單片機通信技術實驗系統設計實現

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摘要：文章在STM32單片機的基礎上，明晰通信技術實驗系統的開發原則與功能模塊分布，此系統以“核心板+功能模塊”為設計核心，將STM32F103ZET6單片機最小系統設定為系統控制中心，并依次完成電源、輸入輸出、有線通信、無線通信以及信源編碼譯碼等模塊規劃，確保STM32單片機仿真與下載實驗的有效性。最終實驗結論表明，此系統集成度較高、覆蓋范圍較廣、適用性較為普及，能夠在多種實踐性系統與平臺的應用中進行推廣。

關鍵詞：STM32；模擬實驗；試驗系統；通信技術

1通信技術實驗系統設計原則

為設計實用性更強、擴展范圍更廣、性價比更高的實驗系統，明確以下開發原則。首先，明確“以芯為主，軟硬結合”的開發理念。通過設計輸入輸出模塊、有線與無線通信模塊、信源編譯碼模塊，保證普通通信試驗的正常運行。其次，明確“核心板+功能模塊”的設計方法。將價格偏貴的通信模塊安裝在PCB板的排座上，安裝在此處的目的在于：排座結構便于安裝與拆卸，能夠在其他系統中進行重復利用。最后，保證系統設備的小而精與內部資源的大而全。通過STM32單片機閑置口的排針引出，便于將其設定為母板，對其他外部設備進行有效控制，豐富實驗項目類型[1]。

2通信技術實驗系統結構組成

2.1STM32單片機最小系統

STM32單片機最小系統的構成元素包括STM32F103ZET6單片機、時鐘電路、復位電路、I/O擴展接口以及JTAG接口共同組成。STM32F103ZET6單片機是32位微控制器，能夠接受JTAG與SWD的調試；時鐘電路的晶振頻率是8MHz；復位電路中具有按鍵復位與上電復位；I/O擴展接口負責將閑置的I/O口進行引出，便于與其他設備的連接；JTAG接口的作用是為STM32單片機下載固件，同時也能對程序進行調試。

2.2輸入輸出模塊

系統中輸入輸出模塊的設計視為了完成人機交互作業，其中包含平面轉換、屏幕接口、LED流水燈、獨立按鍵以及蜂鳴器，通過以上裝備的組裝，能夠實現按鍵與觸摸輸入，聲、光輸出。IPS觸摸屏接口主要安裝于LCD彩色屏幕上，就有快速響應、視角寬闊、色彩逼真、綠色環保等特點。

2.3有線通信模塊

有線通信模塊由串行通信電路、以太網接口、CAN收發器以及溫濕度傳感器構建而成。串行通信電路利用CH340G芯片完成TTLUART串行總線的轉變，且通過USART1端口與計算機連接；以太網接口主要用來安裝連接以太網模塊，通過SPI1將STM32單片機與以太網模塊接口進行連接，其中，單片機屬于主設備，其他通信模塊屬于副設備；CAN接收器的關鍵組成部分是高速CAN收發器TJA1042，能夠連接控制器與物理總線，并具備接收與發送功能；溫濕度傳感器中最關鍵的核心元件是濕敏電容數字溫濕度芯片，傳感器能夠對周圍環境濕度與溫度進行測量，實現單總線通信試驗。

