在嵌入式實訓室中，學生可以進行各種嵌入式系統(tǒng)的實驗和實訓項目，例如GPIO實驗、定時器實驗、看門狗實驗、實時時鐘實驗等。通過這些實驗和實訓，學生可以深入了解嵌入式系統(tǒng)的基本原理和開發(fā)流程，提高嵌入式系統(tǒng)開發(fā)能力和創(chuàng)新意識。
此外，嵌入式實訓室還可以用于開展相關(guān)的競賽訓練、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和教師科研等活動。這有助于學生將所學知識應(yīng)用于實際項目中，提升實踐能力和綜合素質(zhì)。
隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的快速發(fā)展,嵌入式技術(shù)迎來了發(fā)展機遇的同時,也給高校的嵌入式系統(tǒng)課程帶來了挑戰(zhàn)。嵌入式系統(tǒng)具有體積小、功能強、可靠性高等特點,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域,深入人們生活方方面面,對應(yīng)培養(yǎng)多樣化、高端化人才的需求。因此,越來越多高校開設(shè)了嵌入式系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用課程。以新興應(yīng)用型本科院校為例,信息工程學院計算機科學與技術(shù)專業(yè)設(shè)置了嵌入式技術(shù)的理論課程、實驗課程、課程設(shè)計和系統(tǒng)集成項目實訓,目的是培養(yǎng)同時具備嵌入式系統(tǒng)軟硬件綜合開發(fā)與應(yīng)用能力的高素質(zhì)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)人才。
嵌入式系統(tǒng)實訓室是進行嵌入式系統(tǒng)課程教學的重要場所,它為學生提供一個專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)學習實訓環(huán)境。實訓室一般設(shè)置有嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺、各種傳感器模塊、嵌入式處理器開發(fā)板、儀器設(shè)備等硬件設(shè)施。同時還配備了完善的軟件平臺,如嵌入式操作系統(tǒng)、開發(fā)工具鏈、仿真平臺等。
在實訓室內(nèi),學生可以接觸各種主流的嵌入式處理器和微控制器,如ARM、MIPS、AVR、DSP等,學習嵌入式系統(tǒng)硬件電路設(shè)計、嵌入式操作系統(tǒng)移植、驅(qū)動程序開發(fā)、系統(tǒng)仿真、應(yīng)用程序設(shè)計等內(nèi)容。通過完成一系列的嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計實訓,學生可以較系統(tǒng)地掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法,培養(yǎng)解決實際嵌入式系統(tǒng)開發(fā)問題的能力。
實訓室還要注重培養(yǎng)學生的動手能力和團隊合作精神。學生需要通過團隊形式開展項目實訓,在指導教師的指導下,從需求分析、系統(tǒng)設(shè)計到項目實現(xiàn)全過程中練習嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。這不僅鞏固了學生的專業(yè)知識,也提高了實際能力,對今后從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工作非常有幫助。
第一部分 嵌入式實訓室概念及背景
1.1什么是嵌入式
