綜合電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)踐

劉靜波

（南京工程學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引 言

綜合電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)是讓學(xué)生綜合運(yùn)用模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電子線路CAD、傳感器應(yīng)用及單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行典型綜合電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)測，以加深對(duì)綜合電子設(shè)計(jì)的方法和技術(shù)的理解，提高學(xué)生綜合知識(shí)應(yīng)用的能力、分析解決問題的能力，培養(yǎng)電子技術(shù)實(shí)踐技能，能夠設(shè)計(jì)小的電子系統(tǒng)、調(diào)試電子系統(tǒng)，便于為學(xué)生以后的工作打下專業(yè)知識(shí)應(yīng)用基礎(chǔ)。該課程是電子信息工程專業(yè)大三年級(jí)下學(xué)期開設(shè)的一門實(shí)踐類教學(xué)課程，對(duì)于學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和自主創(chuàng)新能力，是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵[1]。

在此之前，學(xué)生雖然學(xué)習(xí)了上述提到的課程，但未形成整體的應(yīng)用意識(shí)，知識(shí)體系處于零散和碎片化狀態(tài)[2]，面對(duì)一般的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)往往不知所措，不知道如何分解任務(wù)、查找資料、科學(xué)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試等。如何把學(xué)到的各門課程通過一個(gè)應(yīng)用項(xiàng)目串接起來，囊括模擬和數(shù)字電子技術(shù)、信號(hào)處理、智能芯片應(yīng)用、傳感器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、I2C和SPI接口芯片類驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、電路板PCB設(shè)計(jì)，以及基于云平臺(tái)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問和控制等，這就需要選擇合適的應(yīng)用項(xiàng)目進(jìn)行項(xiàng)目化教學(xué)，以難度適中的電子系統(tǒng)項(xiàng)目為載體，通過對(duì)項(xiàng)目分析、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目調(diào)試、項(xiàng)目總結(jié)等方面進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。在此過程中，幫助學(xué)生把理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用能力結(jié)合起來，體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的理念[3-4]。

1 應(yīng)用項(xiàng)目綜合

綜合電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)選擇合適的項(xiàng)目作為載體，應(yīng)該體現(xiàn)綜合性。所謂綜合性，一方面是包含多門課程的知識(shí)，有效把多門課程組合串接起來，通過具體的項(xiàng)目實(shí)施，達(dá)到不同課程綜合應(yīng)用的能力，例如包含信號(hào)調(diào)理電路模塊、傳感器電路設(shè)計(jì)模塊、電路板PCB設(shè)計(jì)和智能芯片接口設(shè)計(jì)等；另一方面，綜合電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)大多是圍繞智能芯片的編程應(yīng)用，因此應(yīng)用項(xiàng)目綜合性還應(yīng)該考慮綜合利用智能芯片的資源，把各知識(shí)點(diǎn)貫穿其中，在實(shí)際應(yīng)用中，選擇STM32系列單片機(jī)作為首選智能芯片應(yīng)用。充分考慮STM32芯片的資源，制定應(yīng)用項(xiàng)目，融合STM32芯片的特點(diǎn)，把定時(shí)器（含PWM控制）、串口、A/D轉(zhuǎn)換、SPI和I2C接口、DMA功能、外中斷等應(yīng)用在其中體現(xiàn)。

讓學(xué)生通過具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)，具備根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)選擇正確的資源進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與應(yīng)用的能力。在實(shí)際教學(xué)中，初步制定幾個(gè)項(xiàng)目：基于STM32的音樂頻譜顯示系統(tǒng)、手勢和語音控制的智能臺(tái)燈控制系統(tǒng)、基于OneNET的多模式遠(yuǎn)程控制開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[5]、基于WiFi智能小車的遠(yuǎn)程溫濕度測量系統(tǒng)[6]、多功能桌面天氣時(shí)鐘顯示系統(tǒng)等。表1是各項(xiàng)目主要應(yīng)用知識(shí)的大致情況，其中的項(xiàng)目名稱以簡寫形式表示，遠(yuǎn)程開關(guān)控制、智能小車測量、桌面天氣時(shí)鐘結(jié)合了WiFi模塊遠(yuǎn)程控制的應(yīng)用，通過連接云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與控制。

表1 項(xiàng)目與應(yīng)用知識(shí)

