開放型嵌入式系統虛擬實驗平臺的設計

王娟

摘要：針對當前嵌入式系統教學中實驗難以開展、缺乏創新等問題，提出了在Proteus和Keil開發工具下，選用ARM7內核的LPC2138微控制器設計了一套嵌入式系統虛擬實驗平臺。該平臺包含了最小系統、匯編語言、GPIO、外部中 斷、Timer、SPI、12C、UART、ADC、WDT、PWM、RTC、LCD、UC/OS-II操作系統等1 4個實驗模塊，并以ADC實驗模塊為例演示了平臺的仿真實現效果，最后總結了實驗平臺建設的實際意義。實踐表明，該虛擬實驗平臺應用于教學后，突破了時空的局限，提高了學生的動手能力，教學效果顯著。

【關鍵詞】嵌入式系統 開放型 虛擬實驗平臺

嵌入式課程是電子信息類專業的一門核心課程，具有理論學習難度大、實踐操作性強等特點。隨著現代計算機仿真技術的飛速發展，在嵌入式課程的實驗教學中采用仿真軟件進行虛擬實驗己變得非常普遍。國內外已經有不少大學對這方而進行了研究，主要是利用計算機仿真技術實現實驗內容、完成實驗操作。虛擬實驗在嵌入式課程體系教學中的應用，也取得了一些成果。如何結合自己的教學實際，設計一套性能穩定良好的嵌入式系統虛擬實驗平臺，使學生真正對課程感興趣、更全而的提高學生的動手實踐技能，就成了一個亟待解決的問題。

1 嵌入式實驗教學存在的問題

1.1 實驗教學難以開展

對于嵌入式系統的遠程教學、網絡教學等開放教學模式來說，受空問和時問等因素的影響，很難開展實驗教學，學生沒有辦法動手操作直接參與實驗。而對于傳統的而授教學來說，雖大部分院校配備有相關的配套實驗箱，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、分時進行，當然，還有部分院校因實驗條件和資金的限制，根本不具備實驗的條件，只能單純進行理論教學。缺乏了實驗教學的輔助作用，大大增加了ARM嵌入式教學的難度。

1.2 實驗教學缺乏創新

目前，課程的實驗教學一般采用驗證性實驗模式，實驗內容較為單一。學生一般在老師的指導下，按照實驗手冊進行簡單接線，然后直接將編寫好的程序下載到芯片中，觀察實驗現象，機械被動地進行實驗操作。學生做完了實驗，只能做到實驗結果的表象認知，缺乏“從概念到產品”的系統訓練，對于嵌入式系統產品的設計并沒有深入的學習體會。

2 虛擬實驗平臺設計

為了有效加強課程實驗內容的深度，提高學生綜合運用知識的能力，適應市場的變化，在借鑒前人成果的基礎上，結合筆者的實際教學經驗，采用仿真軟件Proteus和編程工具Keil，設計完成了一套適用于開放型教學的虛擬實驗平臺。本虛擬實驗平臺采用基于ARM7內核的LPC2138微控制器作為核心控制芯片，共包括14個實驗模塊，除“匯編語言實驗模塊”外，其他模塊均采用C語言實現軟件程序的編寫，并且，在完成基本實驗要求的基礎上，學生可自行設計程序并修改。設計完成的適用于開放型教學的虛擬實驗平臺如圖l所示。

2.1 最小系統實驗模塊

最小系統實驗模塊包括LPC2138微控制器，3.3V供電電路，復位電路和時鐘電路，其中時鐘電路采用振蕩模式產生時鐘信號。通過學習可幫助學生理解最小系統的概念和組成部分。

2.2 匯編語言實驗模塊

通過一個簡單的ARM匯編程序實現兩個寄存器的循環相加。可讓學生了解有關ARM匯編指令格式、程序結構和基本風格。

2.3 輸入輸出（GPIO）實驗模塊

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。當按鍵按下的情況下，蜂鳴器響，LED發光二極管滅；當按鍵松開的情況下，蜂鳴器不響，LED發光二極管亮。為了和定時器實驗模塊中的定時功能進行對比學習，本實驗模塊中的延時功能采用for循環語句實現。