嵌入式系統(tǒng)（embedded system），是一種嵌入機械或電氣系統(tǒng)內(nèi)部、具有專一功能和實時計算性能的計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)常被用于高效控制許多常見設(shè)備，被嵌入的系統(tǒng)通常是包含數(shù)位硬件和機械部件的完整設(shè)備，例如汽車的防鎖死煞車系統(tǒng)。相反，通用計算機如個人電腦則設(shè)計靈活，可以智能處理各式各樣的運算情況，以滿足廣大終端用戶不同的需要。
現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)通常是基于微控制器（如含集成內(nèi)存和/或外設(shè)接口的中央處理單元）的，但在較復雜的系統(tǒng)中普通微處理器（使用外部存儲芯片和外設(shè)接口電路）也很常見。通用型處理器、專門進行某類計算的處理器、為手持應(yīng)用訂制設(shè)計的處理器等，都可能應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)。常見的專用處理器有數(shù)字信號處理器。
嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵特性是處理特定的任務(wù)，因此工程師能對其進行優(yōu)化，以降低產(chǎn)品的體積和成本，提升可靠性和性能。
嵌入式系統(tǒng)的物理形態(tài)包括便攜設(shè)備如計步器、電子手表和MP3播放器，大型固定裝置如交通燈、工廠控制器，大型復雜系統(tǒng)如混合動力汽車、磁共振成像設(shè)備、航空電子設(shè)備等。它們的復雜度低至單片機，高至大型底盤或外殼內(nèi)安裝有多個部件、外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)。
嵌入式系統(tǒng)的主要特征包括:
代碼體積小,可以在嵌入式系統(tǒng)的有限存儲空間內(nèi)運行;
提供統(tǒng)一的應(yīng)用程序接口,簡化應(yīng)用程序的開發(fā);
實現(xiàn)模塊間的解耦合,不同模塊可以靈活組合和拆卸;
具備優(yōu)異的實時性,可以應(yīng)用于各類實時控制場景;
系統(tǒng)可靠穩(wěn)定,能夠無人值守獨立運行,及時處理各種事件與故障。
1.2 嵌入式知識結(jié)構(gòu)
嵌入式系統(tǒng)分為四層結(jié)構(gòu)，分別為：硬件層、驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層。
硬件層：
包括處理器、存儲器、微控制器、I/O、DAC ADC、電源、總線、定時器 計數(shù)器等等。此外根據(jù)不同的應(yīng)用場景，嵌入式硬件會集成不同的傳感器，例如攝像頭、雷達、GPS等等。
基于ARM平臺的設(shè)計開發(fā)（Cortex-A8/Cortex-A9/Cortex-A53/Cortex-M系列等）
基于TI DSP平臺的設(shè)計開發(fā)（2000/5000/6000系列、DM6446/DM6447 達芬奇系列）
基于FPGA 平臺的設(shè)計開發(fā)（Altere/Xilinx 系列）
驅(qū)動層：
基于Linux操作系統(tǒng)的Bootloader、平臺支持代碼、各類設(shè)備驅(qū)動
基于 Windows CE/Mobil/phone 平臺的驅(qū)動定制、開發(fā)
Cortex-M系列的uC/OS、FreeRTOS
VxWorks BSP 開發(fā)
操作系統(tǒng)層：
Linux 內(nèi)核開發(fā)（內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、進程管理、進程通信、電源管理、實時性改進等）
Android框架層開發(fā)
應(yīng)用層：
Android應(yīng)用開發(fā)
QT/E的應(yīng)用與開發(fā)
VxWorks 應(yīng)用開發(fā)
IOS應(yīng)用開發(fā)
Windows CE應(yīng)用開發(fā)
1.3嵌入式技術(shù)與應(yīng)用專業(yè)人才培養(yǎng)