2 應(yīng)用項(xiàng)目設(shè)計(jì)

培養(yǎng)學(xué)生具備一定的綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力是一個(gè)重要的方面，使學(xué)生具備設(shè)計(jì)綜合電子系統(tǒng)的基本素質(zhì)和能力，為學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。大部分學(xué)生雖然學(xué)習(xí)了相關(guān)課程，但是很難建立起整體應(yīng)用能力，不知道如何應(yīng)用所學(xué)知識(shí)去實(shí)現(xiàn)具體的項(xiàng)目。之前的實(shí)踐環(huán)節(jié)多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，缺少真正意義上的設(shè)計(jì)電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念[7]。

在綜合電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐中，按照項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)、電路硬件設(shè)計(jì)、軟件編程調(diào)試、系統(tǒng)整體測試等方面進(jìn)行任務(wù)分解，從而掌握綜合電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試的知識(shí)要點(diǎn)。其中，接到任務(wù)，進(jìn)行科學(xué)合理的方案設(shè)計(jì)是比較重要的，也是綜合電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的。方案設(shè)計(jì)的越合理，越有利于實(shí)現(xiàn)任務(wù)。方案設(shè)計(jì)不合理，或者盲目設(shè)計(jì)，只會(huì)事倍功半，甚至完全推翻浪費(fèi)時(shí)間。分析項(xiàng)目的任務(wù)，根據(jù)任務(wù)要求制定合理的方案，需要引導(dǎo)學(xué)生掌握知識(shí)要點(diǎn)。首先，學(xué)習(xí)資料的查詢和已有資源的利用，找到適合項(xiàng)目的資料，或者是項(xiàng)目中需要用到的底層資源，在此基礎(chǔ)上建立自己的應(yīng)用系統(tǒng)；其次，根據(jù)任務(wù)要求，分析需要哪些必要技術(shù)條件，查看自己的方案設(shè)計(jì)是否能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，要有目的性、具備合理性；最后，對(duì)自己設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行必要的總體評(píng)價(jià)，再對(duì)其進(jìn)行論證，在充分了解已有資源的前提下，考慮還有哪些技術(shù)條件需要進(jìn)一步研究。重視項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程，是完成項(xiàng)目的重要條件。

基于STM32的音樂頻譜顯示系統(tǒng)任務(wù)要求實(shí)現(xiàn)：當(dāng)有音頻信號(hào)時(shí)，顯示小于5 kHz音頻信號(hào)的256點(diǎn)頻譜顯示，無音頻信號(hào)輸入，則轉(zhuǎn)為日期時(shí)間顯示。DS18B20溫度測量顯示可添加進(jìn)系統(tǒng)，作為可選組成部分。圖1為系統(tǒng)框圖，結(jié)合系統(tǒng)框圖，根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)分析。

圖1 基于STM32的音樂頻譜顯示系統(tǒng)組成框圖

（1）STM32系列單片機(jī)因其資源豐富和足夠完善的庫函數(shù)應(yīng)用示例成為智能芯片的首選，特別是本項(xiàng)目會(huì)涉及A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。采用定時(shí)器觸發(fā)模式控制A/D轉(zhuǎn)換，定時(shí)器設(shè)定為2倍于5 kHz信號(hào)的采樣頻率（10 kHz），A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后采用DMA功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出，因此選擇STM32F103C8T6作為智能主控芯片。

（2）頻譜的種類分為LED點(diǎn)陣、OLED顯示屏或LCD液晶顯示，考慮到256點(diǎn)頻譜顯示，優(yōu)先選擇256×64分辨率的OLED作為顯示模塊，選擇3.12寸基于SSD1322驅(qū)動(dòng)的并口OLED顯示模組作為本系統(tǒng)顯示模塊。相比串行數(shù)據(jù)接口的顯示模塊[8-9]，該顯示模塊數(shù)據(jù)線D0～D7是并行數(shù)據(jù)方式讀寫數(shù)據(jù)，刷新速度快，顯示分辨率高；控制線分別是RD、RW、DC、RES、CS，系統(tǒng)中STM32F103C8T6的PB端口用以接入OLED模組，PB0～PB7接OLED的D0～D7，其余再分配控制線，滿足系統(tǒng)要求。

