蔡妍娜
（無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無錫 214028）
摘要：設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了“學(xué)生易學(xué)，老師易評”的電路維修智能教輔系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32處理器為核心，實(shí)現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)的采集、A/D轉(zhuǎn)換和存儲，應(yīng)用基于BC417芯片構(gòu)成的藍(lán)牙模塊對信號進(jìn)行無線傳輸，用Android手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲顯示并引導(dǎo)學(xué)習(xí)?；贓clipse開發(fā)手機(jī)軟件，內(nèi)置兩種故障排除模式。使用結(jié)果表明，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計要求，具有簡易、智能、有趣、低價的特征。
關(guān)鍵詞：教學(xué)輔助；智能手機(jī)；藍(lán)牙；STM32F103
中圖分類號：TP274；TN925文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.06.009
引用格式：蔡妍娜. 基于ARM CortexM3的電路維修智能教輔系統(tǒng)的研制［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（6）：26-28.
0引言
電路故障的檢測與維修是電子實(shí)訓(xùn)的教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)，主要使用萬用表來進(jìn)行檢測。學(xué)生能力強(qiáng)弱不均，很難把印制板實(shí)物和電路原理圖上的測試點(diǎn)建立直觀聯(lián)系。而且以往老師只能對學(xué)生是否修復(fù)電路做出成果性評價，不能科學(xué)地對學(xué)生排故能力做過程性評價。
為解決上述問題，本文從“學(xué)生易學(xué)，老師易評”的角度出發(fā)，基于STM32處理器和智能手機(jī)，研制新型教輔系統(tǒng)，使學(xué)生可以選擇不同的難度模式進(jìn)行學(xué)習(xí)，軟件能幫助學(xué)生建立測量點(diǎn)與電路圖之間的思維聯(lián)系，使老師能夠獲得學(xué)生故障檢修與測量的過程數(shù)據(jù)，為實(shí)訓(xùn)成績的評定提供數(shù)據(jù)支持。
1總體設(shè)計方案
隨著時代的發(fā)展，智能手機(jī)已經(jīng)在學(xué)生中普及開來，作為信息傳播的新媒介，其作用毋庸置疑。能否讓手機(jī)作為一個鏈接工具，參與到教學(xué)活動中來呢？這就是本系統(tǒng)功能需求的設(shè)計初衷，主要解決以下幾個問題：
（1）簡易：安裝簡便，直接替換萬用表的表棒就能完成安裝。
?。?）智能：在測量過程中，系統(tǒng)能智能記錄檢測點(diǎn)的參數(shù)與測試點(diǎn)的順序，為評價檢測過程提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
?。?）有趣：手機(jī)應(yīng)用中提供相應(yīng)的難度等級選項(xiàng)，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)能力進(jìn)行選擇，在保證絕大多數(shù)學(xué)生能完成任務(wù)的同時，提高學(xué)習(xí)的趣味性。
?。?）低價：成本小，易于推廣。
系統(tǒng)包括硬件檢測電路和手機(jī)教輔軟件兩大部分，硬件檢測電路主要包括核心控制模塊（含A/D轉(zhuǎn)換）、電源電路、藍(lán)牙模塊，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。
系統(tǒng)選用了STM32F103RBT6芯片作為主控芯片［1］。通過芯片自帶的12位高精度A/D對待檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行高速A/D采集，其采集參數(shù)通過DMA通道送入ARM芯片內(nèi)置的1 KB高速內(nèi)部RAM中。通過主控芯片進(jìn)行數(shù)字濾波后，把得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過藍(lán)牙模塊上傳至Android智能手機(jī)，與手機(jī)端的故障排除助手APP協(xié)同工作。
2硬件設(shè)計
2.1電路主控核心及A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)
從設(shè)計需求考慮，希望主控芯片資源豐富、盡可能地減少外圍元器件，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小型化，同時要具備相當(dāng)強(qiáng)的處理能力，能緩存A/D數(shù)值并通過藍(lán)牙上傳。為此選定意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RBT6芯片作為控制核心，采用高性能ARM CortexTMM3 32位RISC內(nèi)核，最高可在72 MHz的頻率操作［2］。采用內(nèi)部振蕩，電路最小系統(tǒng)只需搭建最簡單的復(fù)位操作，復(fù)位信號從NRST引腳輸出。
使用內(nèi)部12位A/D轉(zhuǎn)換，由于待檢測的電路電壓最大為12 V，超出A/D轉(zhuǎn)換的量程范圍，使用高精度電阻電路進(jìn)行分壓后再送入主控芯片［3］。采集到的數(shù)據(jù)通過DMA通道傳遞到內(nèi)部RAM中。