本專業(yè)培養(yǎng)面向軟件和信息技術(shù)服務(wù)業(yè)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計工程技術(shù)人員、軟件和信息技術(shù)服務(wù)人員等職業(yè)群，能夠從事智能終端、物聯(lián)網(wǎng)等嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)、測試、集成、技術(shù)支持與維護等工作的高素質(zhì)技術(shù)技能人才。
掌握以下知識：
(1)掌握必備的思想政治理論、科學文化基礎(chǔ)知識和中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化知識。
(2)熟悉與本專業(yè)相關(guān)的法律法規(guī)以及環(huán)境保護、安全消防、文明生產(chǎn)等知識。
(3 )掌握數(shù)模電路基礎(chǔ)及常用傳感器基本原理。
(4)掌握計算機程序設(shè)計基礎(chǔ)。
(5)熟悉單片機、ARM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本原理。
(6)熟悉嵌入式操作系統(tǒng)基本原理。
(7 )掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)原理。
(8)掌握Android應(yīng)用程序開發(fā)基本原理。
(9)掌握嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)基本原理。
具備以下能力：
(1 )具有探究學習、終身學習、分析問題和解決問題的能力。
(2)具有良好的語言、文字表達能力和溝通能力。
(3)具有良好的文檔策劃、編寫及圖像處理能力。
(4)具有計算機語言程序編程能力。
(5)具有單片機系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)能力。
(6 )具有Android應(yīng)用程序開發(fā)能力。
(7 )具有嵌入式應(yīng)用軟件測試及撰寫測試報告能力。
(8)具有移動智能終端產(chǎn)品開發(fā)及測試能力。
(9)具有嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)能力。
(10)具有嵌入式系統(tǒng)集成、技術(shù)支持及維護能力。
(11)具有綜合應(yīng)用專業(yè)知識進行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的能力。
DB-STM32 嵌入式單片機實驗箱
一、概述嵌入式單片機實驗箱基于STM32單片機，從單片機實驗教學的特點出發(fā)，基礎(chǔ)功能實驗電路采用一體化設(shè)計方式，創(chuàng)新拓展型實驗電路采用獨立模塊方式，需要時接入主板，既兼顧演示驗證性實驗、又考慮到綜合設(shè)計和創(chuàng)新研究性實驗的需要。嵌入式單片機實驗箱主板上自帶CPU編程下載接口，是一款靈活性極強的集編程下載調(diào)試與一體的新型單片機實驗教學平臺，適合各層次學生進行單片機原理和應(yīng)用方面的實驗和創(chuàng)新。
1、完整的實驗指導
專門針對此實驗箱編制詳細的實驗指導書，相信您有了專業(yè)的單片機開發(fā)板和詳細的指導書，會迅速掌握好單片機技術(shù)，一定能快速入門，達到事半功倍的效果。
功能模塊完全獨立
根據(jù)我們多年來的開發(fā)經(jīng)驗，和取聽廣大用戶的建議，此款開發(fā)板采用最新理念——各功能模塊完全獨立，互不干擾，減小初學者編程誤區(qū)。板載豐富的實驗硬件資源和接口，并對外全部開放I/O口，既可簡單的使用短路帽進行默認的資源連接（方便初學者直接使用），也可以取下短路帽后采用杜邦線連接單片機的任意I/O口線，輕松搭建自己的電路。配合本公司精心編寫的大量C語言實驗例程，可使用戶快速掌握單片機原理及其實用接口技術(shù)。同時可加強初學者對主板硬件電路的認識，盡快熟悉硬件電路。
