嵌入式實驗設備改進設計初探

趙立輝

摘 要：本文首先指出了目前高等學校電氣及計算機類專業實驗室使用的嵌入式實驗設備在使用過程中出現的問題；進而分析導致產生這些問題的原因，歸納出了嵌入式實驗設備的設計缺陷；提出了兩套改進設計方案。最后對高校嵌入式實驗設備設計和生產廠家提出了中肯的建議，可供使用者、設計和生產廠家在今后改進此類實驗設備時參考。

關鍵詞：嵌入式實驗設備；物聯網實驗設備

1 前言

嵌入式實驗設備是目前高等學校電氣及計算機類專業實驗室的必備儀器，當前市場上的此類設備技術上大多不太成熟，在使用過程中出現了各種各樣的問題；如何改進嵌入式實驗設備的設計缺陷，使之更好用、更耐用，值得使用者、設計和生產廠家認真而深入地思考。

2 嵌入式實驗設備在使用過程中出現的問題

2.1 翻蓋式和平鋪式兩種液晶顯示器優劣之爭

嵌入式實驗設備和單片機的最大區別就在于單片機不需操作系統支持，只要將程序目標碼寫入單片機CPU內部自帶的存儲器，工作時執行程序目標碼就可以了。單片機需要顯示各種數據時一般采用發光二極管、數碼管、點陣或微型液晶顯示器。而嵌入式實驗設備可以認為是單片機的升級版，需要Windows CE或Linux操作系統支持，因此嵌入式實驗設備除了單片機所具有的所有顯示方式外，還要有一個較大的液晶顯示器來顯示操作系統的桌面。這種液晶顯示器有翻蓋式和平鋪式兩種，翻蓋式液晶顯示器類似于翻蓋手機，優點是用戶可以自由調整其角度以適合觀看，缺點是由于調整次數過多容易導致轉軸部分內部的導線接觸不良或折斷。因此對于個人使用而言，角度一旦調整好后就很少改變，可以選擇帶有翻蓋式液晶顯示器的嵌入式實驗設備。但是在實驗室中使用就不合適了，因為每人的觀察角度不同而導致液晶顯示器經常被調整，所以損壞率特別高。平鋪式液晶顯示器是平鋪地固定在嵌入式實驗設備上，缺點是用戶不能調整其角度，觀看不方便；優點是損壞率低。

結論：如果個人使用，宜選擇帶有翻蓋式液晶顯示器的嵌入式實驗設備；如果在實驗室供學生使用，宜選擇帶有平鋪式液晶顯示器的嵌入式實驗設備。

2.2 Windows CE和Linux操作系統之爭

嵌入式實驗設備在使用過程中出現的最大問題是它移植的Windows CE和Linux操作系統之爭。學生做嵌入式基本實驗（即不帶操作系統的實驗）時，嵌入式實驗設備就是一臺單片機，它的Flash相當于單片機CPU內部自帶的存儲器。學生在微機上編程，通過JTAG接口將程序目標碼下載到嵌入式實驗設備中的Flash，工作時執行該程序就可以了。程序目標碼下載采用覆蓋方式，每個程序的啟動地址都是Flash中的同一地址。雖然新的目標碼會覆蓋舊目標碼，但是因為這個下載過程很短，所以不會有什么問題。但是在學生做操作系統移植及編程實驗時就會出現兩個問題，一是做相同操作系統移植及編程實驗，由于學生進度不同，可能導致有的成功、有的失敗。換了另一批學生后，由于班級進度的不同，可能老師會安排做操作系統移植后的編程實驗，有的學生可以在一個操作系統移植成功的設備上正常開始，有的學生則先要移植操作系統，然后才能開始編程實驗，這樣肯定又會導致學生的進度不同，甚至會出現學生在規定的時間內不能正常完成實驗的情況。二是如果不同班級做不同于上一個班級的操作系統移植及編程實驗，會覆蓋上一個班級已經移植成功的操作系統，使上一個班級的下一次實驗必須從操作系統移植重新開始。

