蔡妍娜
（無錫機電高等職業技術學校，江蘇 無錫 214028）
摘要：設計并實現了“學生易學，老師易評”的電路維修智能教輔系統。該系統以STM32處理器為核心，實現了檢測數據的采集、A/D轉換和存儲，應用基于BC417芯片構成的藍牙模塊對信號進行無線傳輸，用Android手機進行數據存儲顯示并引導學習。基于Eclipse開發手機軟件，內置兩種故障排除模式。使用結果表明，系統達到了設計要求，具有簡易、智能、有趣、低價的特征。
中圖分類號：TP274；TN925文獻標識碼：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的研制［J］.微型機與應用，2017,36（6）：26-28.
0引言
電路故障的檢測與維修是電子實訓的教學重點與難點，主要使用萬用表來進行檢測。學生能力強弱不均，很難把印制板實物和電路原理圖上的測試點建立直觀聯系。而且以往老師只能對學生是否修復電路做出成果性評價，不能科學地對學生排故能力做過程性評價。
為解決上述問題，本文從“學生易學，老師易評”的角度出發，基于STM32處理器和智能手機，研制新型教輔系統，使學生可以選擇不同的難度模式進行學習，軟件能幫助學生建立測量點與電路圖之間的思維聯系，使老師能夠獲得學生故障檢修與測量的過程數據，為實訓成績的評定提供數據支持。
1總體設計方案
隨著時代的發展，智能手機已經在學生中普及開來，作為信息傳播的新媒介，其作用毋庸置疑。能否讓手機作為一個鏈接工具，參與到教學活動中來呢？這就是本系統功能需求的設計初衷，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。
（2）智能：在測量過程中，系統能智能記錄檢測點的參數與測試點的順序，為評價檢測過程提供數據依據。
（3）有趣：手機應用中提供相應的難度等級選項，學生可以根據自己的學習能力進行選擇，在保證絕大多數學生能完成任務的同時，提高學習的趣味性。
（4）低價：成本小，易于推廣。
系統包括硬件檢測電路和手機教輔軟件兩大部分，硬件檢測電路主要包括核心控制模塊（含A/D轉換）、電源電路、藍牙模塊，整體結構設計如圖1所示。
系統選用了STM32F103RBT6芯片作為主控芯片［1］。通過芯片自帶的12位高精度A/D對待檢測數據進行高速A/D采集，其采集參數通過DMA通道送入ARM芯片內置的1 KB高速內部RAM中。通過主控芯片進行數字濾波后，把得到的數據經過藍牙模塊上傳至Android智能手機，與手機端的故障排除助手APP協同工作。
2硬件設計
2.1電路主控核心及A/D轉換的實現
從設計需求考慮，希望主控芯片資源豐富、盡可能地減少外圍元器件，使系統實現小型化，同時要具備相當強的處理能力，能緩存A/D數值并通過藍牙上傳。為此選定意法半導體公司的STM32F103RBT6芯片作為控制核心，采用高性能ARM CortexTMM3 32位RISC內核，最高可在72 MHz的頻率操作［2］。采用內部振蕩，電路最小系統只需搭建最簡單的復位操作，復位信號從NRST引腳輸出。
使用內部12位A/D轉換，由于待檢測的電路電壓最大為12 V，超出A/D轉換的量程范圍，使用高精度電阻電路進行分壓后再送入主控芯片［3］。采集到的數據通過DMA通道傳遞到內部RAM中。
2.2電源管理
從便攜和靈活操作需求出發，整體電路與萬用表表棒一般大小，手持檢測設備配備鋰電池對系統供電，根據需要提供3.3 V的電源。
鋰電池向電路供電時，通過XC6206電壓調制器輸出穩定的3.3 V電壓，供給系統工作。在每路電源引線處都并聯一個104的電容用于消除電源的高頻干擾。對鋰電池進行充電時，通過芯片TP4057完成，單節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，可以在待機狀態下按下按鍵快速喚醒系統，并通過程序將按鍵信號送出作為參數記錄標記。
2.3藍牙通信電路
操作采集并存儲的數據要上傳到智能手機，都在同一個操作臺，屬于短距離的無線通信，藍牙技術功耗低且傳輸快，最為適用。本設計選用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電源不直接供給藍牙芯片，而是由STM32主控芯片的PA8來控制，當需要啟動藍牙通信時，PA8輸出低電平，三極管Q2導通，藍牙芯片獲得工作電壓，并與主控芯片共地，開始工作。發送引腳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采集并存儲的數據通過藍牙傳送給智能手機。
3軟件設計
3.1電路檢測端STM32內部程序
使用KeilμVision4 IDE開發平臺，用C語言設計完整的程序。程序流程如圖3所示，主程序中首先完成系統的上電初始化，之后按照藍牙發送、A/D采樣、休眠計時的順序工作。與智能手機進行藍牙連接，將采集并儲存的數據發送給手機，然后繼續采集存儲，在有檢測操作的情況下，循環進行藍牙發送、A/D采樣步驟，如果3分鐘內一直沒有采集工作，則進入休眠狀態，直到被休眠喚醒電路喚醒。
3.2手機端故障排除助手軟件
使用Eclipse平臺開發安卓上位機軟件［6］。手機端軟件開啟后，先通過藍牙與手持設備進行連接。而后通過選擇界面讓學生選擇故障排除模式，軟件內置兩種故障排除模式。具體軟件流程如圖4所示。
（1）自由模式
適用于專業能力較弱的學生，自主選擇測試點，軟件直接接收手持設備測量的各項物理參數，并將其顯示在軟件界面上；學生根據測試數據自主判斷電路故障位置，進行維修。
（2）引導模式
適用于專業能力較強的學生，先選擇待測設備的故障現象，通過軟件算法分析可能的故障位置，引導學生使用手持檢測設備對其進行檢測。測試結果與軟件中存儲的正確數據進行比對。若檢測結果在正常范圍之內，則繼續引導學生檢測下一可能故障位置。若檢測結果不在范圍內則縮小故障范圍直至找到故障點。
4數據濾波
為確保檢測電壓轉換數據的準確性，A/D采樣程序中采用了均值濾波算法，通過對實時檢測的A/D值進行濾波，最終獲得平滑穩定的A/D采樣數據。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結論
為有效地教會學生看懂電路原理圖和使用排故流程圖，并幫助老師收集學生維修檢測的過程數據，研制了本電路維修輔助教學系統，進行了實踐教學對比實驗，對比結果如表1所示。對比驗證結果表明，使用本系統后，學生針對不同種類的故障排故用時都有明顯的縮短，全體學生的維修成功率得到顯著提升。系統符合設計目的，手機APP開啟后，通過藍牙與手持設備進行連接，選擇故障排除模式。使用手持檢測設備進行故障檢測，ARM芯片與藍牙發送模塊協同工作，手機軟件直接接收到手持設備測量的各項物理參數，并在屏幕上正常顯示，引導學生進一步操作。
參考文獻
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