王娟

摘要：針對當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中實驗難以開展、缺乏創(chuàng)新等問題，提出了在Proteus和Keil開發(fā)工具下，選用ARM7內(nèi)核的LPC2138微控制器設(shè)計了一套嵌入式系統(tǒng)虛擬實驗平臺。該平臺包含了最小系統(tǒng)、匯編語言、GPIO、外部中 斷、Timer、SPI、12C、UART、ADC、WDT、PWM、RTC、LCD、UC/OS-II操作系統(tǒng)等1 4個實驗?zāi)K，并以ADC實驗?zāi)K為例演示了平臺的仿真實現(xiàn)效果，最后總結(jié)了實驗平臺建設(shè)的實際意義。實踐表明，該虛擬實驗平臺應(yīng)用于教學(xué)后，突破了時空的局限，提高了學(xué)生的動手能力，教學(xué)效果顯著。

【關(guān)鍵詞】嵌入式系統(tǒng) 開放型 虛擬實驗平臺

嵌入式課程是電子信息類專業(yè)的一門核心課程，具有理論學(xué)習(xí)難度大、實踐操作性強(qiáng)等特點。隨著現(xiàn)代計算機(jī)仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，在嵌入式課程的實驗教學(xué)中采用仿真軟件進(jìn)行虛擬實驗己變得非常普遍。國內(nèi)外已經(jīng)有不少大學(xué)對這方而進(jìn)行了研究，主要是利用計算機(jī)仿真技術(shù)實現(xiàn)實驗內(nèi)容、完成實驗操作。虛擬實驗在嵌入式課程體系教學(xué)中的應(yīng)用，也取得了一些成果。如何結(jié)合自己的教學(xué)實際，設(shè)計一套性能穩(wěn)定良好的嵌入式系統(tǒng)虛擬實驗平臺，使學(xué)生真正對課程感興趣、更全而的提高學(xué)生的動手實踐技能，就成了一個亟待解決的問題。

1 嵌入式實驗教學(xué)存在的問題

1.1 實驗教學(xué)難以開展

對于嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等開放教學(xué)模式來說，受空問和時問等因素的影響，很難開展實驗教學(xué)，學(xué)生沒有辦法動手操作直接參與實驗。而對于傳統(tǒng)的而授教學(xué)來說，雖大部分院校配備有相關(guān)的配套實驗箱，但ARM實驗箱價格較為昂貴，所以課程的實體實驗資源非常有限，實驗需要分批、分時進(jìn)行，當(dāng)然，還有部分院校因?qū)嶒灄l件和資金的限制，根本不具備實驗的條件，只能單純進(jìn)行理論教學(xué)。缺乏了實驗教學(xué)的輔助作用，大大增加了ARM嵌入式教學(xué)的難度。

1.2 實驗教學(xué)缺乏創(chuàng)新

目前，課程的實驗教學(xué)一般采用驗證性實驗?zāi)Ｊ剑瑢嶒瀮?nèi)容較為單一。學(xué)生一般在老師的指導(dǎo)下，按照實驗手冊進(jìn)行簡單接線，然后直接將編寫好的程序下載到芯片中，觀察實驗現(xiàn)象，機(jī)械被動地進(jìn)行實驗操作。學(xué)生做完了實驗，只能做到實驗結(jié)果的表象認(rèn)知，缺乏“從概念到產(chǎn)品”的系統(tǒng)訓(xùn)練，對于嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計并沒有深入的學(xué)習(xí)體會。

2 虛擬實驗平臺設(shè)計

為了有效加強(qiáng)課程實驗內(nèi)容的深度，提高學(xué)生綜合運用知識的能力，適應(yīng)市場的變化，在借鑒前人成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合筆者的實際教學(xué)經(jīng)驗，采用仿真軟件Proteus和編程工具Keil，設(shè)計完成了一套適用于開放型教學(xué)的虛擬實驗平臺。本虛擬實驗平臺采用基于ARM7內(nèi)核的LPC2138微控制器作為核心控制芯片，共包括14個實驗?zāi)K，除“匯編語言實驗?zāi)K”外，其他模塊均采用C語言實現(xiàn)軟件程序的編寫，并且，在完成基本實驗要求的基礎(chǔ)上，學(xué)生可自行設(shè)計程序并修改。設(shè)計完成的適用于開放型教學(xué)的虛擬實驗平臺如圖l所示。