2.3 嵌入式實驗設備如何減少和微機的連接線

嵌入式實驗設備和微機的連接線多達四個，分別是串行、并行、網絡及USB接口。現在很多微機和筆記本電腦上已經沒有串行和并行接口，如何減少連接線并使嵌入式實驗設備在無串行和并行接口時仍然能夠正常使用是值得探討的問題。

3 導致產生這些問題的原因

導致產生這些問題的原因是嵌入式實驗設備中Flash的程序目標碼啟動地址相同，這是嵌入式實驗設備存在的設計缺陷。這種設計方案實現簡單，節約成本，目前市場上大多數的嵌入式實驗設備都采用此方案。這種設計方案對于個人使用來講沒有任何問題，因為不管用戶采用那種操作系統，一旦移植成功一般不會經常改變；但是對于在實驗室中面向學生使用時，情況就完全不同了。Flash中的操作系統會處于經常被改變的狀態，并且操作系統移植的時間長、步驟多，給學生實驗帶來很大困擾。

4 嵌入式實驗設備改進設計方案

針對嵌入式實驗設備存在的設計缺陷而產生的Windows CE和Linux操作系統之爭問題，本文提出了以下兩套改進設計方案。

方案一、

將嵌入式實驗設備中的Flash分為三個區，一是不帶操作系統的實驗區；二是Windows CE實驗區；三是Linux操作系統實驗區。啟動地址也相應分為三個，這樣三個區分開就不會發生相互覆蓋的問題了。這個方案的優點是不增加Flash；缺點是地址譯碼電路需要重新設計并在復雜度上要遠高于現有設備，并且不能解決根本問題，因為即使在同一個操作系統區，里面的操作系統有的是移植成功的，有的是沒有移植成功的，如果直接在此基礎上做編程實驗，仍然存在問題。這個方案本身存在的問題是這三個區如何識別，國內有的廠家的做法是用一個撥動開關在三個位置的移動來識別，但是我們在使用過程中經常遇到學生撥錯開關而導致三個區內容互相覆蓋的情況。所以，方案一不是一個成熟的方案，只不過相對目前一般的嵌入式實驗設備來講有所改進。

方案二采用的方法仍然是將嵌入式實驗設備中的Flash分為三個區，即實驗區、Windows CE固化區和Linux固化區。實驗區即可以寫入，也可以讀出。一切實驗都可以在此區完成，包括不帶操作系統的嵌入式基本實驗、Windows CE操作系統移植及編程實驗、Linux操作系統移植及編程實驗。Windows CE固化區設置為只讀區，里面固化了已經寫好的Windows CE操作系統，當學生做Windows CE平臺下的編程實驗時，如果實驗區內的Windows CE操作系統是好的，則在此基礎上直接編程。如果實驗區內的Windows CE操作系統不好（即上次使用此設備的學生沒有將Windows CE操作系統移植成功、實驗區內存放的是基本實驗程序目標碼或者Linux操作系統），則首先將Windows CE固化區內的操作系統讀出并寫入實驗區再編程。這個時間很短，幾乎不會影響實驗的正常進行。Linux固化區也設置為只讀區，操作方法和Windows CE固化區一樣。這樣就解決了三種實驗方式的沖突問題。為了保證實驗區不會覆蓋另外兩個區，更可靠的方法是用一片Flash單獨作為實驗區，一切實驗均可在此區完成。用兩片ROM（只讀存儲器）分別固化Windows CE和Linux操作系統，當實驗區內的Windows CE和Linux操作系統不好時分別從各自所在的ROM中讀出，寫入到實驗區即可。

市場上已經有USB轉串行口、USB轉并行口及USB轉網口的設備，可以把這些設備集成到嵌入式實驗設備上，在不降低嵌入式實驗設備功能的基礎上使之與微機的連接線只剩USB接口線一根，方便了用戶的使用，同時使自己的產品在同類產品中更具競爭力。

參考文獻

[1]周鳴爭.嵌入式系統與應用.中國鐵道出版社 [M].北京：2013.

[2]彭曼曼，等.嵌入式系統導論.人民郵電出版社 [M].北京：2008.