（3）音頻信號(hào)采集電路采用運(yùn)放電路設(shè)計(jì)，對(duì)麥克風(fēng)采集的音頻信號(hào)進(jìn)行放大。采用單電源供電的比例放大電路[8]，需要根據(jù)實(shí)際測試調(diào)整放大倍數(shù)。單電源供電的情況下，必須施加直流偏置，運(yùn)放輸出帶有2.5 V的直流電位，無負(fù)電壓產(chǎn)生，比較適合單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，但在程序里應(yīng)該考慮減去相應(yīng)數(shù)值。音頻采集電路還可以考慮加入二階有源低通濾波，截止頻率設(shè)置為5 kHz，選擇NE5532雙運(yùn)放，完成信號(hào)放大與有源低通電路設(shè)計(jì)。音頻信號(hào)采集送至STM32F103C8T6的PA0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

（4）STM32F103C8T6的PA11和PA12用作I2C接口，接入時(shí)鐘芯片DS3231和E2PROM芯片AT24C02，滿足系統(tǒng)顯示時(shí)間日期和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能。PA1接入DS18B20溫度傳感器，可測量顯示溫度數(shù)據(jù)。

（5）SPI接口接入FLASH芯片，可以顯示字庫數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)中文顯示。

（6）單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電源電路設(shè)計(jì)，按鍵和發(fā)光管指示設(shè)計(jì)，代碼下載接口設(shè)計(jì)。

軟件設(shè)計(jì)可以使用STM32F103單片機(jī)官方DSP 庫[9]，采用256 位FFT變換，匯編語言編寫代碼執(zhí)行效率高，使用時(shí)只要調(diào)用接口函數(shù)即可?？焖俑道锶~變換FFT底層應(yīng)用函數(shù)可以應(yīng)用到本系統(tǒng)中，系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，調(diào)用其接口函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算處理就可以得到256點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅度，因此把FFT底層函數(shù)嵌入到本系統(tǒng)中。軟件設(shè)計(jì)主程序可以兩種模式進(jìn)行控制，模式一是單一頻譜顯示，即持續(xù)顯示音樂頻譜；模式二是頻譜顯示和日期時(shí)間顯示自動(dòng)切換，主要思路是A/D轉(zhuǎn)換讀取音頻信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)檢測到有音頻信號(hào)輸入時(shí)，調(diào)用FFT函數(shù)得到頻譜數(shù)值并顯示，無音頻信號(hào)輸入時(shí)，顯示日期時(shí)間。這兩個(gè)模式用按鍵切換，系統(tǒng)主流程如圖2所示。

圖2 基于STM32的音樂頻譜顯示系統(tǒng)主流程

設(shè)計(jì)過程其實(shí)是軟硬件互相配合的過程，硬件方面的設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，首先保證其合理性，軟件設(shè)計(jì)需要花費(fèi)較多的時(shí)間，容易出現(xiàn)一些問題，學(xué)生在進(jìn)行綜合電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)中，一定要掌握必要的方法，特別是軟硬件結(jié)合的項(xiàng)目，優(yōu)先保證硬件系統(tǒng)的正確性，有利于軟件調(diào)試和系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)硬件電路部分從原理設(shè)計(jì)到實(shí)物制作比較容易忽視，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該注意分模塊對(duì)單片機(jī)部分、顯示部分、音頻放大部分進(jìn)行單獨(dú)測試，不同應(yīng)用項(xiàng)目需要不同的傳感器或信號(hào)處理單元，這需要區(qū)別對(duì)待并先進(jìn)行測試。軟件設(shè)計(jì)要采取分功能單元進(jìn)行測試，測試定時(shí)器觸發(fā)控制下的A/D轉(zhuǎn)換、DMA功能測試、OLED顯示模組驅(qū)動(dòng)、時(shí)鐘芯片和溫度傳感器測試等，單元功能軟件測試正確后再組合進(jìn)行系統(tǒng)測試。例如，定時(shí)器觸發(fā)控制下的A/D轉(zhuǎn)換，在無外接顯示的情況下，完全可以采用串口打印結(jié)果的方法，從而判斷A/D轉(zhuǎn)換是否有輸出，輸出結(jié)果是否符合預(yù)期，還可以隨時(shí)改變定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間，用以輔助判斷該部分功能是否正常。所有子單元模塊驗(yàn)證完成后，項(xiàng)目整體功能相對(duì)更容易實(shí)現(xiàn)。圖3所示為最后運(yùn)行時(shí)分別顯示的頻譜和日期時(shí)間。