2.4無線通信模塊

無線通信模塊是由RFID接口、Wi-Fi接口、藍牙接口、紅外接收電路、無線通信接口以及GPRS+GPS接口共同組成。其中，RFID接口采用的是MFRC522模塊，此模塊的內部安裝了讀寫卡芯片RC522，利用SPI1端口和RFID模塊，STM32能夠實現短距離通信試驗；Wi-Fi接口內部所應用的關鍵性元件是由樂鑫公司產出的ESP8266EX，通過USART2端口，將STM32單片機與核心元件進行連接，實現網絡或移動終端的連接；藍牙接口是建立在HC-05藍牙模塊的基礎上，應用性能優良，屬于一體式的藍牙串口模型，通過USART3端口，將STM32單片機與藍牙串口模塊相連接，實現智能終端設備的數據傳遞與交換；紅外接收頭電路是建立在一體化接收頭1838T的基礎上，通過PG9，將STM32單片機與紅外接收頭的I/O端頭相互連接，完成軟件系統的解碼實驗；無線通信接口是建立在nRF24L01短距離無線通信模塊的基礎上，關鍵性元件是Nordic公司制造出的射頻收發器，型號為nRF24L01，其頻射范圍在2.4GHz-2.5GHz之間。通過SPI1端口，將STM32單片機與無線模塊進行連接，以此實現對無線模塊的有效調控；GPRS+GPS接口是建立在GPRS+GPSA7模塊的基礎上，通過USART4端口與USART5端口，將STM32單片機與此模塊進行連接，就能夠實現移動終端設備的信息傳送、上網、定位等試驗[2]。

2.5信源編譯碼模塊

信源編碼、譯碼模塊中包含模數轉換輸入、輸出電路。其中，輸入電路是一個多圈電位器阻抗值在10kΩ，輸入電路將3.3V的電壓進行分壓處理，之后再傳輸至STM32單片機的引腳處，通過STM32單片機的數模轉換器，將模擬信號轉化為數字信號；輸出電路同樣是通過STM32單片機傳輸至相應的引腳后，生成模擬信號，之后再將模擬信號轉化為數字信號，將輸出電路所連接的引腳與LED相連，通過LED的亮度變化，明確電壓的實際大小，此方法同樣適用于輸出信號波形監測。

2.6電源模塊

電源模塊的主要構成元件是電源接口與MP2303ADN-LF-Z。當實驗任務對模塊數量要求不高、所需電流不超過0.5A時，可以直接將計算機中的USB電源作為通信技術實驗系統的供電方；當實驗工作使用模塊較多，且工作點電流大于0.5A，則通過5V直流電源進行供電。由于STM32單片機的工作電流通常都需要3.3V供電。因此，使用轉換效率較高的電源轉換器，實現直流電壓由5V到3.3V的轉換。PCB板功能模塊的具體分布結構如圖1所示。

3實驗系統及其應用成效

3.1實驗系統

ST-LINK/V2仿真器是用于評估、建設STM8及STM32的一款開發工具，具有在線模擬與下載功能。通信技術實驗系統工作模式如圖2所示。STM32單片機利用JTAG接口與ST-LINK/V2仿真器相連，ST-LINK/V2與計算機相連，在計算機中運行相關軟件，能夠進行編程功能，展開仿真或下載工作。同時，應定期監查I/O口連接狀態與變量數據的變化。

3.2應用成效

首次，此系統能夠輔助使用者學習有線通信、無線通信以及編碼譯碼；其次，應用于STM32單片機、嵌入式系統的教學，此系統的關鍵核心就是STM32F103ZET6單片機，它不僅能夠完成基礎性的通信技術實驗，還能將其他系統進行添加，實現綜合性的嵌入式通信技術系統實驗；最后，此系統具有較強的應用性與擴展性。將系統中閑置I/O口進行拆卸重組，可以使系統具有其他應用功能。拆卸重組后的STM32單片機可以有效控制其他設備，實現實驗項目的擴展。

4結語

此通信技術實驗系統能夠有效輔助學生對單片機、物聯網、移動智能通信等技術展開實踐性學習，培養學生的科技創新能力。通過明晰STM32單片機的模塊構成及其相關功能，完善學生對通信技術實驗系統的認知，并在此基礎上，結合試驗系統進行其他實驗項目的學習。

參考文獻

[1]樓順天,龐斯琪,李明昱.基于物聯網的單片機創新實驗系統設計[J].電子科技,2020,33(11):1-6+23.

[2]文灝.無線通信技術在單片機通信系統中的應用[J].信息記錄材料,2020,21(05):198-199.

作者：李麗榮 薄立康 單位：邢臺職業技術學院