基于模型的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

周虹

摘 要：目前嵌入式系統(tǒng)開發(fā)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)存在仿真平臺(tái)與測試平臺(tái)分離等問題，針對(duì)此類問題，設(shè)計(jì)了一種基于模型設(shè)計(jì)方法的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)采用嵌入式系統(tǒng)與MATLAB平臺(tái)相結(jié)合的開發(fā)模式，由計(jì)算機(jī)完成嵌入式代碼的生成，采用這種方式節(jié)省手工編碼的時(shí)間，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；模型設(shè)計(jì)；創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2018）10-0023-02

國內(nèi)高等教育在學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)方面一直飽受詬病。如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力是高等教育普遍面臨的一個(gè)重要問題。在CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，CDIO）工程專業(yè)認(rèn)證教育背景下，選擇什么模式的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為創(chuàng)新應(yīng)用型人才的培養(yǎng)保駕護(hù)航是目前高等院校工科專業(yè)面臨的新問題。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)是高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)、測控專業(yè)等電類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程[1-2]，為了便于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行更加深刻的理解，實(shí)驗(yàn)課程更加重要，學(xué)生只有在掌握了課程理論的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)際動(dòng)手操作，才能更加深刻地理解和體會(huì)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。因此，嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，應(yīng)具備盡可能多的鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力的功能[3-4]，學(xué)生通過研究嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件資源，熟悉和掌握嵌入式控制器的原理和使用方法，將理論和實(shí)際有效地結(jié)合起來，減少整體研發(fā)周期，為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力順利走向崗位打下良好的基礎(chǔ)。

一、嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)存在的問題

目前，嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)存在的問題，主要有以下四點(diǎn)。

1.傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)價(jià)格比較

昂貴[5]，功能單一，一個(gè)平臺(tái)只能供一門課程使用，例如“單片機(jī)與接口技術(shù)”課程使用專用的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱，“ARM原理與設(shè)計(jì)”課程使用ARM實(shí)驗(yàn)箱等，這些實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由不同的廠家生產(chǎn)，不能協(xié)同合作，難以針對(duì)多種嵌入式控制芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)和定義，無法解決多種嵌入式芯片協(xié)同工作的問題。

2.傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

單一，集成度高。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)只需要按照實(shí)驗(yàn)步驟，連接相關(guān)接口，設(shè)置接口定義，導(dǎo)入程序即可完成。這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綔p少了實(shí)驗(yàn)教師準(zhǔn)備和指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的工作量，但是對(duì)學(xué)生而言，學(xué)生只是為了實(shí)驗(yàn)而實(shí)驗(yàn)，不知所以然，嚴(yán)重影響學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

3.傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中仿真平臺(tái)和硬件測試

平臺(tái)是各自獨(dú)立的，設(shè)計(jì)者首先在仿真平臺(tái)中驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，如果設(shè)計(jì)方案可行，則將設(shè)計(jì)思路轉(zhuǎn)化為硬件測試平臺(tái)中控制器所需編程語言完成系統(tǒng)硬件的測試，兩個(gè)平臺(tái)中間沒有聯(lián)系，如果編程錯(cuò)誤，排查困難，開發(fā)效率低，耗時(shí)時(shí)間長。

4.傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)模式分為項(xiàng)目功能要求

分析，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件執(zhí)行，系統(tǒng)軟硬件測試驗(yàn)證四個(gè)階段。這四個(gè)階段的缺點(diǎn)是：彼此孤立，重復(fù)勞動(dòng)嚴(yán)重；開發(fā)人員對(duì)項(xiàng)目功能要求理解程度不同，造成產(chǎn)品的功能與設(shè)計(jì)預(yù)期不符合；系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)階段需要搭建硬件系統(tǒng)，投資大、周期長；系統(tǒng)軟件執(zhí)行階段只能采用手工編程的方式，效率低、錯(cuò)誤多。

二、基于模型的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)性，滿足不同實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)額度和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需求，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用基于模型設(shè)計(jì)的模塊化設(shè)計(jì)理念[6-7]，采用多種嵌入式控制器，用戶可根據(jù)自己的需求對(duì)模塊進(jìn)行組合使用，形式靈活，功能多樣，可以滿足各類學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課程要求。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)部分和下位機(jī)系統(tǒng)硬件測試部分，其中，上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)部分為計(jì)算機(jī)中的MATLAB平臺(tái)，在其Simulink工具箱中搭建控制算法模型，然后通過仿真器將Embedded Coder產(chǎn)生的代碼下載到下位機(jī)嵌入式控制器中運(yùn)行，完成從概念構(gòu)思到代碼實(shí)現(xiàn)的整個(gè)過程，縮短從仿真到編程調(diào)試的開發(fā)周期。

（一）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括計(jì)算機(jī)中的MATLAB平臺(tái)和下位機(jī)系統(tǒng)硬件測試平臺(tái)，具體包括箱體、箱蓋、導(dǎo)線放置袋、安全鎖、直流穩(wěn)壓電源模塊、STEM32F407模塊、DSP TMS320F28335模塊、ARM968E-S模塊、MSP430F6721模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、RS232/RS485接口、JTAG接口、USB接口、外接設(shè)備接口及電源插頭。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可通過USB接口與計(jì)算機(jī)連接，完成系統(tǒng)的調(diào)試。

（二）嵌入式系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

直流穩(wěn)壓電源模塊通過電源插頭與220V電源連接，然后通過降壓LM7805、TPS75733、TPS76801穩(wěn)壓輸出5V、3.3V、1.9V電壓，給STEM32F407模塊、DSP TMS320