圖3 兩種模式下分別顯示頻譜和日期時(shí)間

3 應(yīng)用項(xiàng)目拓展

表1列出的各個(gè)應(yīng)用項(xiàng)目，作為綜合電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)踐的組成部分，在設(shè)計(jì)時(shí)也考慮了拓展性。在設(shè)計(jì)時(shí)留出了數(shù)字接口，包括I2C和SPI接口，這些接口可以接多個(gè)傳感器和其他模塊。留出多個(gè)外接串口，例如多功能桌面天氣時(shí)鐘顯示系統(tǒng)采用STM32F103VET6，外接串口數(shù)量達(dá)到3組，進(jìn)一步拓展了功能，嘗試了接入語音識(shí)別模塊和語音播報(bào)模塊，根據(jù)不同的語音識(shí)別提示，播報(bào)顯示當(dāng)前天氣、現(xiàn)在時(shí)間等內(nèi)容。智能小車遠(yuǎn)程控制項(xiàng)目可以選擇不同的傳感器測量不同的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步拓展應(yīng)用功能。項(xiàng)目的拓展應(yīng)用有利于學(xué)生舉一反三，建立模塊化概念，以及建立多任務(wù)實(shí)現(xiàn)的可能性。

4 應(yīng)用項(xiàng)目總結(jié)

從應(yīng)用項(xiàng)目設(shè)計(jì)到最后調(diào)試完成，應(yīng)該有總結(jié)和分析的過程?？偨Y(jié)與分析包含兩個(gè)方面，首先是總結(jié)取得的成果與經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)軟硬件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為以后的設(shè)計(jì)做積累。分析出現(xiàn)的問題，以及如何解決問題，解決問題的過程中是否有收獲和體會(huì)，以及造成問題的原因。其次，總結(jié)綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一般方法，硬件電路的設(shè)計(jì)與制作方法，單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用模式與電路設(shè)計(jì)，只要是相同系列的單片機(jī)系統(tǒng)，就具有相同的單片機(jī)電路應(yīng)用結(jié)構(gòu)，這些逐步成為成熟的應(yīng)用而慢慢積累下來。軟件設(shè)計(jì)中，單總線、I2C、SPI、串口、A/D轉(zhuǎn)換、定時(shí)器（PWM控制）、DMA、外中斷等，每一個(gè)子模塊都可以保留并得到后續(xù)利用，應(yīng)該把這些軟件單元封裝為成熟的軟件包，不斷充實(shí)到自己的倉庫中去。表2是常用軟件接口和一些芯片對(duì)應(yīng)說明，包括存儲(chǔ)AT24C02、時(shí)鐘DS3231、外接A/D轉(zhuǎn)換AD7705（16位）、溫濕度HDC1080、FLASH存儲(chǔ)W25Q64和字庫芯片、語音識(shí)別模塊LD3320、智能語音SU-03T、手勢控制PAJ7620等。

表2 軟件接口與芯片示例

5 結(jié) 語

綜合電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)要求，通常包含模擬和數(shù)字電子技術(shù)應(yīng)用、傳感器應(yīng)用、單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用等重要單元，重點(diǎn)對(duì)基于STM32的音樂頻譜顯示系統(tǒng)作了詳細(xì)應(yīng)用設(shè)計(jì)分析，并根據(jù)自己的教學(xué)實(shí)踐總結(jié)了綜合電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的軟硬件知識(shí)。以若干個(gè)項(xiàng)目作為載體，進(jìn)行模塊化、項(xiàng)目化、推進(jìn)化教學(xué)實(shí)踐，在綜合性、設(shè)計(jì)性、拓展性等方面進(jìn)行了分析，以滿足實(shí)踐教學(xué)和啟發(fā)創(chuàng)新的要求，培養(yǎng)具備復(fù)合型、創(chuàng)新型、開放型知識(shí)與能力的應(yīng)用型人才[10]。項(xiàng)目化教學(xué)以完整的項(xiàng)目成果展示在學(xué)生面前，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的自主設(shè)計(jì)能力，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和解決問題的能力。之后應(yīng)該不斷優(yōu)化項(xiàng)目類型，設(shè)計(jì)并制定出不同方面的應(yīng)用項(xiàng)目，豐富教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力。