2.2電源管理
從便攜和靈活操作需求出發(fā)，整體電路與萬用表表棒一般大小，手持檢測設(shè)備配備鋰電池對系統(tǒng)供電，根據(jù)需要提供3.3 V的電源。
鋰電池向電路供電時，通過XC6206電壓調(diào)制器輸出穩(wěn)定的3.3 V電壓，供給系統(tǒng)工作。在每路電源引線處都并聯(lián)一個104的電容用于消除電源的高頻干擾。對鋰電池進(jìn)行充電時，通過芯片TP4057完成，單節(jié)鋰電池充滿時電壓固定于4.2 V，由于芯片具有防倒充功能［4］，因此外部元件簡單、不需要另加隔離二極管和檢測電阻器。將高電位通過按鍵引到主控芯片的PA0管腳，可以在待機(jī)狀態(tài)下按下按鍵快速喚醒系統(tǒng)，并通過程序?qū)存I信號送出作為參數(shù)記錄標(biāo)記。
2.3藍(lán)牙通信電路
操作采集并存儲的數(shù)據(jù)要上傳到智能手機(jī)，都在同一個操作臺，屬于短距離的無線通信，藍(lán)牙技術(shù)功耗低且傳輸快，最為適用。本設(shè)計選用CSR公司的BC417芯片［5］，硬件電路如圖2所示。由于整個系統(tǒng)通過鋰電池供電，為了盡可能降低整體功耗，3.3 V電源不直接供給藍(lán)牙芯片，而是由STM32主控芯片的PA8來控制，當(dāng)需要啟動藍(lán)牙通信時，PA8輸出低電平，三極管Q2導(dǎo)通，藍(lán)牙芯片獲得工作電壓，并與主控芯片共地，開始工作。發(fā)送引腳TX與主控芯片的PA10/RX相連，接收引腳RX與主控芯片的PA9/TX相連，將主控芯片中A/D采集并存儲的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳送給智能手機(jī)。
3軟件設(shè)計
3.1電路檢測端STM32內(nèi)部程序
使用KeilμVision4 IDE開發(fā)平臺，用C語言設(shè)計完整的程序。程序流程如圖3所示，主程序中首先完成系統(tǒng)的上電初始化，之后按照藍(lán)牙發(fā)送、A/D采樣、休眠計時的順序工作。與智能手機(jī)進(jìn)行藍(lán)牙連接，將采集并儲存的數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)，然后繼續(xù)采集存儲，在有檢測操作的情況下，循環(huán)進(jìn)行藍(lán)牙發(fā)送、A/D采樣步驟，如果3分鐘內(nèi)一直沒有采集工作，則進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到被休眠喚醒電路喚醒。
3.2手機(jī)端故障排除助手軟件
使用Eclipse平臺開發(fā)安卓上位機(jī)軟件［6］。手機(jī)端軟件開啟后，先通過藍(lán)牙與手持設(shè)備進(jìn)行連接。而后通過選擇界面讓學(xué)生選擇故障排除模式，軟件內(nèi)置兩種故障排除模式。具體軟件流程如圖4所示。
?。?）自由模式
適用于專業(yè)能力較弱的學(xué)生，自主選擇測試點(diǎn)，軟件直接接收手持設(shè)備測量的各項(xiàng)物理參數(shù)，并將其顯示在軟件界面上；學(xué)生根據(jù)測試數(shù)據(jù)自主判斷電路故障位置，進(jìn)行維修。
?。?）引導(dǎo)模式
適用于專業(yè)能力較強(qiáng)的學(xué)生，先選擇待測設(shè)備的故障現(xiàn)象，通過軟件算法分析可能的故障位置，引導(dǎo)學(xué)生使用手持檢測設(shè)備對其進(jìn)行檢測。測試結(jié)果與軟件中存儲的正確數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。若檢測結(jié)果在正常范圍之內(nèi)，則繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生檢測下一可能故障位置。若檢測結(jié)果不在范圍內(nèi)則縮小故障范圍直至找到故障點(diǎn)。
4數(shù)據(jù)濾波
為確保檢測電壓轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，A/D采樣程序中采用了均值濾波算法，通過對實(shí)時檢測的A/D值進(jìn)行濾波，最終獲得平滑穩(wěn)定的A/D采樣數(shù)據(jù)。主要代碼如下：
void DataTransfer(u32 *p)
{
u32 AdcChannel1=0;
u8 i;
for(i=0;i<128;i++)
{
AdcChannel1+=ADC_ConvertedValue［i］;
}
*p=AdcChannel1;
}
5結(jié)論
為有效地教會學(xué)生看懂電路原理圖和使用排故流程圖，并幫助老師收集學(xué)生維修檢測的過程數(shù)據(jù)，研制了本電路維修輔助教學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)行了實(shí)踐教學(xué)對比實(shí)驗(yàn)，對比結(jié)果如表1所示。對比驗(yàn)證結(jié)果表明，使用本系統(tǒng)后，學(xué)生針對不同種類的故障排故用時都有明顯的縮短，全體學(xué)生的維修成功率得到顯著提升。系統(tǒng)符合設(shè)計目的，手機(jī)APP開啟后，通過藍(lán)牙與手持設(shè)備進(jìn)行連接，選擇故障排除模式。使用手持檢測設(shè)備進(jìn)行故障檢測，ARM芯片與藍(lán)牙發(fā)送模塊協(xié)同工作，手機(jī)軟件直接接收到手持設(shè)備測量的各項(xiàng)物理參數(shù)，并在屏幕上正常顯示，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步操作。
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