F28335模塊、ARM968E-S模塊、MSP430F6721模塊提供工作電壓。STEM32F407模塊以STEM32F407芯片為核心，包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，并將所有芯片可用I/O口引出，需要時(shí)可以自行連接實(shí)驗(yàn)裝置上其余的模塊。DSP TMS320F28335模塊以TMS320F28335為核心，包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，并將所有芯片可用I/O口引出，需要時(shí)可以自行連接實(shí)驗(yàn)裝置上其余模塊。ARM968E-S模塊以ARM968E-S為核心，包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，并將所有芯片可用I/O口引出，需要時(shí)可以自行連接實(shí)驗(yàn)裝置上其余模塊。MSP430F6721模塊以MSP430F6721為核心，包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，并將所有芯片可用I/O口引出，需要時(shí)可以自行連接實(shí)驗(yàn)裝置上其余模塊。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)包含多種控制器模塊，可以滿足不同年級(jí)，不同專業(yè)水平學(xué)生的實(shí)驗(yàn)要求。例如，低年級(jí)學(xué)生開設(shè)單片機(jī)原理及應(yīng)用課程中的LED控制實(shí)驗(yàn)時(shí)可以將STEM32F407模塊中所用管腳與LED顯示模塊相應(yīng)部分連接起來，完成相應(yīng)硬件電路的實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)LED顯示的控制功能；高年級(jí)學(xué)生開設(shè)ARM原理與設(shè)計(jì)課程中的LCD顯示實(shí)驗(yàn)時(shí)可以將ARM968E-S模塊與相應(yīng)的LCD顯示器模塊連接，編程后實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)要求。

3.輸入輸出接口模塊設(shè)計(jì)。鍵盤模塊主要用于向控制器輸入用戶信息，完成人機(jī)接口，使用時(shí)學(xué)生可以自行用導(dǎo)線將控制器與鍵盤模塊連接。顯示模塊包括LED燈、數(shù)碼管及LCD液晶顯示器，使用時(shí)學(xué)生可以自行用導(dǎo)線將控制器與顯示器模塊連接，完成相應(yīng)的顯示功能。RS232/RS485接口、JTAG接口、USB接口需要時(shí)均可以用導(dǎo)線自行將控制器接口與其連接，有助于學(xué)生對(duì)接口定義的了解。外接設(shè)備接口主要用來實(shí)現(xiàn)嵌入式控制器與外部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連接，例如如果學(xué)生需要進(jìn)行DSP控制步進(jìn)電機(jī)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以從此外部設(shè)備接口引出導(dǎo)線至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，驅(qū)動(dòng)模塊將由學(xué)生在實(shí)驗(yàn)臺(tái)擴(kuò)展板上自行設(shè)計(jì)，鍛煉了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。此教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)生提供開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提供了硬件條件，調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主參加科學(xué)實(shí)踐和創(chuàng)新活動(dòng)的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)的雙創(chuàng)思維能力和實(shí)踐能力，為CDIO工程專業(yè)認(rèn)證教育背景下，培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才提供了一定的硬件條件。

三、基于模型的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

基于模型的設(shè)計(jì)方法將計(jì)算機(jī)MATLAB平臺(tái)下驗(yàn)證的控制算法直接自動(dòng)生成C代碼下載到嵌入式控制器中，這種開發(fā)方式具有周期短、前期投入小、開發(fā)成功率高的優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中計(jì)算機(jī)通過接口與下位機(jī)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行連接，在計(jì)算機(jī)MATLAB平臺(tái)中，應(yīng)用基于模型設(shè)計(jì)的方法，仿真與硬件設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境統(tǒng)一，以 MATLAB/Simulink 中提供的Embedded Coder工具箱為主要工具，在需求分析階段完成基于模型的嵌入式系統(tǒng)的仿真及代碼模型的設(shè)計(jì)，整個(gè)設(shè)計(jì)流程如下：首先設(shè)計(jì)人員根據(jù)需求建立一個(gè)需求文檔，然后將需求文檔轉(zhuǎn)換成基于Simulink & Stateflow的可執(zhí)行技術(shù)規(guī)范實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)過程的早期驗(yàn)證，然后根據(jù)需求文檔中的算法要求、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，建立浮點(diǎn)模型，在設(shè)計(jì)過程中需建立需求與模型間的雙向跟蹤，進(jìn)行模型驗(yàn)證，及時(shí)修補(bǔ)缺陷，規(guī)避開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，完成之后對(duì)嵌入式處理器進(jìn)行定點(diǎn)化處理，優(yōu)化模型算法，降低功耗，隨后將自動(dòng)生成代碼通過仿真器下載到相應(yīng)嵌入式處理器中，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)，嵌入式控制代碼由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成，保證了設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

培養(yǎng)高等院校儀器儀表類專業(yè)系統(tǒng)能力的核心是在掌握測量、控制和儀器設(shè)計(jì)相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論上，如何開發(fā)構(gòu)建以嵌入式系統(tǒng)為核心的應(yīng)用系統(tǒng)，使學(xué)生成為具有測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)及集成應(yīng)用能力的創(chuàng)新型人才。本文提出了一種基于模型設(shè)計(jì)及MATLAB/

Simulink Embedded Coder工具箱的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)采用模塊化結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展性強(qiáng)，使用靈活，維修簡單，實(shí)驗(yàn)安全便捷，方便攜帶移動(dòng)，可以根據(jù)課程的實(shí)際要求構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)的平臺(tái)，完成不同專業(yè)，不同學(xué)生的實(shí)驗(yàn)要求。學(xué)生使用該平臺(tái)開展實(shí)驗(yàn)，有助于增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，培養(yǎng)CDIO背景下創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型雙創(chuàng)應(yīng)用型技術(shù)人才。

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