支持多種CPU開發(fā)實驗
標配STM32F103VET6核心板，根據(jù)客戶需求可以選配其它單片機核心板，從而實現(xiàn)對各種CPU芯片的支持擴展。
四、詳細硬件配置
4.1 實驗箱底板
4.1.1單色流水燈模塊：8 個高亮綠色LED 燈
4.1.2 雙色流水燈模塊：6 個高亮LED燈，紅黃綠三種顏色
4.1.3 雙色LED燈模塊：紅綠雙色LED 燈
4.1.4 8 位數(shù)碼管模塊：2 個四位一體共陽極數(shù)碼管，2個74HC595 驅(qū)動芯片
4.1.5 1 位數(shù)碼管模塊：1 個 8 段數(shù)碼管，共陽極，0.56 英寸
4.1.6 紅綠雙色點陣模塊：3 個74HC595 驅(qū)動芯片，一個紅綠雙色點陣顯示屏
4.1.7 LCD1602 液晶屏模塊：標準 LCD1602 液晶屏接口，1 個帶背光的 LCD1602 液晶屏
4.1.8 LCD12864 液晶屏模塊：標準LCD12864 液晶屏接口，支持串行、并行液晶屏
4.1.9 OLED 顯示模塊：0.96 寸 OLED 液晶屏，128*64 顯示
4.1.10 TFT 彩屏模塊：彩屏接口支持8 位、16 位TFT ，支持觸摸屏控制，帶背光開關(guān)配套 2.8 寸彩屏，帶觸屏功能，262K 色，8 位數(shù)據(jù)端
4.1.11 8 個獨立按鍵：8 個獨立按鍵，帶上拉電阻
4.1.12 4X4 矩陣鍵盤：4行4列矩陣鍵盤，帶上拉電阻
4.1.13 五向搖桿：一個五向搖桿，具有上、下、左、右、中五個方向
4.1.14 蜂鳴器模塊：無源蜂鳴器
4.1.15 DS1302 時鐘模塊：DS1302 芯片，模塊帶后背電池座
4.2 傳感器模塊
4.2.1 兩路DS18B20 模塊：兩路 DS18B20 溫度傳感器接口
4.2.2 光敏傳感器模塊：集成 LM393 比較器，基準電壓可調(diào)電阻、模擬量輸出接口、數(shù)字量輸出接口、模擬量指示LED燈，支持光敏二極管、光敏電阻等光電開關(guān)器件
4.2.3 火焰?zhèn)鞲衅髂K：集成 LM393 比較器，基準電壓可調(diào)電阻、模擬量輸出接口、數(shù)字量輸出接口、模擬量指示LED 燈，支持火焰?zhèn)鞲衅?nbsp;
4.2.4霍爾傳感器模塊：集成 LM393 比較器，基準電壓可調(diào)電阻、模擬量輸出接口、數(shù)字量輸出接口、模擬量指示LED 燈，支持霍爾傳感器
4.3 電器控制模塊
4.3.1路直流電機接口：ULN2003 驅(qū)動芯片。一路可調(diào)速直流電機接口； 一路可調(diào)速、可調(diào)向雙功能電機接口
4.3.2 2路步進電機接口：2 個ULN2003驅(qū)動芯片。兩個標準5線4相步進電機接口
4.3.3 2路繼電器：ULN2003 驅(qū)動芯片，兩個5V 繼電器，兩個3P 接線端子
4.4 數(shù)據(jù)傳輸、存儲模塊
4.4.1 2路串口：SP3232 芯片，SOP16 封裝，+3.0v-+5V 工作電壓，公頭串口座一個，母頭串口座一個，狀態(tài)指示燈4 個
4.4.2 AT24C02 存儲模塊：AT24C02 芯片，SOP8 封裝
4.4.3 模擬量輸入模塊：0V-5V 輸入可調(diào)，0R-10K 電阻值可調(diào)
4.4.4 串轉(zhuǎn)并模塊：74HC164 芯片，SOP14 封裝
4.4.5 并轉(zhuǎn)串模塊：74HC165 芯片,SOP16 封裝
4.4.6 SD 卡模塊：標準SD卡卡槽，SPI 控制，4-bit 傳輸模式
4.4.7 MAX485 模塊：MAX485 芯片，1 組 2P 接線端子輸出，1 組插針輸出。
4.4.8 紅外發(fā)射模塊：紅外發(fā)射二極管
4.4.9 紅外接收模塊：HX838 紅外一體化接收頭
4.4.10 PCF8591 AD/DA 模塊：PCF8591 芯片，4路模擬量輸入，1 路模擬量輸出，IIC通信。
4.4.11 鎖存器模塊：74HC573 鎖存芯片，兼容標準CMOS
