“总线架构”嵌入式综合教学实验平台

图1 “总线架构”嵌入式综合教学实验平台实物图

“总线架构”嵌入式综合教学实验平台是一种基于总线架构构建的开放式、模块化、可扩展的嵌入式综合教学实验系统。该系统基于Cortex-M4内核的32位ARM处理器STM32F407进行研制，可以支撑《单片机设计》、《微机原理与接口》、《嵌入式操作系统》、《总线技术及应用》、《计算机控制技术》、《检测技术与传感器》等多门课程的课程实验。用户可根据自己的需求，参照统一的接口定义，选择或设计各类功能子板，以进行更为灵活的教学实验。除此之外，实验平台还可以通过USB转RS485或USB转CAN模块与外部工业控制计算机进行通讯。在相应计算机平台上，进行上位机编程教学实验设计，如开展LabView软件应用、Visual C++编程设计等实验教学。

“总线架构”嵌入式综合教学实验平台采用开放式、模块化、可扩展原则进行系统设计。整个系统采用三层分布式结构，其整体架构如图2所示。

图2 “总线架构”嵌入式综合教学实验平台系统架构

其中上层由PC机或工控机构成，中间层由嵌入式主节点组成，底层则为嵌入式从节点构成的测控智能单元。嵌入式主节点与嵌入式从节点采用统一的硬件设计，并以“主1从3”的形式组合构成实验子系统。上层PC/工控机通过USB协议转换模块实现与实验子系统主节点的总线连接，可以支持LabView软件应用、Visual C++编程设计等课程的实验教学。实验子系统各总线节点硬件组成全部开放，统一固定安装在多孔网板上，各总线节点之间连线均布置于多孔网板前面板上，并以“主上从下”的形式进行排列，以便学生能够对总线节点内部组成有清晰的直观认知。

“总线架构”嵌入式综合教学实验平台的核心部件是各总线节点。对于单一的总线节点，将采取子母板的结构形式进行设计。母板设计成紧凑的单片机实验系统，也称为基板。子板则根据课程不同、实验不同通过统筹规划设计成不同功能的功能板。两者之间通过层叠插装的形式进行连接。当进行不同实验时，只需进行相应功能子板的更换。而对于基板而言，当技术发展需要采取新的硬件器件时，可以仅更换基板，达到整体实验平台性能升级的目的。

“总线架构”嵌入式综合教学实验平台下属总线节点的结构与接口采用标准化设计。一方面在使用过程中，便于根据不同课程的不同实验内容进行快速更换；另一方面，对于整个实验平台的维护而言也增加便捷性，当其中某个总线节点故障时，可以通过更换备用总线节点或功能模块组件进行迅速修复。另外，由于总线节点结构及内部接口设计标准化，“总线架构”嵌入式综合教学实验平台可以很方便地进行功能扩展及节点扩展。如增加相应总线接口的测试与控制模块节点，就可以针对控制类专业课程实验进行应用；增加相应总线接口的电力电子模块节点，就可以针对电气类专业进行应用。学生也可以自制规范接口的节点模块，与整个总线系统相连，验证设计的有效性，从而支撑本科创新实验、课程设计与毕业设计需求。

平台目前主要支撑单片机技术基础类实验、嵌入式操作系统类实验、总线类扩展实验，后续如经过持续开发（扩展板开发）还可支撑的实验类型如图3所示。其中，对于单片机应用课程，实验侧重于各基本应用功能的编程与学习，如GPIO功能实验、LED流水灯实验、中断功能实验、AD/DA实验、串口通讯实验等。在此基础上，对于嵌入式系统课程，则侧重于嵌入式操作系统的原理编程与学习；对于检测技术与传感器，通过扩展板实现各类型传感器的应用与学习；对于总线技术与应用，侧重于多节点通讯编程与学习；对于计算机控制技术，则侧重于控制与滤波算法学习与应用。

图3 平台支撑实验类型