2.1 最小系統(tǒng)實驗?zāi)K

最小系統(tǒng)實驗?zāi)K包括LPC2138微控制器，3.3V供電電路，復(fù)位電路和時鐘電路，其中時鐘電路采用振蕩模式產(chǎn)生時鐘信號。通過學(xué)習(xí)可幫助學(xué)生理解最小系統(tǒng)的概念和組成部分。

2.2 匯編語言實驗?zāi)K

通過一個簡單的ARM匯編程序?qū)崿F(xiàn)兩個寄存器的循環(huán)相加?？勺寣W(xué)生了解有關(guān)ARM匯編指令格式、程序結(jié)構(gòu)和基本風(fēng)格。

2.3 輸入輸出（GPIO）實驗?zāi)K

采用引腳分別連接1個按鍵輸入和1個蜂鳴器及1個LED輸出，完成最基本的GPIO輸入輸出控制。當(dāng)按鍵按下的情況下，蜂鳴器響，LED發(fā)光二極管滅；當(dāng)按鍵松開的情況下，蜂鳴器不響，LED發(fā)光二極管亮。為了和定時器實驗?zāi)K中的定時功能進(jìn)行對比學(xué)習(xí)，本實驗?zāi)K中的延時功能采用for循環(huán)語句實現(xiàn)。

2.4 外部中斷實驗?zāi)K

輸出元件采用1個蜂鳴器、2個發(fā)光二極管，輸入元件采用1個按鍵模擬外部中斷信號。正常狀態(tài)下，2個發(fā)光二極管依次循環(huán)點亮，按下按鍵，檢測到中斷信號，進(jìn)而執(zhí)行中斷處理函數(shù)，執(zhí)行完畢后，再返回主函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行發(fā)光二極管的點亮任務(wù)，模擬中斷流程。

2.5 定時器（Timer）實驗?zāi)K

主要使用定時器1實現(xiàn)比較匹配輸出控制LED閃爍，并采用四通道虛擬示波器的A端口檢測輸出信號的波形。為了讓學(xué)生熟悉示波器的使用以及各種信號的比較學(xué)習(xí)，虛擬示波器的B、C、D端口分別輸入脈沖信號、時鐘信號和正弦信號三種信號源。

2.6 SPI實驗?zāi)K

采用串入并出顯示驅(qū)動芯片74HC595控制1個LED數(shù)碼管循環(huán)顯示O-F字符。通過學(xué)習(xí)可掌握全雙工同步串行接口SPI的工作原理、SPI的接口電路連接和LED數(shù)碼管顯示的編程控制方法。

2.7 I²C實驗?zāi)K

主要是通過操作帶I²C接口的存儲芯片F(xiàn)M24C02完成，F(xiàn)M24C02是2048位的串行電可擦除只讀存儲器，內(nèi)部有256個字節(jié)。該實驗?zāi)K主要是實現(xiàn)向該存儲芯片中寫入10字節(jié)數(shù)據(jù)，然后讀回數(shù)據(jù)，并判斷是否正確。讓學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握設(shè)置I2C引腳連接、I2c時鐘頻率、主機(jī)發(fā)送起始信號、發(fā)送從機(jī)地址和判斷總線狀態(tài)等方法。

2.8 UART實驗?zāi)K

通過串行接口UARTO輸出字符串，輸出字符串可通過編程控制，采用虛擬終端接收并顯示，同時采用虛擬串行接口器件COMPIM，向上位機(jī)PC發(fā)送該字符串，并且使PC終端顯示收到字符串，實現(xiàn)微控制器芯片與上位機(jī)PC的通信。

2.9 ADC實驗?zāi)K

主要通過可調(diào)電阻改變輸入引腳的電壓提供模擬量輸入，實驗平臺通過ADC對模擬量外部輸入電壓進(jìn)行AD采樣轉(zhuǎn)換，并把結(jié)果轉(zhuǎn)換成電壓值，然后發(fā)送到串行接口UARTO，結(jié)合UART實驗?zāi)K中的虛擬終端進(jìn)行顯示。endprint

2.10 WDT實驗?zāi)K

看門狗定時器實驗?zāi)K開始主要先控制4個LED發(fā)光二極管循環(huán)閃爍8次，期問不斷進(jìn)行喂狗處理，然后只點亮其中1個LED發(fā)光二極管，并進(jìn)入死循環(huán)，等待WDT復(fù)位。通過學(xué)習(xí)讓學(xué)生了解看門狗的原理以及如何設(shè)置相關(guān)寄存器完成看門狗的使能、啟動、喂狗等操作。