2.4 外部中斷實驗模塊

輸出元件采用1個蜂鳴器、2個發光二極管，輸入元件采用1個按鍵模擬外部中斷信號。正常狀態下，2個發光二極管依次循環點亮，按下按鍵，檢測到中斷信號，進而執行中斷處理函數，執行完畢后，再返回主函數繼續執行發光二極管的點亮任務，模擬中斷流程。

2.5 定時器（Timer）實驗模塊

主要使用定時器1實現比較匹配輸出控制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。為了讓學生熟悉示波器的使用以及各種信號的比較學習，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實驗模塊

采用串入并出顯示驅動芯片74HC595控制1個LED數碼管循環顯示O-F字符。通過學習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數碼管顯示的編程控制方法。

2.7 I²C實驗模塊

主要是通過操作帶I²C接口的存儲芯片FM24C02完成，FM24C02是2048位的串行電可擦除只讀存儲器，內部有256個字節。該實驗模塊主要是實現向該存儲芯片中寫入10字節數據，然后讀回數據，并判斷是否正確。讓學生學習和掌握設置I2C引腳連接、I2c時鐘頻率、主機發送起始信號、發送從機地址和判斷總線狀態等方法。

2.8 UART實驗模塊

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PC發送該字符串，并且使PC終端顯示收到字符串，實現微控制器芯片與上位機PC的通信。

2.9 ADC實驗模塊

主要通過可調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行AD采樣轉換，并把結果轉換成電壓值，然后發送到串行接口UARTO，結合UART實驗模塊中的虛擬終端進行顯示。endprint

2.10 WDT實驗模塊

看門狗定時器實驗模塊開始主要先控制4個LED發光二極管循環閃爍8次，期問不斷進行喂狗處理，然后只點亮其中1個LED發光二極管，并進入死循環，等待WDT復位。通過學習讓學生了解看門狗的原理以及如何設置相關寄存器完成看門狗的使能、啟動、喂狗等操作。

2.11 PWM實驗模塊

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發光二極管的閃爍亮度和理解PWM的作用。

2.12 RTC實驗模塊

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

2.13 LCD實驗模塊

實現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操作系統實驗模塊

基于UC/os-n實時操作系統，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發光二極管輸出，實現基于實時操作系統的GPIO輸入輸出功能。通過學習幫助學生簡單理解芯片在操作系統下進行控制的方法以及和在沒有操作系統的情況下進行控制的區別。

該實驗平臺己通過打包工具生成了安裝包，學生只需將安裝包通過現有網絡版實驗管理系統下載到PC機中或通過U盤等存儲工具復制到PC機中，按照安裝步驟完成簡單安裝后，就可以利用虛擬仿真技術在PC機上進行實驗操作。

3 仿真效果舉例

本節主要選取虛擬實驗平臺中的一個模塊ADC實驗模塊演示仿真效果，ADC實驗模塊主要通過可調電阻改變輸入引腳的電壓提供模擬量輸入，進行AD采樣轉換，并把結果轉換成電壓值，發送到串行接口UARTO進行顯示。圖2為ADC實驗模塊的主函數；圖3為ADC實驗模塊的仿真演示效果。

4 實驗平臺建設意義

4.1 節省資金投入

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

4.2 培養實踐能力

通過虛擬實驗平臺，可讓學生形象深刻的了解嵌入式系統的工作原理，掌握知識本身，如在實驗條件允許的情況下，在虛擬實驗的基礎上，再加上傳統的實驗箱教學，形成“虛實”結合的實驗模式，將大大有利于學生學習課程的興趣和學生動手實踐技能的提高。

4.3 突破時空的局限

該平臺的實現為學生提供了開放的學習環境，學生可選擇合適的時問和地點進行學習，從而很好的解決了學生學習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大和應用越來越成熟，在實驗教學中采用仿真軟件進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虛擬實驗室的建設具有一定的借鑒意義。

5 結論

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

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