4.4.12 三八譯碼器：74LS138 芯片，TTL 電平
4.4.13 核心板擴展接口：接口插座29P 兩排，IO 擴展插針 28P 兩排
4.5 電源模塊
4.5.1 3V3 電源電路：LM1117-3V3 穩(wěn)壓芯片
4.5.2 1V8 電源模塊：LM1117-1V8 穩(wěn)壓芯片
4.5.3 電源引出：GND/5V/3V3/1V8 電源各一組，每組 6 路引出
4.5.4 模塊名稱：USB 接口，mini USB,A 型母頭，D+ ，D-
4.5.5 自恢復保險絲：斷開電流300ma
4.6 機箱
4.6.1堅固型鋁合金框架，厚實的 ABS 塑料包角，參考外形尺寸 480×360×120mm
4.6.2有70mm×350mm 的零配件存放區(qū)。
五、的實驗項目
5.1基礎(chǔ)實驗
跑馬燈、流水燈實驗
彩色流水燈、交通燈實驗
紅、綠兩種顏色顯示
電子鐘顯示、數(shù)碼管多位顯示、74HC595 驅(qū)動等實驗
1 位數(shù)碼管顯示實驗
可以做雙色點陣屏顯示實驗，滾動、靜態(tài)顯示字符、漢字符號等
LCD1602 液晶屏顯示實驗，可以顯示字符、數(shù)字等
LCD12864 液晶屏顯示實驗，可以顯示漢字、字符、數(shù)字
OLED 顯示實驗，可以顯示 4 行漢字，可以顯示圖片
TFT 彩屏圖像、文字顯示。可以做人機交互界面實驗
按鍵控制、外部中斷等實驗
矩陣鍵盤實驗，可用作控制、教學實驗等
可以用作游戲控制桿、實現(xiàn)獨立按鍵等功能
音樂播放、報警提示等
電子表、萬年歷實驗
5.2 傳感器實驗
溫度測量
光電開關(guān)實驗
火災報警、火焰檢測等實驗
測速、電磁檢測等實驗
5.3電器控制實驗
直流電機調(diào)速、調(diào)向的驅(qū)動實驗
步進電機調(diào)速、調(diào)向、調(diào)角度的驅(qū)動實驗
繼電器控制實驗
5.4 數(shù)據(jù)傳輸、存儲模塊功能
串口通信，TTL 轉(zhuǎn) RS-232 實驗
外部存儲、IIC 總線學習
串行轉(zhuǎn)并行實驗，可以擴展IO
并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)串行的實驗
SD 卡的讀寫、文件系統(tǒng)的學習實驗。
配合多組 485 模塊，可以進行 485 通訊實驗
可以發(fā)射不同載波頻率的紅外信號
紅外接收解碼實驗
AD/DA 兩種轉(zhuǎn)換
8 位數(shù)據(jù)鎖存實驗，可以做 CPU 與外圍模塊的驅(qū)動、緩沖模塊
可以 IO 擴展，學習譯碼實驗
5.5 工業(yè)組態(tài)軟件MCGS編程實驗
5.6 工業(yè)組態(tài)軟件MCGS在單片機控制中的應(yīng)用實驗
1）步進電機控制實驗_總線控制
2）直流電機控制實驗_總線控制
3）工業(yè)順序控制實驗_位控制
4）數(shù)據(jù)采集實驗_總線控制
5）數(shù)據(jù)采集實驗_總線控制
6）數(shù)字電壓表實驗
7）液體混合控制實驗
8）交通燈控制實驗
5.7工業(yè)組態(tài)軟件和微控制器的接口編程實驗
六、實驗箱配置表
| 序號 | 名稱 | 說明 | 數(shù)量 |
| 1 | 嵌入式單片機實驗箱 | 含箱體、電源、STM32核心系統(tǒng)、實驗模塊電路。 | 1套 |
| 2 | 杜邦排線 | 8芯30cm | 4根 |
| 3 | 杜邦排線 | 5芯30cm | 3根 |
| 4 | 單根杜邦 | 40cm | 10根 |
| 5 | XH2.54排線 | 5芯12cm | 1根 |
| 6 | RS232串口通信線（2、3直通） | 1.5m（下載線） | 1根 |
| 7 | 交流電源線 | 1.5m | 1根 |
| 8 | 遙控器 | 1個 | |
| 9 | RS232串口通信線（2、3交叉） | 1.5m（配示波器模塊時要的示波器通信線） | 1根 |
| 10 | 配套軟件 | KEIL C 軟件和組態(tài)軟件各一張 | 1套 |
| 11 | 實驗指導書 | 1本 |