2.11 PWM實驗?zāi)K

主要采用PWM2輸出PWM信號，并由按鍵控制PWM的占空比，每按一次按鍵將會改變一次PWM的占空比，從而控制LED發(fā)光二極管的閃爍亮度。利用虛擬交流電壓表檢測輸出端口的電壓大小，并利用示波器顯示輸出端口的波形，便于觀察LED發(fā)光二極管的閃爍亮度和理解PWM的作用。

2.12 RTC實驗?zāi)K

主要采用微控制器內(nèi)部RTC的實時時鐘控制LED發(fā)光二極管的閃爍，即通過設(shè)置RTC秒值的增量產(chǎn)生中斷，每產(chǎn)生一次中斷，取反LED發(fā)光二極管控制口，并利用示波器檢測輸出端口的波形。

2.13 LCD實驗?zāi)K

實現(xiàn)通過輸出端口控制液晶顯示屏LM032L顯示字符，顯示字符可通過程序改變。

2.4 UC/OS-II操作系統(tǒng)實驗?zāi)K

基于UC/os-n實時操作系統(tǒng)，通過芯片引腳分別控制1個按鍵輸入和1個蜂鳴器及1個LED發(fā)光二極管輸出，實現(xiàn)基于實時操作系統(tǒng)的GPIO輸入輸出功能。通過學(xué)習(xí)幫助學(xué)生簡單理解芯片在操作系統(tǒng)下進(jìn)行控制的方法以及和在沒有操作系統(tǒng)的情況下進(jìn)行控制的區(qū)別。

該實驗平臺己通過打包工具生成了安裝包，學(xué)生只需將安裝包通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)版實驗管理系統(tǒng)下載到PC機(jī)中或通過U盤等存儲工具復(fù)制到PC機(jī)中，按照安裝步驟完成簡單安裝后，就可以利用虛擬仿真技術(shù)在PC機(jī)上進(jìn)行實驗操作。

3 仿真效果舉例

本節(jié)主要選取虛擬實驗平臺中的一個模塊ADC實驗?zāi)K演示仿真效果，ADC實驗?zāi)K主要通過可調(diào)電阻改變輸入引腳的電壓提供模擬量輸入，進(jìn)行AD采樣轉(zhuǎn)換，并把結(jié)果轉(zhuǎn)換成電壓值，發(fā)送到串行接口UARTO進(jìn)行顯示。圖2為ADC實驗?zāi)K的主函數(shù)；圖3為ADC實驗?zāi)K的仿真演示效果。

4 實驗平臺建設(shè)意義

4.1 節(jié)省資金投入

本文設(shè)計完成的虛擬實驗平臺可方便快捷的安裝到計算機(jī)中，這樣既可以緩解實驗設(shè)備緊張、建設(shè)資金有限的問題，也可以解決實驗設(shè)備更新速度慢等問題，保證每個學(xué)生都能做到真正參與實驗。

4.2 培養(yǎng)實踐能力

通過虛擬實驗平臺，可讓學(xué)生形象深刻的了解嵌入式系統(tǒng)的工作原理，掌握知識本身，如在實驗條件允許的情況下，在虛擬實驗的基礎(chǔ)上，再加上傳統(tǒng)的實驗箱教學(xué)，形成“虛實”結(jié)合的實驗?zāi)Ｊ?，將大大有利于學(xué)生學(xué)習(xí)課程的興趣和學(xué)生動手實踐技能的提高。

4.3 突破時空的局限

該平臺的實現(xiàn)為學(xué)生提供了開放的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生可選擇合適的時問和地點進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而很好的解決了學(xué)生學(xué)習(xí)時在時空上的局限性。

4.4 提供借鑒意義

隨著仿真軟件的功能越來越強(qiáng)大和應(yīng)用越來越成熟，在實驗教學(xué)中采用仿真軟件進(jìn)行虛擬仿真實驗己變得非常普遍。本文對嵌入式虛擬實驗平臺的研究對其它各類專業(yè)虛擬實驗室的建設(shè)具有一定的借鑒意義。

5 結(jié)論

本文在Proteus和Keil軟件平臺下，選用ARM7內(nèi)核的LPC2138微控制器設(shè)計了一套嵌入式系統(tǒng)虛擬實驗平臺。該平臺包含了最小系統(tǒng)、匯編語言、GPIO、外部中斷、Timer、SPI. 12C、UART、ADC. WDT. PWM.RTC、LCD、UC/OS-II操作系統(tǒng)等14個實驗?zāi)K，知識點全而，安裝簡單方便，教學(xué)使用效果較好。

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