝牙串口模块相连接,实现智能终端设备的数据传递与交换;红外接收头电路是建立在一体化接收头1838T的基础上,通过PG9,将STM32单片机与红外接收头的I/O端头相互连接,完成软件系统的解码实验;无线通信接口是建立在nRF24L01短距离无线通信模块的基础上,关键性元件是Nordic公司制造出的射频收发器,型号为nRF24L01,其频射范围在2.4GHz-2.5GHz之间。通过SPI1端口,将STM32单片机与无线模块进行连接,以此实现对无线模块的有效调控;GPRS+GPS接口是建立在GPRS+GPSA7模块的基础上,通过USART4端口与USART5端口,将STM32单片机与此模块进行连接,就能够实现移动终端设备的信息传送、上网、定位等试验[2]。

2.5信源编译码模块

信源编码、译码模块中包含模数转换输入、输出电路。其中,输入电路是一个多圈电位器阻抗值在10kΩ,输入电路将3.3V的电压进行分压处理,之后再传输至STM32单片机的引脚处,通过STM32单片机的数模转换器,将模拟信号转化为数字信号;输出电路同样是通过STM32单片机传输至相应的引脚后,生成模拟信号,之后再将模拟信号转化为数字信号,将输出电路所连接的引脚与LED相连,通过LED的亮度变化,明确电压的实际大小,此方法同样适用于输出信号波形监测。

2.6电源模块

电源模块的主要构成元件是电源接口与MP2303ADN-LF-Z。当实验任务对模块数量要求不高、所需电流不超过0.5A时,可以直接将计算机中的USB电源作为通信技术实验系统的供电方;当实验工作使用模块较多,且工作点电流大于0.5A,则通过5V直流电源进行供电。由于STM32单片机的工作电流通常都需要3.3V供电。因此,使用转换效率较高的电源转换器,实现直流电压由5V到3.3V的转换。PCB板功能模块的具体分布结构如图1所示。

3实验系统及其应用成效

3.1实验系统

ST-LINK/V2仿真器是用于评估、建设STM8及STM32的一款开发工具,具有在线模拟与下载功能。通信技术实验系统工作模式如图2所示。STM32单片机利用JTAG接口与ST-LINK/V2仿真器相连,ST-LINK/V2与计算机相连,在计算机中运行相关软件,能够进行编程功能,展开仿真或下载工作。同时,应定期监查I/O口连接状态与变量数据的变化。

3.2应用成效

首次,此系统能够辅助使用者学习有线通信、无线通信以及编码译码;其次,应用于STM32单片机、嵌入式系统的教学,此系统的关键核心就是STM32F103ZET6单片机,它不仅能够完成基础性的通信技术实验,还能将其他系统进行添加,实现综合性的嵌入式通信技术系统实验;最后,此系统具有较强的应用性与扩展性。将系统中闲置I/O口进行拆卸重组,可以使系统具有其他应用功能。拆卸重组后的STM32单片机可以有效控制其他设备,实现实验项目的扩展。

4结语

此通信技术实验系统能够有效辅助学生对单片机、物联网、移动智能通信等技术展开实践性学习,培养学生的科技创新能力。通过明晰STM32单片机的模块构成及其相关功能,完善学生对通信技术实验系统的认知,并在此基础上,结合试验系统进行其他实验项目的学习。

参考文献

[1]楼顺天,庞斯琪,李明昱.基于物联网的单片机创新实验系统设计[J].电子科技,2020,33(11):1-6+23.

[2]文灏.无线通信技术在单片机通信系统中的应用[J].信息记录材料,2020,21(05):198-199.

作者:李丽荣 薄立康 单位:邢台职业技术学院

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